PVT-Wärmepumpe - Solarstrom und Wärme effizient vereint

Photovoltaik-Thermie-Wärmepumpen (PVT) stellen eine innovative Technologie dar, die die Stromerzeugung aus Photovoltaik (PV) mit der Wärmegewinnung aus Solarthermie kombiniert. Diese Integration führt zu einer signifikanten Steigerung der Gesamteffizienz von Solaranlagen. Ein PVT-Kollektor besteht aus einem Photovoltaikmodul und einem darunterliegenden thermischen Kollektor. Durch diesen Kollektor fließt ein Wärmeträgerfluid, das Wärme für Heizung oder Warmwasser bereitstellt. Ein wesentlicher Vorteil dieser Bauweise ist die aktive Kühlung der Solarzellen durch den thermischen Teil, was die elektrische Leistungsfähigkeit um bis zu 25 % im Vergleich zu herkömmlichen PV-Modulen erhöhen kann.

PVT-Wärmepumpensysteme eignen sich besonders gut für energetisch sanierte Ein- und Mehrfamilienhäuser. Da sie ohne Außengerät auskommen, minimieren sie die Geräuschbelastung. In Deutschland hat sich die neu installierte PVT-Fläche zwischen 2020 und 2022 von etwa 5.800 m² auf fast 19.100 m² verdreifacht. Damit ist Deutschland nach den Niederlanden der zweitgrößte PVT-Markt in Europa.

Funktionsprinzip im Detail

Ein PVT-Kollektor integriert ein Standard-Photovoltaikmodul zur Stromerzeugung mit einem darunterliegenden thermischen Solarkollektor, der ein Wärmeträgerfluid erwärmt. Dieses Fluid transportiert die gewonnene Wärme zur Wärmepumpe, die das Temperaturniveau weiter anhebt und somit Heizwärme oder Warmwasser bereitstellt. Diese direkte Kopplung optimiert die Nutzung der Dachfläche, da keine zusätzlichen Flächen für separate Anlagen benötigt werden.

Die Abführung überschüssiger Wärme sorgt für eine Kühlung des PV-Moduls auf optimale Betriebstemperaturen von etwa 25 °C. Dies führt zu einer Erhöhung des elektrischen Wirkungsgrades um 0,2 bis 0,5 Prozentpunkte pro Grad Celsius Temperaturdifferenz. Man unterscheidet zwischen passiver Kühlung, bei der lediglich Umgebungsluft genutzt wird, und aktiver Kühlung, bei der das Wärmeträgerfluid der PVT-Anlage gezielt die Zellen kühlt. Beide Methoden resultieren in einem höheren Energieertrag und einer längeren Lebensdauer der Module.

In monovalenten Systemen dient das PVT-Feld als alleinige Wärmequelle für eine Sole-Wasser-Wärmepumpe. Hierbei ist die korrekte Dimensionierung von Kollektorfläche und Wärmepumpe entscheidend, um ineffiziente Niedertemperaturverhältnisse und Leistungsverluste zu vermeiden. Bivalente Systeme ermöglichen die Kombination mit Geothermie oder Eisspeichern, um saisonale Schwankungen auszugleichen und die erforderliche Sondenlänge zu reduzieren.

Die elektrische Effizienz herkömmlicher PV-Module liegt heute meist zwischen 18 % und 22 %, je nach Zelltyp. PVT-Kollektoren können in ganzjährig stromgeführter Betriebsweise bis zu 131 kWh Strom pro m² und Jahr liefern, während in wärmegeführter Betriebsweise etwa 116 kWh/m²a erreicht werden. Die thermische Effizienz von typischen Flüssigkeits-PVT-Kollektoren beträgt 50 % bis 60 %, was bei einer Sonneneinstrahlung von 1.000 W/m² einer Wärmeleistung von 500 W pro m² entspricht. Abgedeckte PVT-Kollektoren erreichen einen η₀ von etwa 0,58 mit Verlustkoeffizienten von b₁ ≈ 12,5 W/(m² K) und b₂ ≈ 1,5 W s/(m³ K).

