Hybridkollektor: Solarenergie 2-in-1 – der Marktcheck

Heute geht’s in meiner kleinen Reihe zu Hybridkollektoren um die Praxis: Ich will mal schauen, was es so am Markt gibt und was das, was es gibt, kann beziehungsweise können soll. Wer frisch dazu gestoßen ist, kann sich hier die theoretischen Grundlagen von Hybridkollektoren durchlesen.

Bautechnischs Basiswissen zu Hybridkollektoren

Ein Hybridkollektor erntet mit seinen Photovoltaik-Modulen (kurz: PV-Modulen) das sichtbare Lichtspektrum des Sonnenlichts und mit seinen Solarthermie-Kollektoren fängt er die Infrarotstrahlen der Sonne ein. Da dabei den PV-Modulen die Wärme quasi unter dem Hintern entzogen wird, weil die Solarthermie-Kollektoren wie eine Kühlung der PV-Module wirken, herrscht eine für diese optimale Betriebstemperatur von um die 25 Grad Celsius. Das erhöht den Wirkungsgrad der PV-Module, sprich: dank der Kühlung können die PV-Module einen guten Ertrag einfahren. Und da die Wärme des Hybridkollektors einer Nutzung zugeführt wird, Erwärmung des Brauch- und/oder des Heizwassers, bringt er dem Betreiber einen Doppelnutzen: Solarstrom plus Solarwärme.

Technisch unterscheidet man in der Photovoltaik-Thermie (PV-T, PV/T, PVT) grundsätzlich Systeme, die entweder die Solarwärmelieferung oder die Solarstromlieferung in den Vordergrund ihres funktionalen Seins rücken.

Anwendungsideen und Konzepte zum Einsatz von Hybridkollektoren gibt es viele, drei Schaltungen seien besonders verbreitet, schreibt das Internetportal Enbausa.

  • Koppelung von PVT, Kessel oder Wärmepumpe in paralleler Schaltung,
  • Koppelung von PVT und Wärmepumpe und paralleler und serieller Schaltung
  • sowie die Kombi von PVT, Wärmepumpe und Erdsonde in paralleler und serieller Schaltung.

Folgende Bauweisen sind laut Dipl-Ing. Eric Theiß derzeit geläufig:

Selektiver Kollektor mit Solarzellen

Aufgebaut wie ein herkömmlicher Flachkollektor hat der selektive Kollektor jedoch statt einer Frontscheibe ein sogenanntes PV-Laminat. Dorthinein werden in großem Abstand die Solarzellen eingelassen.

Standard-Hybridkollektor – wassergekühlt

Rückseitig hat das PV-Laminat bei diesem Standardmodell des Hybridkollektors eine Wasserwanne. Durch diese leitet man das Kühlwasser. Hinter dem Frontglas befindet sich bei diesem Kollektortyp kein Luftpolster – das heißt, es kann sich ein energiekonzentrierender Treibhauseffekt aufbauen.

Kollektor mit Hybridabsorber

Auch er ist aufgebaut wie ein herkömmlicher Flachkollektor, doch anstelle des üblichen Absorberblechs wird das PV-Laminat rückseitig mit Hilfe von Kupferröhren gekühlt.

Luftgeführte Systeme

Luftgeführte Hybridkollektoren benutzen als Wärmeübertragungsmedium die namensgebende Luft.

PV-Thermie-Kollektoren mit Tracker / Heliostat

Das HCPVT-System ist ein High-Concentration-Photovoltaic-Thermal-System, dem man sowohl eine doppelte Abgabeleistung als auch eine höhere Exergieeffizienz zuspricht. Es könne mit heißem Wasser (90 Grad Celsius) gekühlt werden, schreibt Theiß. Die von dem Hybridsystem gelieferte Wärme lasse sich demnach zur Warmwasserbereitung und Raumheizung oder zur Adsorptionskühlung für RLT-Anlagen nutzen.

PVT-Wasserkollektoren und PVT-Luftkollektoren

Zwei Drittel der aktuell installierten Hybridkollektoren sind Dipl.-Ing. Eric Theiß zufolge wassergekühlt. Die entsprechenden PVT-Wasserkollektoren gibt’s in verglaster und unverglaster Bauweise. Das typische Zwei-Schicht-System ergibt sich, weil direkt unter der Glasoberfläche die PV-Module sitzen, die aus dem Sonnenlicht Solarstrom in Form von Gleichstrom erzeugen. Ein sogenannter Wechselrichter sorgt dafür, dass dieser in verbrauchbaren Wechselstrom umgewandelt wird. Die zweite Schicht bildet die Solarthermie: Ein Absorber, zum Beispiel ein Kupferblech, das mit einer speziellen Keramik bedampft ist, oder eine schwarze Metallfolie, nimmt die Sonnenwärme auf, die dann auf das Wasser übertragen wird, das hier als Wärmeübertragungsmedium fungiert.

