Wärmepumpen sind heute im Neubau vielfach die Heiztechnologie der Wahl. Im Jahr 2022 wurden in Deutschland insgesamt 236.000 Heizungswärmepumpen verkauft, was einem Plus von 53 Prozent im Vergleich zum Vorjahr entspricht. Aber nicht immer sind die erforderlichen Flächen für Erdkollektoren oder die geologischen Bedingungen für Tiefenbohrungen vorhanden. Bei der Wahl einer Luft-Wärmepumpe setzen deren Geräuschemissionen Grenzen. PVT-Kollektoren beliefern die Wärmepumpe nicht nur mit CO₂-neutralem Strom, sondern dienen ihr auch als Wärmequelle, indem sie einen Großteil des Jahres Solar- und Umweltwärme zur Verfügung stellen. Die Kombination beider Technologien erfüllt dabei nicht nur die aktuellen Vorgaben zur CO₂-Reduzierung im Gebäudesektor, sondern auch die Ziele für 2045 laut Klimaschutzgesetz der Bundesregierung. Die vom Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz geförderte Initiative zur Verbreitung von PVT-Solarkollektoren und Wärmepumpen im Gebäudesektor (Verbundvorhaben „IntegraTE“) zielt darauf ab, die Marktdurchdringung und den Bekanntheitsgrad für diese energieeffiziente Technologie zu steigern. Mit dem Institut für Solarenergieforschung Hameln (ISFH), dem Fraunhofer ISE in Freiburg, dem Institut für Gebäudeenergetik, Thermotechnik und Energiespeicherung (IGTE) der Universität Stuttgart sind dafür seit Dezember 2019 gleich drei wissenschaftliche Partner gemeinsam am Start.
PVT-Kollektor – ideale Ergänzung zur Wärmepumpenheizung
Ein PVT-Kollektor erzeugt aus Solarstrahlung sowohl Strom als auch Wärme. Dazu wird hinter das Photovoltaik-Modul ein Rohrregister montiert, das von einem Wärmeträger durchflossen wird. Dieser thermische Absorber nimmt die Abwärme der Photovoltaik-Module und die Umgebungswärme auf und stellt sie der Wärmepumpe als Wärmequelle zur Verfügung. Dadurch wird das Photovoltaikmodul abgekühlt und die Effizienz der Stromerzeugung verbessert. Der Solarstrom kann außerdem zum Betrieb der Wärmepumpe oder im Haushalt verwendet werden. Übers Jahr hinweg können PVT-Kollektoren bis zu viermal mehr Gesamtenergie, also Wärme und Strom, liefern als eine Photovoltaikanlage mit der gleichen Fläche und sind damit eine ideale Ergänzung zu einer Wärmepumpenheizung.
Wärme im kalten Winter
Es gibt mehrere Varianten von PVT-Kollektoren auf dem Markt, die sich in ihrer Konstruktion und Funktionalität unterscheiden. Die gedämmten oder abgedeckten PVT-Kollektoren, die in ihrer Funktionsweise den Flachkollektoren ähnlich sind, aber zusätzlich über PV-Zellen zur Stromerzeugung verfügen, fokussieren sich auf die Wärmeerzeugung. Es gibt PVT-Kollektoren auch als konzentrierende Kollektoren und Vakuumkollektoren. Die ungedämmten oder unabgedeckten PVT-Kollektoren, die auch als „Wind and Infrared Sensitive“ (WISC) PVT-Kollektoren bekannt sind, haben dagegen keine weitere Glasabdeckung, sind auf der Rückseite offen und können zusätzlich zur Kühlung verwendet werden. Solche PVT-Kollektoren haben verschiedene Wärmeübertrager-Konstruktionen (z.B. Lamellen, flache Wärmetauscher usw.) und gelten als die effizientesten PVT-Kollektortypen für Wärmepumpensysteme. Ein Beispiel ist in Abb. 2 dargestellt. Wegen dieser Eigenschaft können diese Kollektoren an sehr kalten Wintertagen ohne Sonneneinstrahlung Wärme aus der Umgebung gewinnen. In Verbindung mit Niedertemperatur-Sole-Wasser-Wärmepumpen können diese hocheffizienten PVT-Kollektoren so dimensioniert werden, dass sie als einzige Wärmequelle oder als ergänzende Wärmequelle zum Erdreichwärmeübertrager fungieren.
