Solarthermie und Photovoltaik kombiniert – sinnvoll?

Du möchtest deine Energie- und Wärmeversorgung nachhaltiger und unabhängiger gestalten? Da stellt sich die Frage welche Solaranlage die Richtige ist. Oder einfach beide Solaranlage-Arten, Solarthermie und Photovoltaik, kombinieren? Wir zeigen wie sinnvoll es ist, Solarthermie und Photovoltaik auf einem Dach zu vereinen.

Durch die Kombination von Photovoltaik und Solarthermie wird die Sonnenergie voll ausgeschöpft. Ist genügend Dachfläche vorhanden, kann sowohl eine Photovoltaik- als auch Solarthermieanlage Platz finden. Alternativ bieten sich Hybridmodule, sogenannte Hybridkollektoren (Photovoltaik + Thermie), an oder die Kopplung einer Warmwasser-Wärmepumpe oder Heizstab an die PV-Anlage.

Was ist der Unterschied zwischem Solarthermie und Photovoltaik?

Es gibt zwei unterschiedliche Arten von Solaranlagen: Die Photovoltaik- und die Solarthermie-Anlage. Die Photovoltaik-Anlage erzeugt aus Sonnenstrahlung elektrischen Strom. Die Solarthermie-Anlage nutzt die Wärme der Sonne und macht sie für den Haushalt nutzbar (Warmwasser und Heizung).

Welche Möglichkeiten gibt es, Solarthermie und Photovoltaik auf einem Dach zu kombinieren?

• Sowohl Photovoltaik- als auch Solarthermie-Anlage auf dem Dach, wenn genug Platz auf dem Dach vorhanden ist.
• Eine PVT-Anlage vereint Solarthermie und Photovoltaik in einem Modul. Das spart Platz auf dem Dach. Allerdings wird für die Wärmeversorgung idR weniger Dachfläche benötigt als für die Stromversorgung. Außerdem ist diese Technik noch relativ neu und es können langfristig bisher unbekannte Probleme auftreten.
• Beide Systeme können in einen gemeinsamen Wärmespeicher (großer Wasserspeicher) für die Warmwasser- und/oder Heizungsunterstützung führen. Der Wärmeüberschuss der Solarthermie läuft über einen Wärmetauscher direkt in den Wärmespeicher. Der erzeugte Photovoltaik-Strom ist über einen Heizstab oder eine Warmwasser-Wärmepumpe mit dem Pufferspeicher verbunden.
• Über ein Energiemanagementsystem, beispielsweise von E3/DC, kann die erzeugte Energie optimal verteilt und gespeichert werden, für maximale Autarkie.

Ist es sinnvoll Solarthermie und Photovoltaik zu kombinieren?

Oh, ja! Laut Statistischem Bundesamt verbrauchten Haushalte 2019 etwa 70% des Gesamtenergie-Bedarfs durchs Heizen, 15% durch Warmwasser und 10% durch Strom. Durch die Kombination von Photovoltaik, Solarthermie, Speicher und Energiemanagement kann die Autarkie auf 80% und mehr gesteigert und der Bedarf an fossilen Brennstoffen wie Heizöl um bis zu 90% reduziert werden, wie du im Erfahrungsbericht von Herrn Drotleff erfährst:

Wie funktionieren Solarmodule?

Solarthermie

In einer Solarthermie-Anlage befindet sich eine Flüssigkeit mit Frostschutz umgeben von einer Dämmschicht. Die Flüssigkeit erhitzt sich bei Sonnenstrahlung und wird bis zu 150°C heiß. Hat sich genügend Wärme angesammelt, wir diese in einen Wärmespeicher abgeleitet. Über einen Wärmetauscher wird die Wärme der Solarflüssigkeit an den Wärmespeicher abgegeben und die Solarflüssigkeit kühlt ab. Solarthermie-Anlagen gibt es als Flachkollektoren oder als Vakuum-Röhrenkollektoren. Daher werden sie auch als Solarkollektoren bezeichnet.