Ist der PVT-Kollektor „abgedeckt“, arbeitet er ohne spektralselektive Absorberbeschichtung. Das hat den Nachteil, dass die Strahlungsverluste umso größer werden, je größer der Temperaturunterschied wird, der zwischen Absorber und Abdeckscheibe besteht.

Problematisch sei bei den Hybridkollektoren einerseits  die „Wärmeübertragung von den Solarzellen zur Wärmeträgerflüssigkeit, wobei hier eine gute elektrische Trennung und gleichzeitig eine ausgewogene Wärmeleitfähigkeit erreicht werden“ müsse, heißt es von Eric Theiß weiter. Außerdem bestünde demnach das Problem in der Absorption der Sonnenstrahlung, weil die gläserne Abdeckung des Hybridkolektors die Strahlung für den Solarstromabsorber reduziere. Aus diesem Grund habe das Fraunhofer-Institut für Solare Ener­giesysteme (ISE) die Glasscheibenkonstruktion mit einer hochtransparenten und an den Brechungsindex der Luft angepassten Folie ersetzt.

Hier wird der technologisch optimierte Hybridkollektor detailliert so beschrieben: „Kristalline Solarzellen werden mit einer Ethyl-Vinyl-Acetat (EVA)-Folie direkt auf den Metallabsorber laminiert. Der Kollektor ist mit einer beidseitig antireflexbeschichteten Glasscheibe versehen, das erhöht die Transmission. Eine Polymerfolie mit angepasstem Brechungsindex deckt den Modul-Absorber-Verbund ab und reduziert die Reflexion:

Hybridkollektor Schema Fraunhofer ISE

Schematischer Aufbau des optimierten verglasten PVT-Kollektors. Grafik: © Fraunhofer ISE

In Fertighäusern, Ferienhäusern oder Gartenhäusern ebenso wie in Geschäftsgebäuden mit Energiestandard Niedrigenergiehaus seien Theiß zufolge vor allem luftgeführte PVT-Kollektoren im Einsatz.

Einblicke in den PVT-Markt

Das Portal Enbausa bezifferte vor gut einem Jahr die Zahl der Hersteller von Hybrid-Kollektoren auf überschaubare 34. Die Zahl sei das Ergebnis eines Marktüberblicks, den sich ein „Forschungsteam aus FHD Düsseldorf, Fraunhofer ISE, TÜV Rheinland Energie und Umwelt GmbH und dem Solarzentrum Allgäu“ verschafft habe. Zu den weiteren Erkenntnissen aus zwei Jahren Datensammlung und -analyse gehöre demnach auch diese: Unterschieden werde im Wesentlichen zwischen abgedeckten und unabgedeckten Kollektoren. Schon die Definition dieser Begriffe sei aber nicht so einfach, wenn es zum Beispiel darum gehe, sich von ganz einfachen Systemen wie Schwimmbadabsorbern abzugrenzen, bei denen meist nur Röhren ausgelegt würden, in denen sich das Wasser durch Solareintrag erwärme und dann direkt genutzt werde. Unabgedeckt in der Untersuchung umfasse aber alle Systeme, deren Abdeckung keine thermische Isolation leiste. Sie seien also teilweise abgedeckt zum Schutz, es sei aber zumindest teilweise ein Wärmeaustausch mit der Umgebungsluft möglich.

30 der Hersteller böten laut Enbausa-Bericht über die bislang veröffentlichten Forschungsergebnisse des Verbundprojekts unabgedeckte Kollektoren an, 17 davon verfügten über Dämmung an der Rückseite der Solarkollektoren, 7 kämen ganz ohne Dämmung daher und einige seien mit einem separaten Wärmeübertrager ausgerüstet. Die Dämmung könne die thermischen Erträge erhöhen, da weniger Wärme verloren ginge, vermindere aber den Effekt der Kühlung des PV-Teils der Systeme, schreibt Enbausa.

Zu einer von Dipl.-Ing. Eric Theiß Liste mit ausgewählten Hybridkollektoren geht’s hier lang.

Klare Normen fehlen – Vergleich der Hybridkollektoren sei fast unmöglich

Dem Verbraucher erschwere die Tatsache, dass sich bestehende Normen und Richtlinien für Photovoltaik und Solarthermie nicht ohne Weiteres auf Hybridkollektoren anwenden ließen, den Vergleich der Modelle, die der Markt bietet. Das Fehlen geeigneter Normen habe zur Folge, dass „die Hersteller derzeit noch wenig einheitliche Angaben auf ihren Datenblättern zur Verfügung stellen“, steht im Artikel von Enbausa. Ein Teufelskreis, denn Bauart, verwendete Materialien, Abmessung, elektrische und thermische Kennwerte sowie die Angabe des Betriebsmodus bei deren Messung, Grenzwerte für den Betrieb, maximaler Betriebsdruck und vorhandene Prüflabel seien laut dem oben genannten Forscherverbund als Mindestangaben notwendig.

Titel: Doreen Brumme , Grafik: Fraunhofer ISE

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