STAIR – Verbundprojekt Klimaschutz: Hybride Hochleistungs-Solaranlagen zur Strom- und Wärmeversorgung von Gebäuden (HySol)

Die Installation von Anlagen zur Erzeugung erneuerbarer Energie, wie Photovoltaik (PV)- und Windkraftanlagen, bilden neben der Steigerung der Energieeffizienz das Rückgrat der Energiewende.

Die Energie der solaren Einstrahlung wird klassischerweise entweder zur Erzeugung elektrischer Energie mit PV-Anlagen oder zur Bereitstellung von Wärme mit solarthermischen Anlagen genutzt. Eine Kombination dieser beiden etablierten Technologien stellen photovoltaisch-thermische (PVT)-Systeme dar, die sich durch die Möglichkeit einer gleichzeitigen Bereitstellung von elektrischer und thermischer Energie auszeichnen. 

Im Forschungsprojekt „Hybride Hochleistungs-Solaranlagen zur Strom- und Wärmeversorgung von Gebäuden“ (HySol) wird der Einfluss der Installation von PVT-Systemen auf hybride Energieversorgungssysteme von insgesamt vier unterschiedlichen Gebäudetypen untersucht. Der Einfluss der PVT-Systeme wird hierbei auf technischer, ökologischer und ökonomischer Ebene betrachtet und bewertet, um mögliche Einsatzgebiete identifizieren zu können. 

Um diese Bewertung vorzunehmen, wird ein Modell des thermischen Modulverhaltens unter Einfluss von Umgebungstemperatur, Windgeschwindigkeit und Einstrahlung entwickelt. Dieses wird in ein Simulationstool eingepflegt, das zur Bewertung von PVT-Systemen bei Einbindung in verschiedene Wärmeversorgungssysteme mit z. B. Wärmepumpen oder Geothermie genutzt werden kann und den Vergleich zu alternativen Systemen zur Strom- und Wärmeversorgung ermöglicht. 

Insgesamt können vier Effekte identifiziert werden, über die PVT-Anlagen zu einer Effizienzsteigerung beitragen:

• Zunächst bewirkt die Kühlung der PV-Zellen einen elektrischen Mehrertrag, der im Jahresmittel etwa 2 % beträgt.
• Ein weiterer Effekt tritt auf, wenn die durch die PVT-Anlagen bereitgestellte Wärme als Quelle für eine Wärmepumpe genutzt wird. Dadurch kann die Jahresarbeitszahl der Wärmepumpe um 0,8 - 2 % erhöht werden.
• Ein dritter Effekt ergibt sich durch die Erhöhung der maximalen thermischen Leistung der Wärmepumpe, womit eine Substitution fossiler Energieträger erreicht wird, sofern das System aus PVT-Anlage und Wärmepumpe in einem hybriden Energiesystem, in dem zusätzlich fossile Energieträger genutzt werden, betrieben wird.
• Der vierte Effekt tritt auf, wenn die Wärmepumpe ihre Wärme auf der Quellenseite aus dem Boden bezieht. Dann kann die PVT-Anlage in den Sommermonaten bei niedrigem Wärmebedarf zur Regeneration der Bodentemperatur genutzt werden und somit im Sommer einen effizienteren Betrieb der PVT-Anlage ermöglichen.

Insgesamt können PVT-Anlagen in Kombination mit einer Wärmepumpe ökonomische Vorteile gegenüber einer Vergleichsanlage mit einem herkömmlichen PV-System bieten. Die Vorteile von PVT-Anlagen werden besonders deutlich bei Gebäudetypen, bei denen auch im Sommer hohe Wärmebedarfe vorliegen (z. B. Hotels oder Schwimmbäder) und wenn der Einfluss der Temperaturregeneration des Erdbodens mitberücksichtigt wird.

Projektpartner:

• Institut für Umwelttechnik für Energiewirtschaft, Technische Universität Hamburg
• Institute of Thermal Power Engineering, Cracow University of Technology
• ELFRAN Franciszek Scislowicz
• F.H.U. Czamara s.c.

Projektträger:
DLR

Förderung
Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF)

Laufzeit
01.10.2017 - 31.03.2021

Förderkennzeichen
01LX1701B