Überschüssige Wärme im Sommer
Im Sommer können PVT-Kollektoren mit rückseitiger Dämmung aufgrund der höheren thermischen Effizienz auch zur direkten Beheizung des Pufferspeichers z.B. zur Trinkwassererwärmung eingesetzt werden. Der Wärmebedarf des Gebäudes ist jedoch gering und es gibt eine überschüssige Wärmeproduktion durch die PVT-Kollektoren. Wenn PVT-Kollektoren als zusätzliche Wärmequelle für eine erdgekoppelte Wärmepumpe verwendet werden, wird diese überschüssige Wärme ins Erdreich eingespeist. Die thermische Regeneration des Erdreichs sichert einen langfristig effizienten Betrieb und erlaubt die Verkleinerung des Erdwärmeüberträgers. Diese Art von Systemen ist sehr praktisch für Mehrfamilienhäuser mit begrenzten Dach- oder Bodenflächen. PVT-Kollektoren mit ungedämmter Rückseite können aufgrund höherer Wärmeverlustkoeffizienten auch zur Raum- und Pufferkühlung in Sommernächten verwendet werden.
Ergebnisse aus der Simulationsstudie
In einer detaillierten Simulationsstudie des ISFH wurden zwei PVT-Wärmepumpensysteme mit sechs verschiedenen Referenzsystemen für die Wärmeversorgung eines bestehenden Einfamilienhauses mit einer Fläche von 140 m² und einem spezifischen jährlichen Wärmebedarf von 123 kWh/(m²a) verglichen. Bei dem Vergleich wurden zwei Szenarien berücksichtigt: (a) die Verwendung von PVT-Anlagen als einzige Wärmequelle und (b) die Ergänzung einer bestehenden Wärmepumpe mit Erdwärmesonde mit PVT. Die Ergebnisse sind in Abb. 3 als CO₂-Emissionen der verschiedenen Wärmeversorgungssysteme dargestellt, wobei die Emissionen nur für den aus dem Netz bezogenen Strom auf der Grundlage der GEG-Emissionsfaktoren ohne Berücksichtigung des Haushaltsstroms oder eines Stromspeichers berechnet wurden. Der PV-Strom, der ins Netz eingespeist wird, erfährt keine Gutschrift. Das solarthermische Kombisystem mit einer Kollektorfläche von 15 m² reduziert die Emissionen um 18 %. Im Vergleich zum Gas-Brennwertkessel bieten die Wärmepumpensysteme ein erhebliches CO₂-Reduktionspotenzial: Eine Luft-Wärmepumpe reduziert die Emissionen um 32 %, und in Kombination mit einer 30 m² großen PV-Anlage (5,1 kWp) werden die Emissionen um 40 % reduziert. Der Ersatz des Heizungssystems durch PVT-Wärmepumpensysteme bietet ein noch höheres CO₂-Minderungspotenzial. Mit 30 m² PVT erreichen diese Systeme CO₂-Einsparungen von 49 %. Somit wird eine ähnliche CO₂-Reduktion wie bei einem Wärmepumpensystem mit 180 m Erdwärmesonde erreicht.