PVT-Systeme können über das Jahr hinweg das Drei- bis Vierfache der Gesamtenergie (elektrisch plus thermisch) im Vergleich zu einer gleich großen Fläche reiner PV-Module erzeugen. Studien zeigen, dass die Gesamtanlageneffizienz um bis zu 49,3 % gesteigert werden kann, und Wärmepumpen in solchen Systemen erreichen in Experimenten COP-Werte von bis zu 4,7. Die Jahresarbeitszahl (JAZ) für Wärmepumpen in PVT-Systemen liegt typischerweise zwischen 3,0 und 4,0, abhängig von der Systemauslegung und dem Gebäudestandard. Durch die PVT-Vorwärmung sind Spitzenwerte von JAZ ≈ 3,5–4,0 möglich.

Wirtschaftlichkeit und Förderung

Ein Standard-PVT-Modul (ca. 1,7 m²) kostet etwa 500 €, während ein vergleichbares reines PV-Modul (440 W) etwa 150 Euro kostet. Die Mehrkosten für PVT belaufen sich somit auf etwa 350 € pro Modulfläche. Für ein Einfamilienhaus mit 30 m² PVT-Fläche sind Investitionskosten von circa 8.000 € bis 15.000 € realistisch, abhängig von Hersteller und Installationsaufwand.

Die Bundesförderung für effiziente Gebäude (BEG) bietet Zuschüsse von 30 % bis 35 % für PVT-Anlagen in Kombination mit Wärmepumpen. Zusätzlich können ein „Speed-Bonus“ von 25 % und ein einkommensabhängiger Bonus von bis zu 30 % beantragt werden, was eine maximale Förderung von bis zu 70 % ermöglicht. Für Wärmepumpen selbst gibt es Basisförderungen von 1.300 € bis 1.500 € pro kW Leistung, je nach Pumpentyp.

Die Amortisationszeiten für PVT-Wärmepumpen liegen bei optimaler Förderung und günstigen Strompreisen zwischen 8 und 12 Jahren. In Verbindung mit Eigenverbrauchsoptimierung durch Energiemanagementsysteme können die laufenden Betriebskosten um bis zu 30 % gesenkt werden. Die doppelte Nutzung der Dachfläche ermöglicht zudem eine schnellere Kapitalrückführung im Vergleich zu reinen PV- oder Solarthermie-Anlagen.

Marktentwicklung und Zukunftsaussichten

Deutschland ist der zweitgrößte PVT-Markt in Europa mit einer neu installierten Fläche von 19.100 m² im Jahr 2022, verglichen mit 5.800 m² im Jahr 2020. Dies entspricht einem Anstieg der installierten Leistung um 229 % innerhalb von zwei Jahren. Prognosen deuten auf ein anhaltendes Marktwachstum hin, unterstützt durch Skaleneffekte und neue Produktionsstandorte in Deutschland. Der globale Markt für PVT-Systeme wird bis 2033 voraussichtlich ein Volumen von 384,45 Mrd. USD erreichen, mit einer jährlichen Wachstumsrate (CAGR) von 7,1 %. Europa und Nordamerika gelten als Regionen mit dem größten Potenzial. Parallel zum PVT-Trend verzeichnet auch der Wärmepumpenmarkt ein starkes Wachstum.

Zukünftige technologische Entwicklungen konzentrieren sich auf verbesserte Zellmaterialien für höhere Betriebstemperaturen (bis zu 100 °C) und neue Absorber-Beschichtungen zur Minimierung von Wärmeverlusten. Die Kombination mit intelligenten Speichern wird den thermischen Eigenverbrauch weiter steigern. Die Klimaziele der EU und die deutsche Energiepolitik fördern die Nachfrage nach PVT-Systemen. Experten erwarten, dass PVT-Wärmepumpen in den nächsten fünf Jahren in bis zu 15 % aller Neubau- und Sanierungsprojekte eingesetzt werden. Die Kombination aus hoher Effizienz, sinkenden Modulpreisen und attraktiven Förderbedingungen macht PVT-Systeme zu einem wichtigen Bestandteil der dezentralen Energiewende.