Wie die Solarthermie nur für die Warmwassererzeugung für Küche und Bad genutzt, reicht ein Trinkwasserspeicher. Für ein Einfamilienhaus hat dieser eine Größe von 300 bis 500 Litern.

Soll die Solarthermie auch zur Heizungsunterstützung genutzt werden, kommt ein Pufferspeicher zum Einsatz. Der ist mit Heizwasser befüllt und mit 750 bis 1500 Litern deutlich größer als der Trinkwasserspeicher. Es gibt auch Kombispeicher, die Warmwassererzeugung und Heizwasserspeicher in einem sind.

Mit einer üblichen Solarthermie-Anlage lässt sich etwa 60% des Warmwasserbedarfs und 10% des Heizbedarfs decken.

Photovoltaik

Bei der Photovoltaik wird durch Photonen (Lichtstrahlen) Spannung und damit Strom erzeugt. Die erzeugte Energie ist Gleichstrom, im Haushalt wird aber Wechselstrom genutzt. Daher wird  sie über einen Wechselrichter geführt, der den Gleichstrom in Wechselstrom umwandelt.

Der erzeugte Solar-Strom wird entweder selbst verbraucht, ins Netz eingespeist (gegen Vergütung) oder er kommt in einen Speicher (siehe Solar-Insel-Anlage). Der Speicher ist entweder ein normaler Stromspeicher oder beispielsweise eine Wärmepumpe oder Heizstab in Kombination mit einem Pufferspeicher (Warmwasser oder Heizuungsunterstützung).

Die PVT-Anlage – Solarthermie und Photovoltaik kombiniert in einem Modul

PVT-Anlage steht für “Photovoltaik + Thermie”, auch Photothermie oder Solarvoltaik genannt. Sie kombiniert eine gewöhnliche Photovoltaik- und Solarthermie-Anlage. Dabei besteht die untere Schicht aus einer Solarthermie-Anlage auf die eine Photovoltaik-Anlage aufgeschraubt wird. Durch diese Kombination ergeben sich einige Besonderheiten:

• Platzersparnis auf dem Dach– die Hybrid-Kollektor spart viel Platz auf dem Dach, weil auf einer Fläche sowohl Photovoltaik- als auch Solarthermie genutzt wird. Allerdings bezieht sich die Platzersparnis nur aufs Dach. Ins Haus führen weiterhin zwei Anschlüsse – für Strom und Wärmeleitung – und es in der Regel gibt es separate Strom- bzw. Wärmespeicher.
• Effektivere Nutzung des Sonnenlichts – Durch die Kombination von Photovoltaik und Solarthermie wird die Sonnenenergie voll ausgeschöpft. Ganze 70-80% der Sonnenstrahlung wird in nutzbare Energie umgewandelt.
• Höhere Effizienz der Photovoltaik-Komponente – durch die Kombination der beiden Systeme entsteht eine interessante Symbiose. Photovoltaik-Anlagen sind bei Extremtemperaturen im Sommer weniger effizient. Durch die darunterliegende Solarthermie-Anlage wird die Wärme besser abgeführt und die Photovoltaik-Komponenten indirekt gekühlt und kann somit mehr Strom erzeugen. Im Winter bei Schneefall verhindert die Grundwärme der Solarthermie-Anlage das Schnee auf dem Modul liegen bleibt. Wenn allerdings die Wärme der Solarthermie-Anlage nicht schnell genug verbraucht wird, kehrt der Effekt ins Gegenteil: Die Photovoltaik-Komponente wird zusätzlich erwärmt und die Effizienz geringer!

