Hybridkollektor: beste solare Kombination aus Strom und Wärme

• Was genau ist eine kombinierte Solar-Photovoltaikanlage?
• Wie funktioniert ein Hybridkollektor?
• Solarthermie und Photovoltaik kombiniert: Welche Einsatzmöglichkeiten gibt es?
• Womit lassen sich Hybridkollektoren kombinieren?
• Wie sieht es beim Wirkungsgrad aus?
• PVT-Kollektoren Nachteile und Vorteile im Überblick
• Wie hoch sind die Kosten?
• Hybridkollektor: Förderung
• Welche PVT-Hybridkollektor-Hersteller gibt es?
• FAQ

Strom und Wärme in einem System erzeugen: Das kann der Hybridkollektor, denn er kombiniert Photovoltaik und Solarthermie. Optisch erinnern Hybridkollektoren dabei an dickere Photovoltaikmodule. Eine andere Bezeichnung für den Hybridkollektor ist Photothermiekollektor beziehungsweise PVT-Kollektor.

Da PVT-Module die klimafreundliche und günstige solare Versorgung mit Warmwasser und Strom kombinieren, bieten sie den großen Vorteil, die vorhandene Dachfläche optimal auszunutzen. Das bedeutet: Auch wenn Ihr Haus ein eher kleines Dach hat, müssen Sie sich nicht zwischen der Nutzung durch Solarthermie und der Nutzung durch Photovoltaik entscheiden. Etwa fünf bis acht PVT-Paneele genügen, um den Bedarf einer durchschnittlichen Familie mit vier Personen im Einfamilienhaus zu decken. Die Paneele messen etwa 1,6 x 1,2 m und haben eine Stärke (Dicke) von etwa 35 mm. Mit diesen Maßen passen die fünf bis acht Hybridkollektoren problemlos auf ein durchschnittliches Hausdach.

Um die Funktion zu verstehen, sollte man zunächst den Hybridkollektor und seinen Aufbau betrachten. In dem Photovoltaik-Hybridkollektor sind das Photovoltaikmodul und der Solarthermie Kollektor übereinander angeordnet. Auf der Vorderseite befinden sich die Photovoltaikmodule, idealerweise monokristallin. Für ihre Kühlung sorgt das im PVT-System zirkulierende Wasser. Auf der Rückseite des PVT-Hybridkollektors befindet sich die thermische Einheit. In diese ist ein Wärmetauscher integriert, der die Wärme aus der darüberliegenden PV-Einheit absorbiert.

Das PV-Element fängt dabei die Solarenergie ein und wandelt sie in elektrischen Strom um. Die dabei entstehende Wärme wiederum nutzt der Solarthermie-Absorber. Mit seiner Hilfe werden die Warmwassererzeugung und die Heizung klimafreundlich gewährleistet. Da der Solarthermiekollektor dem PV-Modul die entstandene Wärme entzieht, unterstützen sich die beiden Systeme gegenseitig: Das thermische System erhält Wärme und das photoelektrische System wird gekühlt, was wiederum dessen Effizienz steigert.

"Den" Hybridkollektor gibt es nicht. Derzeit gibt es verschiedene Bauweisen und Anlagenkonzepte. Kollektoren mit polykristallinen oder monokristallinen Solarzellen finden sich ebenso wie Kollektoren mit und ohne zusätzliche Wärmedämmung auf der Rückseite.

Ebenso gibt es PV-Kollektoren mit flüssigem Wärmeträger oder PVT-Kollektoren mit Luft als Wärmeträger. Stand 2022 scheint sich allerdings die Variante mit flüssigem Wärmeträger durchgesetzt zu haben, wie weiter unten bei der Aufzählung exemplarischer Hersteller nach deren Anklicken ablesbar ist.

Weiterhin ist die Terminologie etwas uneinheitlich. So gruppieren die FHD Düsseldorf, das Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE, TÜV Rheinland Energie und die Umwelt GmbH Solarzentrum Allgäu GmbH & Co. KG im Abschlussbericht (Link auf externes PDF, Laufzeit des Vorhabens: 01.02.2013 - 31.07.2014 ) im Verbundprojekt "PVT-Norm" Hybridkollektoren in abgedeckte Kollektoren mit flüssigem Wärmeträger, nicht-abgedeckte Kollektoren mit flüssigem Wärmeträger sowie luftgeführte Kollektoren und konzentrierende Parabolrinnenkollektoren.

