Ein Hybridkollektor versorgt Sie günstig mit Strom und Wärme
Hybridkollektoren kombinieren die Vorteile von Photovoltaik- und Solarthermieanlagen, indem sie sowohl Strom als auch Wärme erzeugen. Sie kosten etwa 600 bis 1.500 Euro pro Paneel und sind besonders attraktiv für Haushalte und Unternehmen, die ihren Energieverbrauch optimieren und nachhaltige Lösungen nutzen möchten.
Was ist ein Hybridkollektor?
Hybridkollektoren nutzen die sogenannte Photothermie. Dabei handelt es sich um eine Kombination aus Solarthermie und Photovoltaik, wobei sowohl Strom als auch Wärme in einem einzigen Solarkollektor erzeugt werden.
Der Hybridkollektor nimmt dazu die Sonnenenergie auf und wandelt sie in elektrische Energie um, wie es bei Photovoltaikmodulen der Fall ist. Gleichzeitig nutzt der Hybridkollektor die entstehende Wärme, ähnlich wie ein Solarthermiekollektor, und macht diese für Ihr Zuhause nutzbar.
Wie ist ein Hybridkollektor aufgebaut?
Ein Hybridkollektor ist doppellagig gestaltet und nutzt auch die Infrarotstrahlung der Sonne zur Wärmegewinnung. Der typische Aufbau erfolgt in Schichten:
Glasplatte zum Schutz der Solarzellen vor der Witterung
Solarzellen zur Stromgewinnung
Röhrenkollektor zu Wärmegewinnung
Belüftungssystem
Gehäuse
Ein Hybridkollektor vereint Photovoltaik und Solarthermie in einem Modul.
Wie funktioniert ein Hybridkollektor?
Ein Hybridkollektor nutzt Sonnenstrahlung, um sowohl elektrische als auch thermische Energie zu erzeugen. Dabei trifft Sonnenlicht auf die Solarzellen des Kollektors, die daraus elektrischen Strom erzeugen. Gleichzeitig absorbiert ein Wärmetauscher unter den Solarzellen die überschüssige Wärme, die dann von einem Trägermedium aufgenommen und transportiert wird. Der erzeugte Strom kann direkt genutzt, in Solar-Batterien gespeichert oder ins Stromnetz eingespeist werden. Die Wärme wird entweder in einem Wärmespeicher gelagert oder direkt zur Warmwasserbereitung oder Raumheizung verwendet.
Ein Hybridkollektor erzeugt Strom und Wärme zugleich.
Die Funktionsweise eines Hybridkollektors im Detail:
Photovoltaischer Teil: Der obere Teil des Hybridkollektors besteht aus Solarzellen, die Sonnenlicht direkt in elektrischen Strom umwandeln. Die Funktionsweise der Solarzellen ist genau wie in herkömmlichen PV-Modulen. Wenn Sonnenlicht auf die Solarzellen trifft, erzeugt der photovoltaische Effekt Elektronenbewegung, was zur Produktion von elektrischem Strom führt.
Thermischer Teil: Unter den Solarzellen befindet sich eine Art Röhrenkollektor mit Wärmetauscher, der die überschüssige Wärme, die von den Solarzellen erzeugt wird, aufnimmt. Diese Wärme wird durch ein Trägermedium (oft Wasser oder eine Wasser-Glykol-Mischung) durch ein Rohrsystem abgeführt.
Kontrollsystem: Ein Kontrollsystem steuert und optimiert die unterschiedlichen Energieflüsse im Hybridkollektor. Es besteht aus mehreren Komponenten:
Temperatur- und Leistungssensoren überwachen die Temperaturen im Kollektor und die erzeugte elektrische Leistung.
Eine Pumpen- und Ventilsteuerung regelt die Pumpen, um das Trägermedium durch den Wärmetauscher zu zirkulieren und die Solarzellen zu kühlen.
Ein Wärmemanagement-System entscheidet, wann überschüssige Wärme in einem Wärmespeicher zwischengespeichert werden soll, und wann diese gespeicherte Wärme genutzt werden kann. Zudem wird je nach Bedarf priorisiert, ob die Wärme zur Warmwasserbereitung oder zur Raumheizung verwendet wird.
Ein elektrisches Energiemanagement-System optimiert den elektrischen Energiefluss, indem es entscheidet, ob der Strom direkt genutzt, gespeichert oder ins Netz eingespeist wird.
Verschiedene Sicherheitsfunktionen verhindern das Überhitzen des Systems oder Einfrieren des Trägermediums im Kollektor.
Wie effizient sind Hybridkollektoren?
Ein Hybridkollektor hat typischerweise einen elektrischen Wirkungsgrad von ca. 15 bis 20 Prozent und einen thermischen Wirkungsgrad von etwa 40 bis 60 Prozent. Die Energieausbeute pro Quadratmeter für Hybridkollektoren liegt demnach bei etwa 200 Watt elektrische Leistung und 500 Watt thermische Leistung pro Quadratmeter.
