Eine Option zur Lösung der Diskrepanz zwischen der Flächennutzung mit Solarthermie (ST) und Photovoltaik stellt der photovoltaisch-thermische Kollektor (PVT) dar. Durch die Kombination von PV und ST kann eine Fläche mehrfach genutzt werden.

Modernere PVT-Kollektoren sind fast alle unabgedeckt und haben als primäres Ziel die Kühlung der PV-Einheiten und die Warmwasseraufbereitung. Unabgedeckt bedeutet, dass an der Vorderseite keine transluzente oder transparente Abdeckung vorhanden ist, welche Wärmeverluste an die Umgebung mindert (Zenhäusern et al. 2017, S. 12).

Solch ein Kollektortyp wurde in Abbildung 1.1 schematisch dargestellt. Zu erkennen sind die fehlende Abdeckung und das Nichtvorhandensein eines Luftspaltes.

Abbildung 1.1 Typischer Aufbau eines nicht abgedeckten, flüssiggekühlten PVT-Kollektors. Eigene Darstellung nach: (Zenhäusern et al. 2017, S. 12)

Im Gegensatz dazu sind ein deutlicher Luftspalt sowie eine Abdeckung bei der zweiten Variante von flüssiggekühlten Kollektoren (Abbildung 1.2) zu erkennen. Der Unterschied besteht in der geringeren Wärmeabgabe an die Umgebung und den damit verbundenen, möglichen höheren Temperaturen im Kollektor (Zenhäusern et al. 2017, S. 12). Diese Temperaturen können bei Stagnation bis zu 150 °C betragen, was eine stärkere Belastung der verwendeten Materialien zur Folge hat.

Entweder muss ein Schutzmechanismus eingebaut werden, was zu einer Komplexität des Aufbaus führt, oder es müssen temperaturbeständigere Materialien verwendet werden.

Abbildung 1.2 Typischer Aufbau eines abgedeckten, flüssiggekühlten PVT-Kollektors. Eigene Darstellung nach: (Zenhäusern et al. 2017, S. 12)

Es lassen sich zwei wesentliche Bauarten unterscheiden: Es gibt abgedeckte (Abbildung 1.2) und nicht abgedeckte (Abbildung 1.1), flüssig- oder luftgekühlte Kollektoren (Zenhäusern et al. 2017, S. 12). Verschieden sind die Art der Verkettung zwischen Wärmeabnehmer und PV-Zelle, das eingesetzte Medium zur Wärmeübertragung sowie die Methode, Wärmeverluste zu reduzieren.

Allerdings ist die Anzahl von Anwendungsbereichen für abgedeckte Bauarten höher als bei unabgedeckten.

Luftgekühlte PVT-Kollektoren gibt es in den Varianten abgedeckt und nicht abgedeckt. Hier wird statt Flüssigkeit Luft zur Wärmeübertragung genutzt. Standardisierte Photovoltaikmodule werden hier eingesetzt. Die Abwärme dieser Module wird dann zur Erwärmung des Trägermediums genutzt.

Etwa 15 % der auftreffenden Solarstrahlung können von konventionellen Photovoltaikmodulen in Strom umgewandelt werden (Wenker et al. 2012, S. 5).

Bei solarthermischen Systemen kann die solar eintreffende Energie bis zu 80 % an den nachgeschalteten Kreislauf abgegeben werden. Je geringer dabei die Differenz zwischen der Kollektor- und Außentemperatur ist, desto effektiver arbeitet das Modul. Je nachdem, welcher Anlagentypus zum Einsatz kommt, kann im Jahresschnitt etwa 30-60 % der umgewandelten Energie für die Warmwasser-Aufbereitung genutzt werden.

Aufgrund von der Mehrfachnutzung einer Fläche bei PVT-Modulen ist, im Vergleich zu konventionellen Techniken (1 m² PV- und 1 m² ST-Kollektor zu 2 m² PVT-Kollektor), theoretisch ein Mehrertrag von 70 % im thermischen und 100 % im photovoltaischen Bereich möglich.

Wird eine Photovoltaikeinheit in einen Solarthermie-Kollektor eingebunden, reduziert sich der thermische Ertrag um ca. 15 % (Wenker et al. 2012, S. 5). Dies entspricht der von der PV-Einheit genutzten solaren Strahlungsenergie.

Allerdings ist der reale Stromertrag aufgrund einer kleineren Flächendichte und der erhöhten Zelltemperatur geringer. Mitunter ist der Wärmeminderertrag höher als 15 % – wegen des gesteigerten Wärmeleitwiderstandes zwischen dem Wärmeträger und den absorbierenden Solarzellen. Dies ist darauf zurückzuführen, dass im Gegensatz zu herkömmlichen Flachkollektoren bei PVT-Modulen, keine hocheffektive, spektralselektive Absorber-Beschichtung zur Minderung der Abstrahlverluste im Infrarotbereich zum Einsatz kommt.

Je nach Annahme fällt der Mehrertrag an Energie eines PVT-Kollektors unterschiedlich aus (Wenker et al. 2012, S. 5). Wird ein PVT-Modul auf einer Fläche von 2 m² installiert und werden zum Vergleich auf einer gleichgroßen Fläche jeweils 1 m² ST-Kollektoren und PV-Module verwendet, kann mit einem erhöhten Ertrag pro Fläche gerechnet werden. Dabei müssen Abschläge bei den Wirkungsgraden i. H. v. 20 % bei Strom und 30 % bei Wärme gemacht werden. Hieraus lässt sich ein Gesamtmehrertrag an Wärme und Strom (Aufteilung 50/50) von 50 % ableiten.

Gemäß dem Institut für Solarenergieforschung Hameln sind Leistungssteigerungen der PV-Einheiten durch einen Kühlungseffekt von 5 – 10 % realistisch (Scheuren und Bertram 2010).

Eine Integration in Heizungssysteme sowie Warmwasseraufbereitung durch die abgeführte Wärme ist möglich. Manche Module sind zudem mit einer Technik ausgestattet, die es ermöglicht, Eis und Schnee von den Systemen zu entfernen und diese so auch bei Temperaturen deutlich unter dem Gefrierpunkt einzusetzen.

PVT-Kollektoren erwärmen sich bei einem Überangebot von Wärme, wie auch andere solarthermische Systeme. Kann umgewandelte Wärme nicht mehr abgeleitet werden, erhitzen sich die Module auf bis zu 140 °C (Märtel o.J.). Pro ein °C sinkt die Effizienz um 0,4 – 0,5 %, was bei einer Nennleistung von 200 Wp einen Verlust von bis zu 115 Wp zur Folge haben kann.

Die nicht genutzte Wärme kann in einen großen Speicher oder z. B. einen Swimmingpool geleitet werden und so einer Überhitzung der Module vorgebeugt werden. Auch die Ableitung der überschüssigen Wärme in das Erdreich (über Erdkollektoren) ist eine Option (Märtel o.J.).

Werden reale Solarthermie- und Photovoltaikanlagen betrachtet, wird erkennbar, dass sich z. B. bei einem Einfamilienhaus mit einer PV-Modulfläche von 100 m² und einer 6 m² großen ST-Modulfläche, der Gesamtenergieertrag nur marginal ändern würde, wenn statt ST-Einheiten PVT-Einheiten eingesetzt würden (Wenker et al. 2012, S. 6).

Die Nutzung von PVT Modulen wird attraktiver, je höher der solarthermische Anteil in Bezug zur Verfügung stehenden Dachfläche ist.