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Strom & Warmwasser mit einem System erzeugen

Von einem Hybridmodul oder Kombimodul spricht man, wenn ein Modul sowohl für Photovoltaik wie auch für Solarthermie bzw. zur Warmwassererzeugung genutzt werden kann. Es handelt sich also um eine Kombination aus PV- und Solarthermiemodul auch bekannt unter den Ausdrücken Thermovoltaik oder Photothermie. Der Photovoltaikanteil wird zur Erzeugung von Solarstrom genutzt, der Solarthermieanteil zur Erzeugung von Warmwasser.
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Viele Interessenten einer Photovoltaikanlage spielen mit dem Gedanken, die Gelegenheit zu nutzen und auch gleich eine Solarthermieanlage mit auf dem Dach zu installieren. Das ist sehr nahe liegend, da bei beiden Techniken die Sonnenenergie ohne Einsatz fossiler Brennstoffe genutzt werden kann.

Der nächste Gedanke, der einem in den Sinn kommt: Wenn ich schon einen Installateur aufs Dach schicke, warum dann nicht gleich zwei Fliegen mit einer Klappe schlagen. Alles aus einer Hand, keine unterschiedlichen Module auf dem Dach, Herz, was begehrst Du mehr? Wäre doch genial! Warum ist dann diese Eier legende Wollmilchsau, respektive dieses Hybridmodul so wenig verbreitet? Die Antwort darauf ist recht einfach.

PV-Module mögen's kalt - Solarthermie Kollektoren mögen's heiß

Während bei Photovoltaikmodulen der Ertrag umso höher ist, je niedriger die Zelltemperatur ist, benötigt die Solarthermie logischerweise hohe Temperaturen, um diese in einem Wasserspeicher zu sammeln. Ein Photovoltaikmodul verliert pro Grad Kelvin (Grad Celsius) Temperaturerhöhung ca. 0,4% bis 0,5% an Leistung. Ein Solarthermiemodul arbeitet aber mit sehr hohen Temperaturen. Gerade in der Mittagszeit, wenn die Photovoltaikanlage am meisten Strom produziert, sind die Wasserspeicher der Solarthermie bereits gefüllt.

Wohin mit der Wärme fragt man sich? Wenn das Ventil zum Wasserspeicher geschlossen wird, um eine Überhitzung zu vermeiden können im Modul Temperaturen bis zu 140 Grad Celsius entstehen. Wenn man bedenkt, dass die Nennleistung eines PV-Moduls bei 25° C ermittelt wird, würde das bedeuten, dass ein Modul mit einer Nennleistung von 200 WP nur noch 85 W tatsächliche Leistung bringen würde.

  • 140°C - 25°C = 115°C Temperaturdifferenz
  • 115°C x 0,5%/°C = 57,5% weniger Leistung
  • 200 Wp – 57,5% = 85 Wp.

Und das zur besten Einspeisezeit, nämlich mittags, da muss man schon schlucken.

Wohin also mit der Wärme?

Kommen wir zum nächsten Punkt: Eine Solarthermieanlage benötigt für einen 4-Personenhaushalt für die Warmwasser- und Heizungsunterstützung lediglich ca. 12 Quadratmeter. Eine Photovoltaikanlage in üblicher Größe nimmt aber eine sehr viel größere Dachfläche in Anspruch. Also auch hier muss man sich Gedanken über die Aufteilung machen. Die gesamte Dachfläche mit Hybridmodulen auszustatten macht wenig Sinn, da man die erzeugte Wärme gar nicht nutzen kann.

Der Clou ist also der, die entstehende Wärme entweder zu nutzen oder loszuwerden. Sollten Sie Besitzer eines großen Pools, einer Hotelanlage, eines Seniorenheimes oder einer Saunalandschaft sein, dann sind Hybridmodule für Sie optimal, da die Wärme sofort abgeführt und genutzt werden kann. Hier würden dann die Module während der Mittagszeit sogar bei Temperaturen von ca. 30°C gekühlt werden.

Alle, die nicht auf solche Einrichtungen zurückgreifen können, müssen sich Gedanken darüber machen, wie sie die überschüssige Wärme loswerden. Hier kommen verschiedene Strategien zum Einsatz:

  • PV-Module mit Wasserkühlung
    Hier liegt der Schwerpunkt eindeutig bei der Photovoltaik. Die Module sollen möglichst kühl gehalten werden, damit ihr Ertrag optimal ausfällt.
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  • Kühlsystem am Modul, das Wasser wird im Kreislauf gepumpt. Es sind große Wasserpufferbehälter notwendig, die etliche Kubikmeter fassen sollten. Um das Wasser mittels Umwälzpumpen zu bewegen, ist ein nicht zu unterschätzender Energieaufwand nötig. Da sich das Wasser immer noch erwärmt, kann man es in der Nacht weiter durch die Module pumpen und dadurch herunterkühlen. Alternativ ist es möglich, die Wärme über einen Wärmetauscher loszuwerden. Auch das kostet zusätzlich Energie. Eine weitere Möglichkeit ist es, die Wärme mit einem Rohrsystem in den Boden abzuleiten.
  •  
  • Kühlsystem mit Grund- bzw. Brunnenwasser
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  • Hybridmodule in Kombination mit einer Wärmepumpe
    Eine Wärmepumpe funktioniert umgekehrt wie ein Kühlschrank. Ein Kühlmedium wird unter Druck verdampft und dann wieder verflüssigt. Dabei wird die freiwerdende Wärmeenergie an einen separaten Wasserkreislauf abgegeben. Dadurch kann beispielsweise aus 30°C im Hybridkreislauf 60°C im Heizkreislauf generiert werden. Negativ wirkt sich wieder einmal der zusätzliche Energieaufwand, der für die Wärmepumpe benötigt wird aus.
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  • Speichern der Wärmeenergie in großen Erdspeichern
    Die überschüssige Wärme wird über eine Wärmepumpe in einen Erdspeicher geleitet und kann dann bei Bedarf zu einem späteren Zeitpunkt wieder für den Heizkreislauf verwendet werden. Das ist äußerst aufwendig und lohnt sich für den Normalbürger kaum.
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  • Hybridmodule mit vergleichsweise kleinen Wasserspeichern (einstellige Kubikmeter Wasservolumen)
    Bei dieser Technik liegt das Hauptaugenmerk auf der Solarthermie. Es stehen nur relativ kleine Speichermedien zur Verfügung. Warmwasser für den Hausgebrauch und die Heizungsunterstützung ist damit genügend vorhanden, die Temperaturen der Module erreichen aber ohne weiteres an sonnigen Tagen 60°C bis 80°C. Damit bringt der Photovoltaikanteil entsprechend geringe Leistungen.

Pro & Contra Hybridmodule

Wann kann Hybridtechnik zum Einsatz kommen und unter welchen Umständen sollte man besser Abstand nehmen?

Pro Hybridmodul:

  • Sehr hoher Warmwasserbedarf, dadurch Erhöhung des Gesamtwirkungsgrades
  • Sehr hohe Speicherkapazitäten vorhanden
  • Grund- oder Brunnenwasser vorhanden
  • Kühlung der Module ratsam (beispielsweise in südlichen Ländern mit extremen Sommertemperaturen, bei denen Module Schaden nehmen könnten)
  • Man möchte alles „aus einer Hand“
  • Ästhetische Gesichtspunkte. Geschlossene, einheitliche Dacheindeckung.
  • Zu wenig Platz auf dem Dach für zwei unterschiedliche Systeme

Contra Hybridmodul:

  • Geringer Warmwasserbedarf
  • Kein oder nur geringer Platz für Wasserspeicher
  • Erhöhter technischer Aufwand und damit erhöhtes Risiko eines Ausfalls sowohl der PV- wie auch der Solarthermieanlage
  • Trotz Hybridmodulen zwei Systeme auf dem Dach, da nicht soviel Solarthermie benötigt wird.
  • Hohe Investitionskosten

Hybridmodul-Hersteller

Persönliches Fazit

Für den normalen Einfamilienhausbesitzer kommen Hybridmodule eigentlich nur in Betracht, wenn ästhetische Gründe absolute Priorität besitzen. Wer den Wirkungsgrad seiner PV-Anlage optimieren möchte, für den wäre ein Kühlsystem interessant. Da hierfür aber große Wasserspeicher und eine aufwendige Systemtechnik erforderlich sind, muss man sich das sehr genau überlegen. Ich würde auf jeden Fall zu zwei separaten Systemen tendieren, da sie nur getrennt voneinander sämtliche Vorteile der jeweiligen Technik voll und ganz zur Geltung bringen können.

Solarthermie kann beispielsweise ohne große Nachteile an teilverschatteten Dachflächen eingesetzt werden, für Photovoltaikmodule bzw. Hybridmodule hätte dies große Ertragsverluste bei der PV-Einspeisung zur Folge. Einen weiteren großen Nachteil sehe ich in der aufwendigeren Technik. Die Photovoltaik ist unter anderem daher so erfolgreich, weil sie sehr störunanfällig ist.

Deshalb mein Eindruck: besser Photovoltaik und Solarthermie (zumindest für den Privatgebrauch) unabhängig voneinander planen mit dem jeweiligen Fachmann für strom- und wärmeerzeugende Anlagen.

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Dieser Artikel wurde erstellt von: Christian Märtel, Redakteur www.Photovoltaik-Web.de