Wissenswertes zur Photothermie

(Aktualisiert: März 2023)

Photothermie vereint die Vorteile von solarthermischen Anlagen und Photovoltaikanlagen in einem einzigen Modul. Eine Steigerung der Effizienz der Solarstromerzeugung ist nur einer der Gründe, die eine photothermische Anlage derart attraktiv machen.

Was bedeutet Photothermie?

Die Wortschöpfung Photothermie lässt es bereits erahnen: Gemeint ist die Verbindung der Technik von Photovoltaik-Anlagen und solarthermischen Anlagen. Durch die Solar-Hybridkollektoren, auch Photothermie-Kollektoren genannt, werden die Solarstromerzeugung und eine gleichzeitige Warmwassererzeugung durch Solarenergie gewährleistet.

Photothermie verbindet Photovoltaik und Solarthermie

Nicht nur in der Automobilbranche ist “hybrid” das Stichwort schlechthin. Auch im Bereich der Solarenergie bekommt das Wort “hybrid” eine zunehmende Bedeutung. Über die Hybridkollektoren finden zwei Techniken zur Vereinigung: Photovoltaik und Solarthermie. Hybridkollektoren verwandeln die Energie aus der Sonne sowohl in Wärme als auch in Strom. Hausbesitzer müssen so nun nicht mehr zwischen den beiden Systemen wählen, wenn die Dachfläche nicht ausreichend Platz bietet, sondern können beide Systeme der Energiegewinnung aus Sonnenenergie auf einmal nutzen.

Auch eine Kopplung beider Systeme auf dem Dach, bei der sich zwischen den Photovoltaik-Modulen vereinzelt auch Solarkollektoren befinden, kann auf diese Weise überflüssig werden. Denn Besitzer profitieren mit ein und demselben Kollektor bei der Photothermie von beiden Systemarten.

Hinzu kommen die Vorteile, die durch Photothermie entstehen. Allen voran steht hierbei eine Steigerung des Stromertrags um bis zu 30 Prozent durch den Kühleffekt der Hinterspülung, auf Grund des solarthermischen Teils des Hybridkollektors. Denn Solarmodule verzeichnen bei zu hohen Temperaturen Ertragsverluste. Diesen wird bei der Photothermie entgegengewirkt. Im Winter sorgt darüber hinaus das erwärmte Wasser dafür, dass die Kollektorflächen schneefrei bleiben.

Funktionsweise der Hybridkollektoren

Der Hybridkollektor bei photothermischen Anlagen ist in der Lage, verschiedene Spektren des Sonnenlichtes aufzufangen und zur Energiegewinnung zu verwenden. Das sichtbare Lichtspektrum wird von den Photovoltaik-Anlagen genutzt, während das Infrarotspektrum von den Solarthermie-Kollektoren aufgefangen wird. Zusätzlich existiert ein Kühlsystem, das die Aufheizung der Photovoltaik-Module reduziert, damit die Anlage am effektivsten arbeiten kann. Denn mehr Temperatur bedeutet hier nicht gleich auch mehr Ertrag. Zu hohe Temperaturen der Photovoltaik-Module minimieren den Ertragswert. Der Verlust liegt zwischen 0,33 und 0,5 Prozent je C° Aufheizung.

In der Regel sind die Hybridkollektoren für Photothermie zweischichtig aufgebaut. Direkt unter der Glasoberfläche befinden sich die Photovoltaikelemente, die aus dem sichtbaren Strahlen des Sonnenlichts Gleichstrom erzeugen. Dieser wird durch einen Wechselrichter in Wechselstrom, also netztauglichen Strom, umgewandelt. Unter den Photovoltaikelementen befinden sich die solarthermischen Elemente, die das Infrarotlicht aus der Sonne aufnehmen. Dieses wird durch einen Absorber, entweder in Form eines mit spezieller Keramik bedampften Kupferblechs oder einer schwarzen Metallfolie aufgenommen. Die entstehende Wärme wird anschließend an die wasserführenden Rohre weitergegeben, die in den Warmwasser- und Heizungskreislauf eingespeist sind.

Darüber hinaus ist es möglich, die durch Photothermie erzeugte Energie noch effektiver nutzbar zu machen, indem der Wirkungsgrad durch einen Thermogenerator noch weiter erhöht wird. Der Generator macht sich den Temperaturunterschied von kalten und warmen Wasser zunutze und erzeugt daraus zusätzlichen Strom. So wird die überschüssige Wärme, die in einem Haushalt nicht genutzt wird, beispielsweise im Sommer wegen des niedrigeren Warmwasserbedarfs, effektiv genutzt.

Photothermie und die Kosten

Eine photothermische Anlage auf dem eigenen Dach kann viele Vorteile bringen, vor allem die Ertragssteigerung von Solarstrom. Ist die Wahl auf eine Photothermie-Anlage gefallen, interessieren erst einmal die Anschaffungsmodalitäten.

Das besondere Merkmal der Photothermie-Anlage ist, dass die Hybridkollektoren im Vergleich zu getrennt montierten Systemen aufs Jahr gerechnet bis zu 15 Prozent mehr Leistung einfahren können. So ergibt beispielsweise eine 10m² große Fläche von Solarthermie-Kollektoren 3.653 kWh im Jahr und 10m² Photovoltaik-Module erzielen 1.190 kWh im selben Zeitraum. Das sind insgesamt 4.842 kWh, wohingegen 20m² Hybridkollektoren 5.500 kWh erbringen. Darüber hinaus steigt der Ertrag von Solarstrom besonders im Sommer. So beträgt die Leistungssteigerung im Vergleich mit einfachen Photovoltaikanlagen bis zu 30 Prozent.