"Abgedeckt" bezeichnet jedoch nicht die Glasplatte auf der Oberseite des Hybridkollektors. Vielmehr bedeutet "Abdeckung" laut DIN EN ISO 9488:2001 Folgendes:

"Abdeckung: transparentes oder transluzentes Material (bzw. Materialien), das den Absorber eines Sonnenkollektors abdeckt, um Wärmeverluste zu reduzieren und ihn vor Umgebungseinflüssen zu schützen.

Unabgedeckter Kollektor: Sonnenkollektor ohne Abdeckung des Absorbers."

• Achtung, Missverständnis: Liegt eine Glasabdeckung zum Schutz der Solarzellen vor, ist aber keine thermische Isolation mit Luft im Zwischenraum vorhanden, werden diese Bauweisen denn aber dennoch als "unabgedeckt" bezeichnet.

Bei den meisten unabgedeckten wie bei den abgedeckten PVT-Kollektoren befindet sich eine Glasplatte auf der Oberseite des Bauteils. Bei abgedeckten Hybridkollektoren befindet sich zwischen der Glasabdeckung und den Photovoltaikzellen eine Luftschicht. Diese senkt Wärmeverluste aus dem Kollektor an die Umgebung und sorgt für eine höhere Wärmeausbeute, dafür arbeiten die PV-Zellen nicht mehr so effizient. Unabgedeckte Hybridkollektoren arbeiten demnach eher mit einem Fokus auf die Stromgestehung.

Bei abgedeckten PVT-Kollektoren findet keinerlei Kühlung der PV-Zellen durch den Absorber statt. Das sorgt für Leistungsminderung im elektrischen und auch im thermischen Teil.

Der Hybridkollektor hat noch eine weitere Bauform. Dort übernimmt Luft die Rolle des Wärmetransportmittels. Diese Bauweise erfordert zwar eine Ventilation, jedoch ist der PVT-Kollektor trotzdem einfacher aufgebaut als ein Kollektor mit flüssigem Wärmeträger, da Rohrleitungen und Zirkulationspumpen entfallen. In der oben genannten Studie wurden nur vier Hersteller solcher Hybridkollektoren ermittelt. Stand 2022 dürften es noch weniger sein. PVT-Kollektoren mit Luft als Wärmeträger treten laut Projektbericht zur PVT-Normung in drei grundlegenden Bauformen auf.

• Eine Ausführung besteht aus einem Bauteil mit einer Schicht Photovoltaikzellen auf der Oberseite. Darunter liegt ein Luftkanal. Ein Ventilator erzeugt einen Luftstrom. Die Luft wird durch den Hybridkollektor befördert und erwärmt sich dabei. Diese warme Luft wird dann in das Gebäude weitergeleitet und senkt so den Heizenergiebedarf, während der Luftzug gleichzeitig die Photovoltaikzellen kühlen und so den Wirkungsgrad stabilisieren soll (je heißer PV-Zellen werden, desto mehr sinkt deren Energiebereitstellung).

• Eine weitere Ausführung reduziert den Photovoltaikanteil beträchtlich. In diesem Hybridkollektor ist ein Ventilator integriert, der für den Luftstrom sorgt. Er wird durch ein Photovoltaikmodul betrieben, das in den Kollektor integriert ist. Hier übernehmen die Solarzellen nur die Stromversorgung des Ventilators. Der Zweck dieses Kollektors liegt also in der Bereitstellung warmer Luft.

• Der dritte Hybridkollektor mit Luft als Wärmeträger eignet sich eher für große Gebäude und Installationsgrößen. Hier befindet sich eine großzügige Hinterlüftung unter den PV-Zellen und Solarthermieabsorbern. Auch hier übernimmt eine Ventilation die Aufgabe, einen ausreichenden Luftstrom sicherzustellen. Diese Bauweise kommt oft als Fassadeninstallation in Bürogebäuden zum Einsatz. Mit speziellen Montagesystemen ist dieser Hybridkollektor jedoch auch auf Dächern einsetzbar.

