Technik & Materialien

Hybride Solarpanels für selbstversorgende Häuser

Ein Haus mit herkömmlichen Photovoltaik-Zellen

Ein Haus mit herkömmlichen Photovoltaik-Zellen: Der grösste Teil der eintreffenden Sonnenenergie kann nicht in Strom umgewandelt werden und geht als Wärme verloren. Bild: manfredxy/Shutterstock.com

Sonnenkollektoren produzieren mehr Wärme als Strom, wobei die Wärmeenergie meist ungenutzt verloren geht. Mit «hybriden» Solarpanels könnte die Wärme über mehrere Monate im Boden gespeichert und im Winter wiederum zum Heizen genutzt werden.

Heute haben auch in der Schweiz tausende von Hausbesitzern Solarpanels auf ihren Dächern installiert, um den eigenen Strombedarf zu decken. Schade nur, dass der Hauptanteil der Sonnenenergie, der auf eine Photovoltaik-Zelle trifft, gar nicht in Strom umgewandelt wird, sondern als Wärme verloren geht. Rund 80 Prozent beträgt in der Regel der Energieverlust in Form von Wärme. Zudem ist die entstehende Wärme auch für die Umwandlung von Sonnenstrahlung in Strom hinderlich. Je wärmer die Solarzellen nämlich sind, desto kleiner ist der elektrische Wirkungsgrad. 0.3 Prozent beträgt der Verlust pro Grad Celsius Wärme. Sprich: Bei einer Erhitzung um 40°C – und Solarzellen können bis zu 70°C heiss werden – liefern die Panels zwölf Prozent weniger Strom. In der Vergangenheit gab es deshalb immer wieder Versuche, die Solarpanels zu kühlen und die Abwärme gleichzeitig im Haushalt zu nutzen. Bislang jedoch mit mässigem Erfolg.

Die Wärmepumpe macht‘s möglich

Hybrider Solarkollektor

So sieht ein hybride Solarkollektor aus: mit einer Wasserschlange auf der Rückseite werden dieWärmeverluste des Solarpanels zur Warmwasserproduktion genutzt. Bild: ETH

Hansjürg Leibundgut, Professor für Gebäudetechnik an der ETH Zürich, hat nun einen so genannten Hybridkollektor entwickelt. Dieser soll Häuser in Zukunft sowohl mit Strom als auch mit Warmwasser versorgen. Er hat dafür bestehende Solarpanels auf der Rückseite mit einer Aluminiumplatte ergänzt, durch die eine Kühlschlange läuft – ähnlich wie man das von der Rückseite des Kühlschranks her kennt. Weil die Glas ähnlichen Silizium-Solarzellen und die Aluminiumplatte unterschiedliche Ausdehnungskoeffizienten haben, können die beiden Schichten nicht einfach aneinander geklebt werden, sonst würde das Glas bei Hitze sofort zerbrechen. Deshalb drückt Leibundgut die Aluminiumplatte mit Klammern ans Glas, so dass sich die beiden Schichten unabhängig voneinander ausdehnen können.

Durch die Aluminium-Kühlschlange strömt nun ein Wasserkreislauf, der die Wärme vom Sonnenkollektor dauernd abführt. Dabei arbeitet Leibundgut mit Wassertemperaturen, die möglichst nahe an der Umgebungstemperatur liegen, so dass nur geringe Wärmeverluste zwischen Kühlkreislauf und Umgebung auftreten. Das Wasser trifft also zum Beispiel mit 22°C auf das Solarpanel und verlässt dieses mit 25°C wieder. Mit Wasser von 25°C kann man im Haushalt jedoch noch nicht viel anfangen; das reicht weder zum Duschen, noch zum Geschirrspülen. Deshalb ist der Wasser-Kühlkreislauf an eine Wärmepumpe gekoppelt die die Temperatur auf 40°C anhebt. Genau die richtige Temperatur für eine warme Dusche. Den Strom für die Wärmepumpe bezieht das System aus der Photovoltaik auf dem Hausdach. Leibundgut hat berechnet, dass von den 800 Watt Leistung, die von der Sonne auf ein Solarpanel treffen, 150 als elektrische Energie und 450 als Wärme über den Wasserkreislauf nutzbar sind. Die restlichen 200 Watt gehen über die Reflexion des Glases sowie über Wärmeleitung verloren.

Der Wärmespeicher im Untergrund

Zwei hybride Solarpanels

Zwei hybride Solarpanels: Rechts ist der Wasserkreislauf angeschaltet und die Wärmebildkamera zeigt, dass nur noch wenig Wärme ungenutzt verloren geht. Bild: ETH

Was ist nun aber, wenn der Himmel im Herbst oder Winter während Wochen bedeckt ist und praktisch kein Sonnenstrahl auf den Hybridkollektor trifft? Um dieses saisonale Problem zu lösen, kombiniert Leibundgut den Wasserkreislauf des Kollektors mit einem Erdwärmespeicher. Mit einem langen Rohr wird das Erdreich in 300 Meter Tiefe «angezapft». Dort ist die Erde rund 20°C warm. Im Sommer, wenn überschüssige Wärme anfällt, wird diese in die Erde gepumpt. Dadurch erwärmt sich das Erdreich bei 300 Meter Tiefe lokal um 3°C. Diese Temperaturdifferenz wird mit Wasser von einer Temperatur tiefer als 23°C wieder aus dem Boden geholt und über die Wärmepumpe für den Haushalt auf 40°C «veredelt». Der Boden wird somit zum Wärmespeicher.

«Hybridkollektoren werden sich in Zukunft durchsetzen», ist Leibundgut überzeugt und fügt an: «Eigentlich sind sie aber nur in Kombination mit einem Erdwärmespeicher und einer Wärmepumpe sinnvoll.» Bislang gibt es nur Prototypen der hybriden Solarpanels. Diese hat der Forscher zusammen mit einem grossen Schweizer Photovoltaik-Hersteller produziert. Doch bereits Mitte 2012 sollen sie zu tausenden hergestellt und rund um den Globus auf Hausdächern installiert werden. Hybride Solarzellen könnten damit zu einem Kernstück des klimafreundlichen Bauens werden.

Text: SATW / Samuel Schläfli

Quelle: SATW Technoscope 1/11: Intelligente Häuser

Technoscope ist das Technikmagazin der SATW für Jugendliche

 

Erstellt: 04.02.2013

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