pv magazine highlight top innovation: Kombimodul mit Niedertemperatur-Trick

René Siegerink aus Bentelo in den Niederlanden macht vor, wie er sich die Stromheizung der Zukunft vorstellt. Das Dach seines Einfamilienhauses aus dem Jahr 1978 ist dicht mit Solarmodulen belegt. Was man nicht sieht: Zwölf davon produzieren nicht nur Strom, sondern heizen auch sein Haus. Auf gerade einmal 20 Quadratmetern, also nur einem Teil der Dachfläche. Seit zwei Jahren heizt der Unternehmensgründer nicht mehr mit Gas, sondern mit einer Sole-Wasser-Wärmepumpe. Das wäre noch keine Überraschung, ist solch ein System doch Standard, wenn man die Sole über eine Erdbohrung mit Erdwärme aufheizt und Solarstrom vom Dach zum Betrieb der Heizung nutzt.

Allein, Siegerink kommt ohne Erdbohrung aus. Stattdessen hat er einen Aufsatz entwickelt, den er hinten auf die Photovoltaik­module aufschnallt, als Wärmequelle für den Sole-Wasser-Kreislauf. Inzwischen produziert und vertreibt er ihn mit seinem Unternehmen Use All Energy. Mit diesem Aufsatz verwandelt er Standard-Photovoltaik­module in Photovoltaik-Solarthermie-Kombimodule, oft als PVT-Modul abgekürzt, durch die ein Medium fließt, das die Wärme abtransportiert. Das ist meist Wasser mit Frostschutzmittel.
Solche Kombimodule gibt es schon seit Langem. Bislang konnten sie sich aber nicht in größerem Maßstab durchsetzen. Ein Grund dafür ist, dass durch den Umbau eines Standardproduktes dieses bisher meist die Garantie des Herstellers verlor. Käufer mussten dann auf die Garantien der meist kleinen Marken für die Kombimodule vertrauen. Ein anderer Grund ist, dass die Wassertemperaturen nicht an die Temperaturen herankommen, die reine Solarthermiekollektoren bieten. Die Wärmeausbeute blieb daher auf sehr sonnige Tage beschränkt. Beide Probleme konnte René Siegerink lösen. Die pv magazine Jury zeichnet das Produkt daher als highlight top innovation aus.

Problem eins löste er dadurch, dass er sein Produkt, das „Solar Heat Multipanel“, nicht nutzt, um die Wärme direkt in die Heizung einzukoppeln, sondern als eine Quelle für die Wärmepumpe. Diese entzieht dem Medium Wärme und pumpt es, heruntergekühlt, auf das Dach zurück, wo es sich an der Luft und an der Modulrückseite wieder aufheizt. Er benötigt also nur niedrigere Temperaturen als klassische Solarthermie. Dadurch kann er nicht nur die Wärme nutzen, die durch direkte Absorption von Sonnenlicht entsteht. Jedes Modul fungiert automatisch auch als Wärmetauscher für die Umgebungsluft. Er verstärkt den Effekt, indem er die Rückseite seines Wärmetauschers nicht dämmt.
Das führt dann zu dem auf den ersten Blick überraschenden Effekt, dass das System auch an kühlen oder bedeckten Tagen immer noch funktioniert.

Das 1.250-Watt-Modul

Wie viel Wärmeenergie dadurch genutzt werden kann, überrascht ebenfalls. Wenn beispielsweise bei null Grad Außentemperatur die Wärmepumpe das Medium auf minus zehn Grad abkühlt, kann ein Modul bei Dunkelheit thermisch 300 Watt leisten. Scheint in so einer Situation aber die Sonne, steige die Wärmeleistung auf 650 Watt an, erläutert Siegerink. Bei 20 Grad Außentemperatur seien bis zu 873 Watt thermisch möglich. Unabhängig davon kommt bei Sonnenschein noch bis zu 380 Watt elektrische Leistung obendrauf.
Die thermische und elektrische Leistung des Moduls bei verschiedenen Temperaturen und Einstrahlungsverhältnissen wird durch das Solar-Keymark-Qualitätslabel bestätigt, das die Leistung von Solarthermieprodukten und Kombi­modulen zertifiziert. Use All Energy steht, nach eigenen Angaben, kurz vor Abschluss der Zertifizierung durch TÜV Rheinland.
Die thermische Leistung sei, hochgerechnet auf zwölf Module, im Mittel ausreichend, um eine Wärmepumpe mit sechs Kilowatt Leistung zu beliefern. Bei einem Performancekoeffizienten (COP) von 3,5 benötigt sie für sechs Kilowatt Heizleistung 1,7 Kilowatt elektrische Energie und 4,3 Kilowatt Umweltwärme, die die Module bereitstellen müssen. Zwölf Module liefern auch elektrisch genügend Energie, um die Wärmepumpe bilanziell übers Jahr CO2-neutral zu betreiben.
So habe Siegerinks Wärmepumpe in den vergangenen zwei Jahren im Schnitt knapp 3.300 Kilowattstunden Strom pro Jahr verbraucht. Wer die Stromautarkie auch im Winter erhöhen will, kann das Modulfeld zudem durch optisch identische Module ohne Wärmetauscher problemlos erweitern. Denn zum Einsatz kommen hocheffiziente Photovoltaikmodule aus der Großfertigung.