PVT-Kollektoranlagen lassen sich vielfältig einsetzen. Man kann sie unter gewissen Bedingungen mit einem Heizkessel koppeln und den Strom einspeisen oder selbst verbrauchen oder man kann die Kollektoren auch dazu verwenden, eine Wärmepumpe zu betreiben und / oder zusätzlich das Erdreich um eine Erdsonde herum mit der Wärme aus dem solarthermischen Anteil zu versorgen, um die Systemeffizienz insgesamt zu heben.

• Allerdings dient der PVT-Kollektor in den allermeisten Fällen als Wärmequelle für eine Wärmepumpe. Das kommt daher, dass in der Regel unabgedeckte PVT-Kollektoren verwendet werden. Diese Kollektoren bringen aber nicht die nötigen Temperaturen, um Raumheizung oder Trinkwarmwasser bereitzustellen. Für die Bereitstellung von Wärmequellenenergie für Wärmepumoen sind sie hingegen ideal. Verwendet man abgedeckte PVT-Kollektoren auf diese Weise, können sie auch in Kombination mit einem Kessel sinnvoll genutzt werden. Diese Kombination kommt allerdings nur selten zur Anwendung.

Hybridkollektoren erzeugen sowohl Strom als auch Wärme, die zum Beispiel in einem Einfamilienhaus genutzt werden können. Damit kann die Familie ihren Wärme-, Heiz- und Strombedarf bereits zu einem großen Teil selbst decken – durch ein klimafreundliches System.

Hybridkollektoren eignen sich jedoch nicht nur für Einfamilienhäuser: Auch Photovoltaik im Mehrfamilienhaus, Wohnheime und Gewerbe profitieren von der doppelten Nutzung. In diesem Zusammenhang wird jedoch stets die gemeinsame Nutzung mit einer Wärmepumpe genannt. Mit dieser Kombination befasst sich auch eine Studie des Fraunhofer ISE Freiburg im Auftrag des Bundesministeriums für Wirtschaft und Energie (BMWi). Das Verbundprojekt integraTE befasst sich mit der Nutzung der durch Hybridkollektoren erzeugten Wärme als Wärmequelle durch Wärmepumpen. In diesem Zusammenspiel aus PVT-Kollektor und Wärmepumpe entfällt die Erschließung weiterer Wärmequellen wie Luft, Erdreich oder Grundwasser. Weiterhin soll im Rahmen des Forschungsprojektes auch eine erhöhte Marktdurchdringung von Wärmepumpenheizanlagen mit PVT-Kollektoren im Gebäudesektor forciert werden. Denn diese Kombination aus PVT-Kollektor, Wärmepumpe und einem passenden Speichersystem könne das Herzstück hocheffizienter Heizsysteme sein.

Denn der thermische Absorber im PVT-Kollektor nimmt die Abwärme der Photovoltaikmodule sowie der Umgebungswärme auf, um sie der Wärmepumpe als Wärmequelle zur Verfügung zu stellen. Gleichzeitig stellt das Photovoltaik-Solarthermie-Kombimodul den Strom zum Antrieb der Wärmepumpe bereit.

Der Vorteil von PVT-Kollektoren ist, dass sie sich sowohl auf Dächern als auch an einer Solarfassade fast gleichermaßen einsetzen lassen. Das erhöht die Flexibilität der Anwendungsbereiche stark.

Hybridkollektoren lassen sich mit verschiedenen Systemen kombinieren. So lässt sich die erzeugte Wärme unter Umständen zur Unterstützung eines vorhandenen Heizkessels verwenden. Der erzeugte Strom wiederum senkt die Heizkosten, indem er etwa den Stromspeicher oder auch das Elektroauto auflädt.

Interessant ist, Stand Herbst 2022, vor allem die Kopplung von Hybridkollektor und Wärmepumpe. Denn Erneuerbare Energien, allen voran die Wärmepumpe, sind politisch gewollt – und angesichts des Klimaschutzes dringend notwendig. Im Folgenden ein Überblick:

• PVT-Kollektor ohne Wärmepumpe: Der erzeugte Strom sowie die erzeugte Wärme können direkt verbraucht oder gespeichert werden. Überschüssiger Strom kann zudem ins Netz eingespeist und gemäß EEG vergütet werden.

