PVT-Kollektoren zur Regeneration von Geothermiefeldern (Erdwärmesonden) in Wärmenetzen
PVT-Module stellen eine Kombination aus Photovoltaik (PV) und thermischen Solaranlagen zur Erzeugung von Strom und Wärme dar. Diese Anlagen nutzen sowohl die Strahlungsenergie der Sonne zur Stromerzeugung, als auch die Wärmeenergie. Werden PVT-Kollektoren in einem Wärmenetz eingebunden, können sie auch genutzt werden, um im Sommer Erdwärmesonden zu regenerieren und so im Winter deren Effizienz zu erhöhen.
Wie ist ein PVT-Kollektor aufgebaut und welche Arten gibt es?
Ein PVT-Modul ist im Wesentlichen ein hybrider Kollektor, der aus einer Kombination aus einem Photovoltaik-Modul und einem Solarthermie-Modul besteht. Man unterscheidet PVT-Kollektoren hinsichtlich verschiedener Typen, je nachdem ob der Fokus auf Strom- oder Wärmeerzeugung liegt. PVT-Anlagen mit Fokus auf Wärmeerzeugung sind beispielsweise abgedeckte PVT-Kollektoren. Aufgrund der Verglasung befindet eine abgeschlossene Luftschicht, welche als Dämmung fungiert. Durch staut sich die Wärme besser im Kollektor und höhere Heizleistungen werden erreicht. Die höheren Kollektortemperaturen haben allerdings negative Auswirkungen auf die PV-Zellen, da mit zunehmender Zelltemperatur die Effizienz der Zellen abnimmt.
Was sind die Vorteile eines PVT-Kollektors?
Durch die kombinierte Nutzung kann die Sonnenenergie effizienter genutzt werden und die notwendigen Kollektorflächen können reduziert werden. Der Solarkollektor kann außerdem zu einer Steigerung der Effizienz des PV-Moduls beitragen, da die elektrische Leistung bei steigender Temperatur abnimmt. Zusätzlich verhindert die PVT-Anlage durch die Solarthermie-Kollektoren, dass die PV-Kollektoren zugeschneit werden, da der Schnee weggeschmolzen wird und somit auch im Winter die Stromerzeugung der PV-Kollektoren verbessert wird. In Kombination mit Geothermiefeldern kann die Wärmeerzeugung im Sommer sinnvoll zur Regeneration genutzt werden.
Was sind die Nachteile eines PVT-Kollektors?
PVT-Kollektoren stehen vor einigen technischen Herausforderungen, die ihre breite Anwendung einschränken. Ähnlich wie bei Solarthermie-Kollektoren gibt es eine deutliche Diskrepanz zwischen der Wärmeerzeugung im Sommer und dem Wärmebedarf im Winter. Aufgrund der Kombination verschiedener Technologien können PVT-Kollektoren zusätzliche Wartungsanforderungen haben, um sowohl die Photovoltaik-Zellen als auch die thermischen Komponenten in einem guten Zustand zu halten.
Wieso müssen Erdwärmesonden regeneriert werden und wie können PVT-Kollektoren dazu beitragen?
Obwohl Geothermie als regenerative Wärmequelle gilt, ist zu bedenken, dass Erdsonden kein unendliches Wärmepotential aufweisen. Erdwärmesonden entziehen dem Erdboden während des Winters eine erhebliche Wärmemenge. Um eine Überkühlung der Erdwärmesonden zu vermeiden und eine annähernd konstante Wärmeentzugsleistung zu Beginn jeder Heizperiode sicherzustellen, ist es vorteilhaft, die Erdsondenfelder im Sommer durch Zufuhr von Wärmeenergie zu regenerieren. Dies wird oft durch die passive Kühlung von Gebäuden erreicht. In Verbindung mit einem Wärmenetz und Erdwärmesonden kann die überschüssige Wärmeenergie eines PVT-Kollektors genutzt werden, um die Erdsondenfelder zu regenerieren und gleichzeitig die PV-Zellen auf einem optimalen Temperaturniveau zu halten, um den Stromertrag zu maximieren.
Welche Rollen spielen PVT-Kollektoren und Erdsondenfelder in Wärmenetzen?
Je nach Temperaturniveau des Wärmenetzes sind unterschiedliche Wärmequellen zur Speisung des Netzes notwendig. Aufgrund der Begrenzung der Temperatur der Solarkollektoren durch die Betriebstemperatur der PV-Module, liegt die Betriebstemperatur der PVT-Kombination meist zwischen 20-50 °C (abhängig von der Bauart). Somit kommt der Einsatz von PVT-Kollektoren vor allem für Wärmenetze mit niedrigeren Temperaturniveaus in Frage, wie zum Beispiel bei LowEx-Wärmenetzen (35-60°C) oder kalten Nahwärmenetzen (unter 35°C), auch Anergienetze genannt. Erdsondenfelder haben meist eine Entzugstemperatur, die über das Jahr zwischen 0-20 °C schwankt und dienen somit kalten Nahwärmenetzen als Wärmequelle. Mittels einer zentralen Netzwärmepumpe ist es jedoch auch möglich, Wärme aus oberflächennahen Geothermie für höhere Temperaturniveaus bereitzustellen. Über die Jahre sinkt die Entzugstemperatur der geothermischen Quellen ab, da über das Jahr bilanziert mehr Wärme aus dem Boden entzogen wird als aus dem Erdboden nachströmt. Um ein Absinken der Entzugstemperatur über mehrere Jahre zu vermeiden, sollten Geothermiefelder regeneriert werden. Je größer das Geothermiefeld, desto wichtiger ist eine Regeneration. Eine Regeneration kann mit Abwärme aus Kühlprozessen im Sommer geschehen, über konventionelle Solarthermie-Kollektoren oder über PVT-Kollektoren. Durch den Einsatz von PVT-Kollektoren kann auf diese Weise auch die Sondenzahl bzw. Bohrmeter des Erdsondenfelds reduziert werden, was erhebliche wirtschaftliche Vorteile bedeuten kann und bei einer Gesamtwirtschaftlichkeitsanalyse und zur Finanzierung von PVT-Kollektoren berücksichtigt werden muss.
Quellen
- Lämmle et al.: "PVT collector technologies in solar thermal systems: A systematic assessment of electrical and thermal yields with the novel characteristic temperature approach", Solar Energy, 155, pp. 867-879, 2017, DOI: 10.1016/j.solener.2017.07.015
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