Leistungsoptimierung von Photovoltaik-Anlagen durch Abwärmenutzung

Gastbeitrag von Solaranlagen-Portal.com

Aufgrund sinkender Modulpreise und der aktuellen EEG-Förderbedingungen werden Photovoltaik-Dachanlagen immer interessanter. Diese Anlagen werden jedoch wesentlich wärmer als Freiflächenanlagen, was zu einem um bis zu 10 % schlechteren elektrischen Wirkungsgrad führen kann. Daher werden solche PV-Anlagen immer häufiger hinterlüftet geplant, um die optimale Kühlung der Solarzellen zu verbessern. Seit vielen Jahren gibt es daher auch immer wieder interessante Ansätze, die dabei gewonnene Wärme zu nutzen. Zwei vielversprechende Anwendungen konnten nun auch im Praxistest überzeugen.

Viele Versuche, die Leistung von Photovoltaik-Anlagen durch Abwärmenutzung zu optimieren, hatten nicht den gewünschten Erfolg. Das lag in den meisten Fällen daran, dass die Abwärme der Photovoltaik-Anlage meistens im Sommer zur Verfügung steht und das Temperaturniveau zudem sehr niedrig ist und tageszeitlich als auch saisonal stark schwankt. Um die gewonnene Abwärme sinnvoll nutzen zu können, muss daher ein Wärmebedarf mit möglichst niedrigem Temperaturniveau und vor allem im Sommer vorliegen. Viele wissenschaftliche Studien kommen daher zu dem Schluss, die Abwärmenutzung hinterlüfteter Photovoltaik-Anlagen lohne sich nicht. Zwei Anwendungen, die von Forschern aus der Schweiz und Frankreich im Praxistest erprobt wurden, zeigen jedoch eindeutig, dass die thermische Nutzung dachintegrierter Photovoltaik-Anlagen spürbar deren Wirkungsgrad optimieren kann.

Landwirtschaftliche Abwärmenutzung von Photovoltaik-Anlagen

Im Projekt „Rezospring“ haben französische Forscherteams des CEA Liten am INES, des wissenschaftlichen und technischen Zentrums für Bauwesen (CSTB) und das Unternehmen Solarezo die Leistungsfähigkeit einer dachintegrierten Photovoltaik-Anlage, die gleichzeitig Strom und Wärme zur Lufttrocknung von Heu produzieren kann, untersucht. Im Ergebnis wurde festgestellt, dass die thermische Leistungsfähigkeit parallel zur Strahleneinwirkung sowie zur Menge der Luftzufuhr steigt. Bei der elektrischen Leistungsfähigkeit gibt es eine lineare Korrelation zwischen der elektrischen Leistung des Feldes und der Strahleneinwirkung. An sonnigen Tagen lag die produzierte Menge an thermischer Energie vier bis fünf Mal höher als die elektrische Energie, wobei nach Erreichen einer bestimmten Menge die Wärmeenergie nicht mehr zunimmt.

Zu ähnlichen Ergebnisse kamen auch Wissenschaftler der Forschungsgruppe Bau, Tier und Arbeit des schweizer Instituts Agroscope, die von Juli bis Oktober 2008 den thermischen und elektrischen Wirkungsgrad einer dachintegrierten Photovoltaik-Anlage zur Heutrocknung untersuchten. Die schweizer Wissenschaftler kamen zu dem Ergebnis, dass die Wärmeenergie, die man durch Belüftung der Solarmodule gewinnen kann, vier bis fünf Mal höher ist als die Stromproduktion. Mit zunehmender Luftgeschwindigkeit sinkt die Solarzellentemperatur und steigt der elektrische Wirkungsgrad.

Private Abwärmenutzung von Photovoltaik-Anlagen

Während man in vorgenannten landwirtschaftlichen Anwendungen die Abwärmenutzung zeitlich teilweise steuern kann, so ist der zeitliche Verlauf des Wärmebedarfs eines privat genutzten Einfamilienhauses mit dem zeitlichen Verlauf des Wärmeangebots einer Photovoltaik-Hinterlüftung zum großen Teil nicht miteinander vereinbar. Konventionelle Konzepte kommen daher kaum auf einen nennenswerten thermischen Nutzungsgrad. Konzepte, die sich auch bei privater Nutzung eignen, wurden von Sven Moosberger-Kropf in seiner Doktorarbeit „Optimierung der Hinterlüftung und der Abwärmenutzung gebäudeintegrierter Photovoltaik“ an der Universität Bern identifiziert und beschrieben.

Im Mittelpunkt der von Moosberger-Kropf untersuchten Anwendungen stehen Luft-Wärmepumpen, die die Abwärme der Photovoltaik-Anlagen nutzen. Die Abwärme wird dabei in den Keller eines Einfamilienhauses eingeleitet, die dann eine Abluftwärmepumpe nutzt, um die Warmwasserbeheizung zu gewährleisten. Im Ergebnis konnte durch dieses Konzept der Stromverbrauch der Wärmepumpe um fast 40 % reduziert werden, was einem weiteren elektrischen Mehrertrag von über 20 % entspricht. Positiver Nebeneffekt war zudem, dass das Problem der durch eine Abluftwärmepumpe zu stark abgekühlten Innenraumluft entschärft werden konnte.