• PVT-Wärmepumpenkollektor: Hier dient die im thermischen Part des Hybridkollektors gewonnene Wärme als Umweltwärme für die Wärmepumpe. Das Ergebnis ist ein hocheffizientes, in sich geschlossenes System zum Heizen des Hauses. Dies eignet sich zudem auch sehr gut für Mehrfamilienhäuser. Ein großer Vorteil: Das gesamte System befindet sich auf dem Dach beziehungsweise die Wärmepumpe im Haus, sodass keine weiteren Erschließungsarbeiten auf dem Grundstück notwendig sind.

• Hybridkollektor mit Luft-Wärmepumpe: Hier kann vor allem ein PVT-System mit Luft als Wärmeträger interessant sein. Denn die vorgewärmte Luft kann als Wärmequelle für die Luft-Wasser-Wärmepumpe dienen. Das erhöht vor allem die Effizienz im Winter. Der Strom aus dem PVT-Kollektor treibt die Wärmepumpe klimafreundlich an und überschüssiger Strom kann gegen Einspeisevergütung eingespeist werden.

• Hybridkollektor mit Erdwärmepumpe: Auch in diesem Fall treibt der Strom aus dem Hybridkollektor die Wärmepumpe an. Zusätzlich lässt sich die erzeugte Wärme direkt an die Erdwärmesonde leiten, um diese zu unterstützen und die Effizienz zu erhöhen.

PVT nutzt insgesamt etwa 60 bis 70 Prozent der auftreffenden Solarenergie. Denn im Gegensatz zu PV-Modulen allein, die lediglich 12 bis maximal 20 Prozent der Solarenergie nutzen, verwendet der Hybridkollektor auch die entstehende Wärme – die mit PV allein zum einen verlorengeht und zum anderen durch Erhitzung die Effizienz schmälert. Der PVT-Kollektor-Wirkungsgrad hingegen setzt sich aus zwei Bestandteilen zusammen und nutzt auch die thermische Energie. Hierbei liegt der thermische Wirkungsgrad bei etwa 65 Prozent und der elektrische Wirkungsgrad bei 15 Prozent. Die genauen Werte hängen vom Aufbau des Hybridkollektors ab. Die PVT-Kollektor-Temperatur wird dabei stets auf einem guten Level gehalten. Zu beachten ist allerdings: Wird die erzeugte Wärme nicht abgenommen, so sinkt der PV-Kollektor-Ertrag wiederum. Daher ist stets auf eine gute Abnahme beziehungsweise Nutzung der entstehenden Wärme zu achten.

Der Wirkungsgrad eines Photovoltaikmoduls liegt bei ca. 25 Grad Celsius am höchsten. Steigen die Temperaturen, verliert ein Photovoltaikmodul pro Grad Celsius etwa 0,5 Prozent Leistungsvermögen. Ein Solarthermiekollektor hingegen funktioniert bei deutlich höheren Temperaturen besser – ein Flachkollektor bei durchschnittlich circa 80 Grad Celsius, ein Vakuumröhrenkollektor erreicht oft die doppelten Temperaturen. Hier besteht also ein schwieriges Verhältnis zwischen Strom- und Wärmeerzeugung.

Die Vorteile des Kombi-Moduls können bei modernen Hybridkollektoren in der Regel genutzt werden. So gilt es vor allem, die Solarzellen innerhalb des Moduls kühl zu halten. Dafür sorgen verschiedene Kombinationsmöglichkeiten von Photovoltaikanlagen mit Wasserkühlung, Kombinationen mit einer Wärmepumpe oder Anlagen mit einem großen Wärmespeicher. Der Einsatz von einem Hybridkollektor könnte sich vor allem bei Platzmangel auf dem Dach lohnen. Da die Technologie noch vergleichsweise neu ist, stehen noch relativ wenige aussagekräftige Forschungsergebnisse zur Verfügung. Daher könnte die fundierte Entscheidung für oder gegen Hybridkollektoren etwas schwerfallen. Weiterhin zählt zu den Hybridkollektor-Nachteilen, dass der Anschaffungspreis noch vergleichsweise hoch ist.

