Autark und wirtschaftlich sinnvoll
Photovoltaik plus Solarthermie, Wärmepumpe und Batterie
Photovoltaik und Solarthermie kombiniert: Wiosun hat ein PV-Modul entwickelt, das nicht nur über Photovoltaik Strom produziert, sondern auch Wasser erwärmt. Zusammen mit einer eigens entwickelten Wärmepumpe und einer Batterie lassen sich autarke Systeme aufbauen - für 20.000 Euro.
Wenn die Sonne im Sommer auf die PV-Module scheint, dann produzieren die Zellen munter Energie - allerdings sinkt mit der hohen Temperatur der Wirkungsgrad der PV-Anlage. Mit jedem Grad Temperaturanstieg ab 25 °C verlieren die Module rund 0,5 Prozent ihrer Leistung. Da liegt es nahe, die Anlage mit Wasser zu kühlen.
Deshalb hat Wiosun das Kombimodul »PV-Therm« entwickelt: Wasser strömt durch das Modul, um es zu kühlen. Allein dadurch steigt der elektrische Ertrag der PV-Anlage im Sommer um 30 Prozent, der Ertrag über das Jahr erhöht sich um mindestens 10 Prozent. Dazu ist am Modul eine zusätzliche Stahlwanne angebracht, die mit dem Photovoltaik-Laminat über eine eigens entwickelte Polyurethanfassung dicht und robust verbunden ist. Es liefert also zusätzlich Wärmeenergie. Die elektrische Nennleistung des 1310 x 996 x 20 mm großen Moduls liegt bei 190 Wp, die thermische Nennleistung bei rund 550 W/m².
Im August 2011 hat der TÜV Rheinland das Modul zertifiziert - damit ist es das erste Kombimodul überhaupt, das eine Zertifizierung erhalten hat. Bei einer Oberflächentemperatur von bis zu 80 °C, die die Module im Sommer erreichen, lässt sich das PV-Therm-Modul innerhalb kurzer Zeit mit 12 °C kaltem Wasser auf unter 20 °C abkühlen.
Deshalb eignen sich die PV-Therm-Module besonders für den Einsatz in südlichen Ländern mit hoher Sonneneinstrahlung: Die PV-Zellen liefern deutlich mehr Strom als ungekühlt, gleichzeitig lässt sich die thermische Energie zur Kühlung der Gebäude nutzen. In Arizona hat Wiosun bereits größere Projekte umgesetzt. Doch auch hierzulande lassen sich die PV-Therm-Module nutzen, beispielsweise zur Warmwasserbereitung und zur Heizungsunterstützung. Außerdem lässt sich der solarthermische Wasserkreislauf im Winter auch dazu verwenden, die Module von Schnee und Eis zu befreien.
Dazu ein kleines Beispiel: Bei einer Außentemperatur von 29 °C und einer solaren Einstrahlung von 800 bis 840 W hat Wiosun eine Modul-Temperatur von 65 °C gemessen. Kühlt nun 15 °C kaltes Regenwasser (Durchfluss 1000 l/h bei zehn Modulen) die PV-Therm-Module, so sinkt die Modultemperatur auf 25 °C. Dadurch steigt die elektrische Leistung von 1110 W auf 1350 W. Das entspricht einer Leistungssteigerung von 20 Prozent.
Wiosun geht aber noch einen Schritt weiter: In Kombination mit einer Wärmepumpe liefert das System ganzjährig Energie, auch in unseren Breiten. Auch im Winter erreicht die Wassertemperatur rund 20 °C, mit Hilfe der Wärmepumpe kommt sie dann auf 50 °C. Allerdings stellt ein solches System besondere Anforderungen an die Wärmepumpe, denn sie muss hohe Volumenströme verarbeiten können. Weil die am Markt erhältlichen Wärmepumpen meist auf Basis von Plattenwärmetauschern arbeiten, müsste Wiosun Wärmepumpen mit einer großen Bauform einsetzen. »Deshalb haben wir eine eigene Wärmepumpe auf Basis eines koaxialen Wärmetauschers entwickelt. Dieser Wärmetauscher ist sehr einfach aufgebaut, ist damit also auch kostengünstig, und er kann das hohe Durchflussvolumen sehr gut verarbeiten«, erklärt Willi Bihler, Geschäftsführer von Wiosun.
Weitere Vorteile der Wärmepumpe sind: Es ist keine Erdbohrung mehr notwendig, sie arbeiten mit einem hohen Wirkungsgrad, und sie braucht nur wenig Platz. Außerdem arbeiten sie im Temperaturbereich zwischen -15 und 30 °C. Doch kann ein solches System tatsächlich mehr Energie liefern, als man hineinsteckt? Bihler macht eine einfache Rechnung auf: Ein 5-kW-System benötigt für den Kompressor 1200 kWh pro Jahr. Die Anlage aber produziert in diesem Zeitraum 2000 kWh.
Und was kostet der Spaß? Wer sich eine komplette 5-kW-PV-Therm-Anlage mit Wärmepumpe zulegen will, der muss laut Bihler 20.000 Euro dafür bezahlen, rund 5000 müssen zusätzlich in die Installation investiert werden. »Eine solche Anlage arbeitet bei einer Außentemperatur bis -10 °C wirtschaftlich«, erklärt Bihler. Erfahrungen dazu konnte er bereits sammeln: Seit 2008 läuft eine Testanlage auf dem Dach des Solarzentrums Allgäu. Hier können umfangreiche Tests durchgeführt werden, einschließlich der Kombination mit einer Wärmepumpe und eines elektrischen Heizers, um die Module im Winter von Eis und Schnee zu befreien.
Und wer in Richtung autarke Energieversorgung noch einen Schritt weiter gehen will, für den stellt Wiosun auch noch den elektrischen Speicher in Form einer Blei-Gel-Batterie zur Verfügung. Die Batterie fertigt ein bulgarisches Unternehmen, das unter anderem auch Batterien für den Einsatz im Weltraum entwickelt hat. »Die Technik ist relativ einfach, sie verzichtet auf übertriebenes High-Tech, ist dafür aber robust und funktioniert sehr gut«, erklärt Bihler.
Das Programm für die Steuerung der Wärmepumpe hat Wiosun selber entwickelt. Aufgrund der Flexibilität des Programms lassen sich unterschiedliche Heizquellen einbinden. Derzeit arbeitet das Unternehmen an dem Batterie-Management und will bis Anfang kommenden Jahres ein dreiphasiges System auf den Markt bringen.
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