Kompatibel mit günstigen Standardmodulen

Hierfür hat Siegerink die zweite Schwierigkeit beseitigt, die Kombimodulen bisher im Wege stand. Er hat den Modul­hersteller Longi überzeugt, dass sein Wärmetauscher das Photovoltaikmodul nicht beschädigt, sondern die elektrische Performance durch die Kühlwirkung noch erhöht. Nun darf er an das HiMo4 plus andocken, ohne dass der Kunde dadurch Garantieansprüche gegenüber Longi verliert.
Der Einbau geht denkbar einfach. Der Wärmetauscher aus Aluminium mit Aussparungen für die Anschlussbox wird mit Metallklammern vollflächig an die Rückseitenfolie geheftet und kann jederzeit wieder entfernt werden, weil kein Klebstoff zum Einsatz kommt. Er ist dabei nur 19 Millimeter flach, so dass er von der Seite nicht zu sehen ist und die übliche Befestigung des Moduls nicht behindert. Alle Teile des Moduls bleiben für Inspektionen und Wartung weiter frei zugänglich.

Im Prinzip könnte Siegerinks Firma diese besonderen Kombi­module auch aus anderen Photovoltaikmodulen herstellen. Die Produktion der Wärmetauscher sei jedenfalls einfach und könne jederzeit auf andere Formate umgestellt werden, erläutert er. Einer Serienfertigung stünde somit nichts im Wege. Sein Unternehmen biete 25 Jahre Produktgarantie auf den thermischen Effekt und als Absicherung gegen Lecks im Absorber.

Effizienz mit Erdpuffer erhöhen

Auch eine Nachrüstung bereits existierender Photovoltaik­anlagen wäre denkbar. Allerdings gilt das Solar Keymark Label nur für fertig zusammengebaute Produkte direkt aus der Werkstatt. Die Solar Heat Multipanel in Kombination mit Sole-Wasser-Wärmepumpen lassen sich am ehesten mit dem Einsatz von Luft-Wasser-Wärmepumpen vergleichen. Die Performance ist laut Siegerink ähnlich. Beide lassen sich einfach nachrüsten und benötigen wenig Platz. In einer engen Nachbarschaft kann aber die Lärmentwicklung bei Luft-Wasser-Wärmepumpen problematisch sein, die bei Kombimodulen entfällt.

Dem stehen die höhere Kosten für die Wärmetauscher und den Wasserkreislauf gegenüber. Pro Modul rechnet Siegerink mit Kosten von 300 Euro für den Wärmetauscher, zuzüglich Installation. Bei beiden Systemen sinkt die Effizienz, wenn die Außentemperatur fällt und spätestens bei minus 20 Grad ist keine Wärmegewinnung mehr möglich. Auch die Kühlmöglichkeit im Sommer ist bei sehr hohen Temperaturen begrenzt. Bei Neubauten und wenn Platz vorhanden ist, sollte man daher über einen kleinen zusätzlichen Erdspeicher nachdenken, rät Siegerink. Er selbst habe sich vor wenigen Wochen einen solchen nachrüsten lassen. Das sei weniger Aufwand, als es scheint, sagt er, da er mit 75 Quadratmetern etwa so groß sei wie die Grundfläche des Hauses selbst.

Damit seien interessante zusätzliche Möglichkeiten gegeben. Die Wärmepumpe könne abhängig von den Außentemperaturen und der Temperatur im Puffer jeweils die günstigere Quelle wählen. An sehr sonnigen Tagen kann sie den Erdspeicher aufheizen. An sehr kalten Tagen kann das Kombimodul womöglich nur einen kleinen Beitrag leisten und der größte Teil der Energie stammt aus dem Erdreich. Falls dabei die Feuchtigkeit im Boden gefriert, lässt sich zusätzlich die Energie des Phasenübergangs von Wasser zu Eis nutzen. Mit einem Erdspeicher kann die Wärmepumpe unter Umständen auch die Module erwärmen, um ihre Vereisung zu verhindern.

An Referenzobjekten ist es nicht bei dem eigenen Haus des Erfinders geblieben. Das ausgeklügelte Gesamtsystem baut Use All Energy derzeit zwar nur für eigene Kunden und nur mit einer Wärmepumpe von Nibe, die so angepasst ist, dass sie zwei verschiedene Wärmequellen nutzen kann. In der Umgebung von Bentelo hat das Team aus sieben Mitarbeitern bereits 25 Referenzprojekte umgesetzt.
In Zukunft will René Siegerink sein Multipanel nun auch breit vermarkten und dazu anregen, alle Energieformen zu nutzen, sei es Solarstrom, Solarthermie, Erdwärme oder die Energie gefrierenden Wassers.

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