Der Hybridkollektor-Preis erscheint auf den ersten Blick hoch: Denn ein Modul kostet zwischen etwa 600 und 700 Euro. Für acht Module sind das 4.800 bis 5.600 Euro. Damit kosten sie mehr als Solarthermiekollektoren (ab etwa 300 Euro pro Kollektor) und PV-Modulen (ab etwa 200 Euro pro Modul). Hinzu kommen aber immer noch die Installationskosten. Und hier gibt es viele Vorteile, wenn Sie Hybridkollektoren kaufen. Denn in diesem Fall zahlen Sie die Montagekosten nur für ein System – während Sie diese für getrennte Photovoltaik- und Solarthermieanlagen doppelt zahlen.

Um aber PVT als effizientes System betreiben zu können, benötigen Sie außerdem einen Pufferspeicher und einen Stromspeicher. Der Pufferspeicher kostet etwa 1.000 Euro und der Stromspeicher etwa 5.000 Euro. Damit liegt der gesamte PVT-Kollektor-Preis bei etwa 11.000 Euro.

Im Rahmen der BEG EM sind PVT-Kollektoren förderfähig – allerdings nur im Zusammenspiel mit einer Wärmepumpe. Da sie als Wärmequelle einer Wärmepumpenanlage gelten, können Hybridkollektoren staatlich gefördert werden. Mitgefördert werden dabei neben den Anschaffungskosten die Installation, die Anbindung an die Wärmepumpe und die Inbetriebnahme.

Die Höhe der PVT-Kollektor-Förderung in der BEG EM beträgt 25 Prozent der förderfähigen Investitionskosten. Zehn Prozentpunkte kommen hinzu, wenn eine alte Heizung auf Basis fossiler Energien ausgetauscht wird.

Im Rahmen der BEG WG/NWG sind PVT-Kollektoren aufgrund ihres stromerzeugenden Anteils förderfähig, ebenso wie reine Photovoltaikanlagen. Dies gilt allerdings nur, wenn keine Förderung im Rahmen des EEG, also Einspeisevergütung, bezogen wird. Eine Ausnahme, die eine anteilige Mitförderung von Hybridkollektoren ermöglicht, ist abhängig vom Jahresstrombedarf des Gebäudes für gebäudebezogene Zwecke, zum Beispiel Heizung oder Lüftung. Bei der BEG WG handelt es sich um einen zinsgünstigen KfW-Solar-Kredit mit Tilgungszuschuss.

Ein Rechenbeispiel des Bundesamt für Wirtschaft und Ausfuhrkontrolle (BAFA) verdeutlicht das:

"Eine PV-Anlage mit einer Nennleistung von 10 kWp hat einen nach § 23 Absatz 4 GEG ermittelten jährlichen Stromertrag von 8.000 kWh/a. Dabei beträgt der in der energetischen Bilanzierung ermittelte gebäudebezogene Jahresstrombedarf 4.000 kWh, d. h. 50 % des PV-Ertrags. Die Investitionskosten der PV-Anlage und ggf. der Stromspeicherung können somit zu 50 % als förderfähige Kosten angesetzt werden.

Sofern der gebäudebezogene Jahres-Strombedarf den nach § 23 Absatz 4 GEG ermittelten Stromertrag übersteigt, sind 100 % der Investitionskosten der PV-Anlage förderfähig."

Die Bandbreite der Hybridkollektor-Hersteller wird immer größer. Möglicherweise wurde der Vorteil erkannt, den es bietet, wenn Solar und Photovoltaik kombiniert werden. Für Interessenten bietet die gestiegene Anzahl der Anbieter von PVT-Kollektoren nun vielmehr die Chance, den besten Hybridkollektor für die persönlichen Bedürfnisse ausfindig zu machen.

Im Folgenden finden Sie einen Überblick über gängige PVT-Kollektor-Hersteller:

• Vissolar
• Consolar
• Nibe
• Solimpeks
• Pvtsolar
• Fototherm
• Solator
• Triple Solar

Diese Auflistung an Herstellern ist nicht abschließend – aber eine erste Auswahl ist gegeben. Eine Analyse, welcher Hersteller für Ihr Haus passende Hybridkollektoren herstell, erhalten Sie auch von einem Solarteur aus Ihrer Nähe.