Das bedeutet: Bei einer Einstrahlung von 1.000 Watt pro Quadratmeter könnte der Kollektor etwa 200 Watt elektrische Leistung und 500 Watt thermische Leistung erzeugen. Der restliche Teil der Sonnenenergie wird nicht in nutzbare Energie umgewandelt und geht entweder als Wärme verloren oder wird durch verschiedene Prozesse und Ineffizienzen nicht genutzt.
Während bei einem reinen Wärmekollektor möglichst viel Hitze entstehen soll, um diese nutzbar zu machen, gelten beim Hybridkollektor andere Regeln. Je heißer der Kollektor wird, desto weniger Strom produzieren die Solarzellen. Reine Photovoltaikmodule besitzen daher ein Lüftungssystem, um die Hitze gering zu halten. Der Hybridkollektor stellt einen Kompromiss dar: Die Wärmegewinnung muss für eine wirtschaftlich sinnvolle Stromproduktion durch eine Lüftung reduziert werden.
Hybridkollektoren und separate Anlagen im Vergleich:
Was kostet ein Hybridkollektor?
Für Hybridkollektoren gibt verschiedene Preiskategorien, abhängig von ihrer Art und den spezifischen Technologien, die sie verwenden. Der durchschnittliche Preis für einen Hybridkollektor beträgt etwa 1.500 bis 2.500 Euro pro Quadratmeter.
Die Höhe der Kosten für eine Anlage mit Hybridkollektoren hängt von der Anzahl der gewünschten Panels sowie von der Größe des Wärmespeichers und der möglichen Installation eines Stromspeichers ab. Im Durchschnitt können Sie mit Gesamtkosten von etwa 15.000 bis 30.000 Euro rechnen.
Preise nach Art des Hybridkollektors
*Preise sind Richtwerte zur Orientierung.
Beispielrechnung für eine Anlage mit Hybridkollektoren für ein Einfamilienhaus
Um eine Beispielrechnung für eine Solaranlage mit Hybridkollektoren für ein Einfamilienhaus zu erstellen, welche den durchschnittlichen Jahresverbrauch eines 4-Personen-Haushaltes abdeckt, gehen wir von einem Jahresverbrauch von 4.000 kWh Strom und 12.000 kWh Wärme aus. Installiert wird eine Anlagenleistung von 6 kW elektrische Leistung und 10 kW thermische Leistung sowie ein 10 kWh-Batteriespeicher.
Lohnen sich Hybridkollektoren fürs Einfamilienhaus?
Hybridkollektoren können sich lohnen, wenn ein Haushalt gleichzeitig Strom und Wärme benötigt, nur eine begrenzte Dachfläche zur Verfügung steht und die Wärme zuverlässig genutzt werden kann, beispielsweise in Kombination mit einer Wärmepumpe. Wenn die Wärme nicht abgeführt oder gespeichert wird, steigt die Temperatur der Solarzellen, wodurch ihre elektrische Leistung sinken kann.
Wenn ausreichend Dachfläche vorhanden ist und die Stromerzeugung im Vordergrund steht, kann eine grössere PV-Anlage mit separater Wärmepumpe die einfachere und wirtschaftlichere Lösung sein. Entscheidend ist daher ein Vergleich der vollständigen Systeme einschliesslich Anschaffung, Wärmebedarf, Speicher und Installation.
Welche Vor- und Nachteile hat ein Hybridkollektor?
In der folgenden Tabelle fassen wir die Vorteile und Nachteile dieser Technik für Sie zusammen.
Arten und Anwendungsbereiche von Hybridkollektoren
Es werden je nach Bauweise und Anwendung verschiedene Arten von Hybridkollektoren unterschieden:
Abgedeckte Wasser-Kollektoren
Abgedeckte Hybridkollektoren bestehen aus durch eine Glasabdeckung geschützte Photovoltaikzellen, unter denen sich ein Wärmetauscher befindet.
Anwendungen:
Für die Warmwasserbereitung und Heizungsunterstützung in Wohngebäuden, Hotels und Schwimmbädern.
Unabgedeckte Wasser-Kollektoren
Diese Art von Hybridkollektoren hat keine Glasabdeckung und besteht aus PV-Zellen, die direkt auf dem Wärmetauscher montiert sind. Sie haben einen niedrigeren Wirkungsgrad, punkten jedoch mit günstigen Kosten und einer einfachen Installation.
Anwendungen:
Als kostengünstige Lösung, bei der die thermische Effizienz weniger kritisch ist.
Luft-PVT-Kollektoren (PVT steht für Photovoltaik-Thermie)
Diese Hybridkollektoren nutzen Luft als Trägermedium, die durch Kanäle unter den PV-Zellen strömt und dabei erwärmt wird. Sie weisen einen geringeren thermischen Wirkungsgrad im Vergleich zu wasserbasierten Systemen auf.
Anwendungen:
Für Prozesswärme und Gebäudeklimatisierung sowie für Trocknungsprozessen in der Industrie.