Abb 3 ― CO₂-Emissionen der verschiedenen Wärmeversorgungssysteme im Gebäudebestand bei demheutigem Strommix in Deutschland •
Monitoring-Ergebnisse
Im Jahr 2022 wurden im Rahmen des Projekts PVT-Kollektoren mit unterschiedlichen Systemkonfigurationen für die Energieversorgung verschiedener Gebäude überwacht. Die Jahresarbeitszahl (JAZ) ist das Verhältnis zwischen der zugeführten Energie (Strom) und der von der Wärmepumpe im Laufe eines Jahres tatsächlich erzeugten Wärme und wird bei Heizsystemen zum Vergleich der Systemeffizienz verwendet. Für PVT als alleinige Wärmequelle für die Wärmepumpe in Einfamilienhäusern zeigen die Monitoring-Ergebnisse eine JAZ zwischen 3,7 und 3,9. Für PVT als zusätzliche Wärmequelle für eine erdgekoppelte Wärmepumpenanlage in Einfamilienhäusern liegen die Werte zwischen 3,4 und 4,2. Die PVT-Kollektoren erzielen thermische Energieerträge von 330-450 kWh/(m2·a). Für ein renoviertes Büro- und Ausstellungsgebäude mit PVT als zusätzliche Wärme- und Kältequelle für eine Erdwärmepumpenanlage liegt die JAZ bei 3,3. Diese Effizienz hängt von verschiedenen Faktoren ab, unter anderem der Systemkonfiguration, der Betriebsstrategie und davon, ob es sich um ein neues oder renoviertes Gebäude handelt. Im Vergleich zu Luft-Wärmepumpensystemen laufen alle Systeme unter realen Betriebsbedingungen effizienter.
Abb 4 — Schematische Darstellung einer PVT-Anlageninstallation •
Marktsituation und Förderungen
Deutschland hatte im Jahr 2022 einen Anteil von 10 % am globalen Markt für PVT-Kollektoren. Die Marktdaten zeigen, dass die Installation von Wasser-Sole-Kollektoren (WISC) im Jahr 2022 im Vergleich zum Vorjahr um das 2,5-fache gestiegen ist. Der Markt für PVT-Kollektoren zeigt Anzeichen für ein schnelles Wachstum dieser innovativen Technologie in der ersten Hälfte des Jahres 2023. Im Oktober 2023 erhalten Wärmepumpensysteme mit PVT-Kollektoren als einzige Wärmequelle einen Bafa-Zuschuss (BEG-EM) von 25 % der Gesamtkosten. Wenn die PVT-Kollektoren als zusätzlicher Wärmequelle für eine Erdwärmepumpe verwendet werden, werden 30 % der Gesamtkosten gefördert. Die Gesamtkosten für eine PVT-Wärmepumpenanlage in einem Einfamilienhaus liegen zwischen 40.000 und 60.000 €.
Fazit
Für Anlagen, in denen Luft- oder Erdwärmepumpen aufgrund von Platzmangel, Lärm oder anderen Einschränkungen nicht installiert werden können, bieten PVT-Kollektoren in Kombination mit Wärmepumpen eine attraktive Option. Darüber hinaus kann bei erdgekoppelten Wärmepumpensystemen durch die solare Regeneration des Untergrunds mit PVT-Kollektoren die Erdwärmesonde um mehr als 30 % kürzer dimensioniert werden. Diese geringere Dimensionierung der Erdwärmequelle (z.B.: Länge oder Anzahl der Erdwärmesonden) ist vor allem für größere Felder relevant, wenn die erforderliche Freifläche nicht verfügbar ist. Außerdem liefern die PVT-Kollektoren emissionsfreien Strom für die Wärmepumpe. Dieser Strom kann auch für den Haushalt und zum Laden von E-Autos verwendet werden. Mit einem steigenden Marktwachstum hat diese Technologie das Potenzial, sich zu verbreiten und signifikant zur Klimaneutralität beizutragen.
Krishna Timilsina
Krishna Timilsina hat Erneuerbare Energietechnik und Management (M. Sc.) studiert. Seit zwei Jahren arbeitet er bei ISFH als Projektingenieur in Projekten, die sich auf Wärmepumpensysteme mit PVT-Kollektoren und Erdsonden als Wärmequelle konzentrieren. Dort ist er für Monitoring und Datenauswertung der Demoanlagen zuständig.