In der Theorie klingt das gut, in der Praxis zeigen sich einige Herausforderungen:

1. Unterschiedlicher Flächenbedarf von Photovoltaik und Solarthermie
   Um ein Einfamilienhaus über Solarthermie mit Wärme zu versorgen ist nur eine geringe Fläche nötig. Wenn es nur das Warmwasser (Brauchwasser) ist, reichen bereits etwa 5qm. Bei zusätzlicher Heizungsunterstützung sind es maximal 10 bis 15 qm. Um den Strombedarf eines Einfamilienhauses über Photovoltaik zu decken bedarf es hingegen 20 bis 25qm. Natürlich kann das Dach aber auch zum Teil mit Hybrid-Modulen und zusätzlich mit reinen Photovoltaik-Modulen ausgestattet werden.
2. Unterschiedlicher Wärmebedarf über das Jahr
   Während der Strombedarf ganzjährig relativ gleichbleibt, schwankt der Wärmebedarf über das Jahr gesehen. Das gilt besonders wenn die Solarthermie auch als Heizungsuntersützung genutzt wird. Sogenannte Saison-Speicher können Wärme für mehrere Monate speichern, sind aber für den Privatgebrauch noch zu teuer.
3. relativ junge Technik
   Die Technik der PVT-Anlage ist noch relativ jung und damit können im Langzeit-Gebrauch Probleme auftreten, die wir jetzt noch nicht kennen. Im Gegensatz dazu sind Photovoltaik und Solarthermie als Einzelsysteme “robust” und gut erforscht. Gerade weil die Anschaffungskosten hoch sind, ist ein reibungsloser Betrieb und lange Haltbarkeit von hoher Bedeutung.

Ist eine PVT-Anlage für mein Haus geeignet?

Die PVT-Anlage eignet sich, wenn wenig Platz auf dem Dach vorhanden ist. Allerdings sollte nur so viel Solarthermie verbaut werden, wie das ganze Jahr über auch mindestens verbraucht wird. Denn sonst kann sich im Sommer die überschüssige Wärme im Modul stauen. Das erwärmt dann die Photovoltaik-Module, die so weniger Strom erzeugen.

Eine größflächige PVT-Anlage eignet sich bei ganzjährig hohem Wärmebedarf. Beispielsweise für ein Haus mit Pool, das auch im Sommer beheizt wird.

Für ein normales Einfamilienhaus ist nur eine kleine PVT-Anlage sinnvoll, die neben der Stromproduktion der Warmwasserversorgung dient. Denn der Bedarf an Warmwasser in Bad und Küche ist das ganze Jahr über relativ gleibleibend und bedarf bei einem durchschnittlichen Einfamilienhaus gerade mal ca. 5qm an Solarthermie auf dem Dach.

Eine Ausnahme ist der Einsatz eines Saison-Speichers, der Wärme mehrere Monate speichern kann aber ziemlich teuer ist. Damit wird dann die überschüssige Wärme im Sommer für die kalten Monate gespeichert.

Im Gegensatz zur Wärmeversorgung, wird für die Stromversorgung eine relativ große Fläche an Photovoltaik auf dem Dach benötigt. Von daher ist es sinnvoll, eine kleine PVT-Anlage um eine reine Photovoltaik-Anlage zu ergänzen.

was ist wirtschaftlicher solarthermie oder photovoltaik (altbau)

Gemeinsamer Wärmespeicher für Solarthermie und Photovoltaik

Überlicherweise wird der überschüssige Strom der Photovoltaik-Anlage und die überschüssige Wärme der Solarthermie-Anlage in getrennten Systemen gespeichert.

Für die Heizungs- oder auch Warmwasserunterstützung können aber beide Systeme in einen gemeinsamen Wärmespeicher einspeisen, beispielsweise einen großen Pufferspeicher für die Heizung oder einen kleinen Trinkwasserspeicher für das Warmwasser. Beide speichern die Wärme in Wasser.

Während die Wärme der Solarthermie-Anlage über einen Wärmetauscher direkt in den Wärmespeicher fließt, wird der überschüssige Strom über einen Heizstab oder eine Warmwasser-Wärmepumpe zugeführt.