Konzentrierte PVT-Kollektoren (PVT steht für Photovoltaik-Thermie)
Konzentrierte Hybridkollektoren nutzen Spiegel oder Linsen, um das Sonnenlicht auf eine kleinere Fläche von PV-Zellen zu konzentrieren. Ein Wärmetauscher nimmt dann die überschüssige Wärme auf. Durch die Konzentration des Sonnenlichts erreichen Sie einen hohen elektrischen Wirkungsgrad. Allerdings benötigen sie eine Art Tracking-System, um die Sonne zu verfolgen.
Anwendungen:
Meist für industrielle Zwecke und Gebiete mit hoher direkter Sonneneinstrahlung
Flexible Hybridkollektoren
Flexible Hybridkollektoren bestehen aus flexiblen Photovoltaikzellen, die auf einem biegsamen Untergrund montiert sind, kombiniert mit flexiblen thermischen Komponenten.
Anwendungen:
Für gebogene Dächer, Fahrzeugdächer, Segelboote und andere mobile oder flexible Strukturen.
Gibt es Förderungen für Hybridkollektoren?
Aktuell gibt es Förderungen für Solarthermie mit Hybridkollektoren nur in Kombination mit Wärmepumpen. Die Bundesförderung für effiziente Gebäude (BEG) bietet Zuschüsse für solche Maßnahmen an. Dabei umfasst die BEG-Förderung Zuschüsse für Einzelmaßnahmen, einschließlich der Installation von Hybridkollektoren und Wärmepumpen und bietet attraktive finanzielle Unterstützung für den Heizungstausch und den Einsatz erneuerbarer Energien.
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Häufig gestellte Fragen
Was ist der Unterschied zwischen einer Solaranlage und PVT?
Eine Solaranlage erzeugt ausschliesslich Strom. Ein PVT-Kollektor kombiniert dagegen Solarzellen mit einem thermischen Absorber und erzeugt auf derselben Fläche zusätzlich Wärme. Dadurch kann PVT bei begrenzter Dachfläche die geeignetere Lösung sein. Die elektrische Einzelleistung liegt jedoch häufig unter der einer reinen Solaranlage.
Brauchen Sie für einen PVT-Kollektor eine Wärmepumpe?
Nein, eine Wärmepumpe ist nicht zwingend erforderlich. Je nach Bauart kann die gewonnene Wärme jedoch direkt für die Warmwasserbereitung oder zur Unterstützung der Raumheizung genutzt werden.
Unverglaste PVT-Kollektoren liefern meist ein niedrigeres Temperaturniveau und werden daher häufig als Wärmequelle für eine Sole-Wasser-Wärmepumpe genutzt. Ob eine Wärmepumpe notwendig ist, hängt vom Kollektortyp, dem Wärmebedarf und der geplanten Nutzung ab.
Wann lohnt sich ein Hybridkollektor?
Ein Hybridkollektor kann sich lohnen, wenn Sie gleichzeitig Strom und Wärme benötigen, aber nur über eine begrenzte Dachfläche verfügen. PVT ist besonders attraktiv für Haushalte mit hohem Warmwasserbedarf, für Gebäude mit einer Wärmepumpe sowie für Betriebe mit ganzjährigem Wärmebedarf.
Wichtig ist, dass die erzeugte Wärme möglichst vollständig genutzt oder gespeichert werden kann. Andernfalls kann die Kollektortemperatur steigen, wodurch der kühlende Effekt auf die Solarzellen geringer ausfällt.
Kann ein PVT-Kollektor Heizung und Warmwasser versorgen?
Ja, je nach Bauart und technischer Auslegung kann die Wärme eines PVT-Kollektors zur Warmwasserbereitung und zur Unterstützung der Raumheizung genutzt werden.
Bei einem niedrigen Temperaturniveau kann eine Wärmepumpe die gewonnene Wärme auf die benötigte Vorlauftemperatur anheben. Für eine zuverlässige Nutzung sind ein ausreichend grosser Wärmespeicher, ein entsprechender Wärmebedarf und eine geeignete Heizungsverteilung notwendig.
Eignet sich PVT auch für einen Altbau?
Grundsätzlich können PVT-Kollektoren auch in einem Altbau installiert werden. Vor der Installation müssen jedoch die Tragfähigkeit und Ausrichtung des Daches, die verfügbare Dachfläche sowie der Wärmebedarf und die bestehende Heizungsverteilung geprüft werden.
Bei der Kombination mit einer Wärmepumpe ist entscheidend, ob die vorhandenen Heizkörper mit der erforderlichen Vorlauftemperatur effizient betrieben werden können. Auch die Leitungswege und der benötigte Platz für Speicher und Regelungstechnik beeinflussen die Planung und die Kosten.
Sind PVT-Kollektoren und Hybridkollektoren dasselbe?
Ja, die Begriffe PVT-Kollektor, PVT-Modul, Hybridkollektor und photothermischer Kollektor bezeichnen grundsätzlich dieselbe Technik. Dabei handelt es sich um Module, die Photovoltaik zur Stromerzeugung mit einem thermischen Absorber zur Wärmegewinnung kombinieren.