Ein anderer Vorteil der Installation von Hybridkollektoren liegt darin, dass die Montagekosten niedriger und die Gesamtkosten insgesamt betrachtet weniger als bei den handelsüblichen Modellen für Photovoltaik und Solarthermie betragen.

Die Kosten einer Photovoltaikanlage für ein typisches Einfamilienhaus betragen 12.000 bis 14.000€ bei 2,5 kWp. Im Falle der Kosten für eine Solarthermie-Anlage, allein zur Brauchwasserunterstützung fallen bei einer Fläche zwischen 4 und 6m², Kosten von 4.000 bis 6.000€ an. Bei der Verwendung von hochwertigeren Vakuumröhrenkollektoren muss bei denselben Eckdaten mit 7.000 bis 10.000€ gerechnet werden. Soll die Solarthermie-Anlage auch der Heizungsunterstützung dienen, so muss mit 8.000 bis 13.000€ für 10-18m² Kollektorfläche, je nach Kollektorart, gerechnet werden.

Bei der Photothermie gestaltet sich die Kostenaufstellung folgendermaßen: Ein 2,5m² großer Hybridkollektor, welcher neben der Wärme auch 140 Wp elektrische Leistung liefert, kostet rund 1.300€. So ergeben sich für die Gesamtkosten einer Photothermie-Anlage in der Größe von rund 15m² bei einer Wattleistung von 140 ein Gesamtpreis von ca. 14.300€. Bei einer Wattleistung von 190 fallen mit 15.700€ gering höhere Kosten für dieselbe Kollektorfläche an. Ein weiteres Plus ist, dass die Amortisationszeiten wahrscheinlich durch die Ertragssteigerung des Solarstroms noch unter denen der Photovoltaik liegen. Grund dafür ist die Einspeisevergütung für den solar erzeugten Strom.

Photothermie hat Vor- und Nachteile

Der thermische Wasserkreislauf einer Photothermie-Anlage sorgt dafür, dass die Solarzellen gekühlt werden und die optimale Stromerzeugung sichergestellt wird. Durch diesen Kühleffekt kann im Sommer eine Leistungssteigerung von bis zu 30 Prozent im Vergleich zu üblichen Photovoltaikmodulen erreicht werden. Bei Kollektortemperaturen von beispielsweise 80°C, können Hybridkollektoren mit 12°C kaltem Wasser innerhalb kurzer Zeit die Kollektoren auf unter 20°C abkühlen.

Kritiker von Photothermie-Anlagen stellen demgegenüber die These auf, dass sich die Funktionen von Photovoltaik und Solarthermie gegenseitig stören könnten. Diese Annahme beruht auf der Gegebenheit, dass Photovoltaik-Module besser arbeiten, je kühler diese sind und im Gegensatz dazu Solarthermie-Kollektoren hohe Temperaturen generieren. So bedeutet dies für den Wirkungsgrad der Photothermie-Anlage einen Kompromiss, da weder die Stromerzeugung noch die Wärmegewinnung auf optimalem Niveau arbeiten können. Dieses Argument kann jedoch entschärft werden, da die Photovoltaik-Module auch ohne die solarthermischen Elemente heiß werden und nicht optimal arbeiten. Zudem führen die Solarthermie-Effekte zur Kühlung der Photovoltaik-Module.

Vorteile von Hybridkollektoren:

Der Hybridkollektor als einziges Modul erzeugt gleichzeitig Strom und Wärme. Dies spart Dachfläche und hat einen geringeren Montageaufwand zur Folge, als wenn beide Systeme, Photovoltaik und Solarthermie, montiert werden.
Der Hybridkollektor nutzt das gesamte Lichtspektrum der Sonne. Photovoltaik-Module allein nutzen lediglich 20 Prozent der Sonnenstrahlung.
Auf der gleichen Dachfläche können Hybridkollektoren, im Vergleich zu Photovoltaik-Modulen und Solarthermie-Kollektoren aufs Jahr gerechnet bis zu 15 Prozent mehr Leistung erbringen.
Durch die Hybridkollektoren können Heizkosten eingespart und der Bedarf an Öl, Gas oder Fernwärme kann reduziert werden. Auch Luft-Wärmepumpen oder Niedertemperaturheizungen, also regenerative Heizungen, können mit Hybridkollektoren unterstützt werden.
Durch die solarthermischen Elemente werden die Solarmodule gekühlt und erreichen so einen höheren Wirkungsgrad. Das heißt, Hybridkollektoren können effektiver arbeiten und dadurch Kosten sparen.
Auch für Hybridkollektoren können sich Besitzer die garantierte Einspeisevergütung über die Dauer von 20 Jahren sichern. Ebenfalls besteht die Option, steuerliche Vorteile und Förderungen von Bund und Ländern in Anspruch zu nehmen.
Hybridkollektoren arbeiten auch bei Schneefall effektiv, da durch die Wärmeerzeugung im solarthermischen Teil aufliegender Schnee taut.
Hybridkollektoren schaffen, im Gegensatz zu zwei getrennt montierten Systemen, eine einheitliche Fläche und sind dadurch optisch ansehnlicher.