Der Wärmespeicher kann auch zusätzlich über einen Ölbrenner beheizt werden, wie er vor allem im Altbau oft verbaut ist. Beispielsweise wenn im Winter gerade nicht genug Sonne scheint, aber viel geheizt wird.

Kosten

Was ist günstiger eine PVT-Anlage oder die Kombination aus reiner Solarthermie- und Photovoltaik-Anlage?Das ist natürlich sehr individuell und vom Strom- und Wärmebedarf sowie der genauen Austattung (z.B. mit oder ohne Stromspeicher) abhängig. Jedenfalls sollte die Ersparnisse an Strom und Wärme durch die Solaranlage genau ermittelt und den Anschaffungskosten der Solaranlage(n) gegenübergestellt werden.

Laut Solaridee (2021a) kostet eine durchschnittliche PVT-Anlage für ein Einfamilienhaus mit 4 Personen zwischen 5000 und 8000 Euro. Eine reine PV-Anlage mit 6kWp Leistung würde hingegen 8000 Euro (ohne Batteriespeicher) kosten und eine Fläche von 25qm benötigen. In Kombination mit einer Solarthermie-Anlage von 5000 Euro für 6qm Fläche läge der Gesamtpreis bei 13.000 Euro. Rein rechnerisch würde man also mit einer PVT-Anlage sparen.

Wie wir aber bereits gesehen haben, wird in der Realität bei einem durchschnittlichen Privathaushalt für den Strombedarf mehr Fläche benötigt als für den Wärmebedarf. Von daher ist eine Vergleichsrechnung, die sich alleine auf die Fläche bezieht nicht besonders hilfreich.

Ein Hybridkollektor-Modul kostet etwa 500 Euro bei einer Größe von 1,66qm, 330W PV-Leistung und 855W thermische Leistung.

Für die Warmwasserversorgung eines durchschnittlichen Privathaushalts reicht eine Fläche von 6qm bereits aus. Auf dieser Fläche würden sich über eine PVT-Anlage 1kWp Strom produzieren lassen. Um den Strombedarf eines Einfamilienhaus mit 4 Personen annähernd zu decken, wird etwa eine Gesamt-Leistung von 3-6kWp über Photovoltaik benötigt. Der restliche Strombedarf lässt sich also am besten über eine reine Photovoltaik-Anlage decken.

Hinzu kommen die Kosten für die jeweiligen Speicher von Strom und Wärme.

Förderung

Sowohl für Photovoltaik-, Solarthermie- als auch Hybrid-Anlagen (PVT) gibt es Förderungen. Einzelheiten zur Förderung je nach Solaranlage findest du hier.

Grundsätzlich kannst du eine Förderung bei der KfW-Bank oder dem Bundesamt für Wirtschaft und Ausfuhrkontrolle (BAFA) beantragen. Darüber hinaus bieten viele Städte und Gemeinden eine Förderung – frag doch einfach mal nach.

Quellen:

• Solar-Idee (2021a). Solarthermie und Photovoltaik kombiniert? Hybridkollektoren für Wärme und Strom. (https://www.youtube.com/watch?v=EZHUI7P3Q90)
• Solar-Idee (2021b). Solarthermie versus Photovoltaik … was ist der Unterschied? (https://www.youtube.com/watch?v=7tdjFzrwgYI)
• SHK Info (2019). Entscheidungshilfe: Solar oder PV? (https://www.youtube.com/watch?v=jZWEE3lFgZ0)
• E3/DC Gmbh (2019). Kombination von PV, Solarthermie, Heizstab und Stromspeicher #1. (https://www.youtube.com/watch?v=12C-oJkmgKI)
• https://www.co2online.de/modernisieren-und-bauen/solarthermie/technik-funktionsweise-von-solarthermie/
• https://www.destatis.de/DE/Presse/Pressemitteilungen/2021/08/PD21_383_85.html
• https://www.aroundhome.de/solaranlage/hybridkollektor/
• https://solimpeks.de/Solimpeks-EXCELL-Hybridkollektor-330-855-W