1. Was genau ist nun ein Hybridkollektor?

Ein Hybridkollektor wird auch PVT-Kollektor(Photovoltaisch-thermischer Kollektor) genannt. Dieser ist ein spezielles Solarmodul, das sowohl thermische (Wärme-) als auch photovoltaische (Strom-) Energie umwandeln kann. Das ist ökologisch vorteilhaft, da es das Maximum an Energie aus der Sonnenstrahlung holt und den Ertrag der Solarzellen steigert.

Hybridkollektoren bestehen also aus:

1. Solarzellen, die das Licht auffangen
2. und zusätzlichen thermischen Absorberelementen

Wozu dienen diese Absorber?

1. Hinter diesen Absorberblechen zirkuliert entweder Luft (bei “abgedeckten” Kollektoren) oder ein Wasser- bzw. Flüssigkeitsgemisch (bei “unabgedeckten” Kollektoren). 
2. Die Wärmeenergie der Sonne erwärmt die Absorberbleche, welche die Wärme dann an die Luft bzw. Flüssigkeit abgeben.
3. Die Luft oder Flüssigkeit transportieren die Wärmeenergie dann an einen Verbraucher wie eine Lüftungsanlage, einen Pufferspeicher oder eine Wärmepumpe.

Es gibt hochwertige Hybridkollektoren mit einer zusätzlichen Ventilator-Kühlung einzelner Module , und die dabei erzeugte Warmluft weiter zu nutzen. 

Zwei Bauweisen von Kollektoren.

Es gibt zwei “Bauweisen” bzw. besser gesagt Zielrichtungen mit denen PVT-Kollektoren gebaut werden: 

1. stromorientierte = zugunsten der elektrischen Leistung optimiert
2. wärmeorientierte = zugunsten der thermischen Leistung optimiert

Der nicht abgedeckte (stromorientiert) PVT-Kollektor ist konstruktiv beschreibbar als ein PV-Modul mit einer Wärmeabnahme an der Rückseite, um den Wirkungsgrad der Solarzellen zu maximieren. Die Wärmeabführung wird unterschiedlich aufwändig bewerkstelligt, wobei diese Konstruktionen weniger komplex sind, aber auch höhere Wärmeverluste aufweisen als die wärmeorientierte Bauweise.

Der abgedeckte PVT-Kollektor erreicht eine höhere Wärmeausbeute, indem eine zusätzliche Glasscheibe die Wärme innerhalb des Kollektors staut. In dem so entstehenden Spalt zwischen Glas und dem eigentlichen Modul ist Luft, ein Gasgemisch oder ein Vakuum, um die Wärme wie in einem Treibhaus zu konzentrieren.

Diese beiden Hauptziele werden mit den folgenden drei wichtigsten Kollektor-Typen verwirklicht:

1. Nicht abgedeckte Wasser-Kollektoren (am meisten verkauft) = Der Absorber ist mit einer Flüssigkeit gefüllt
2. Abgedeckte Wasser-Kollektoren (am zweitmeisten verkauft) = eine zusätzliche Glasscheibe führt zu besserer thermischer Nutzung 
3. Vakuum PVT Kollektoren
4. Luft PVT Kollektoren
5. Konzentrierende Kollektoren, PVT Concentrator CPVT (über Spiegel wird Sonnenlicht konzentriert)

1.1. Welche Leistung hat ein Hybridkollektor?

Das hängt natürlich vom Hybridkollektor ab, welchen man kauft. Eine generelle Angabe ist nicht möglich, da sich die Kollektoren in der Technik der Zellen, Absorbermaterial usw. unterscheiden.

Wir nehmen hier mal als Beispiel einen modernen Solimpeks EXCELL PVT Hybridkollektor. Hier hat man folgende Daten:

• Abmessungen: 1,67m x 0,99m
• Gewicht: 38,4 kg (Das hohe Gewicht resultiert bei den meisten Hybridkollektoren aus einer zusätzlich vorhandenen Glasscheibe im Gegensatz zu normalen PV-Modulen).
• elektrische Leistung - Photovoltaik: 325 Watt-Peak (Wpel)
• thermische Leistung - Solarthermie: 724W /Wth)
• Absorber und Wärmetauscher: Kupfer

Um die jährlichen Erträge zu bestimmen, wird die jeweilige Leistung (W) mit den jährlichen Sonnenstunden (h/a) multipliziert. In Deutschland rechnet man bei optimalen Bedingungen mit ca. 850 Sonnenstunden pro Jahr. 

• Stromertrag pro Jahr = 276 kWh/a  (325 W * 850 Stunden/Jahr)
• Wärmeenergie-Ertrag pro Jahr = 615 kWh/a  (724 W * 850 Stunden/Jahr)

2. Wann sind Hybridkollektoren sinnvoll? 

Die folgende Grafik zeigt, welche Art Hybridkollektor bei welchen Anwendungen sinnvoll eingesetzt werden kann:

Möchte man neben seiner Photovoltaikanlage auch Solarwärme nutzen, reicht aber die vorhandene Dachfläche nicht für separate Solarthermie-Kollektoren, dann sind Hybridkollektoren prinzipiell die Lösung. 

Das ganze wird dann deutlich, wenn man z.B. eine kleine Dachfläche von nur 20m² zur Verfügung hat, dabei jedoch Photovoltaik und Solarthermie zugleich nutzen möchte. 

Die Flächenkonkurrenz bei geringer Dachfläche kann durch Hybridkollektoren also optimaler genutzt werden. Der Hybridkollektor kann auf dieser Dachfläche also beides (Wäre und Strom) erzeugen. Solar-Hybridkollektoren sind also nicht die Standardlösung. Wenn man sich nur die Kosten für Anschaffung und Instandhaltung ansieht, ist eine normale PV-Anlage oft (aber eben nicht immer) wirtschaftlicher.

Info: Der größte Vorteil von Solar-Hybridkollektoren im Vergleich zu PV-Anlagen und Solarthermie ist, dass sie bei einem geringen Platzbedarf sowohl Strom als auch Wärme erzeugen - 70 bis 80 Prozent der Sonnenenergie werden damit genutzt. 

Bei großem Wärmebedarf

Hybridkollektoren werden bereits erfolgreich in Schwimmbädern, Kliniken und Hotelanlagen eingesetzt, indem das Modul rückseitig per Luftabsorber gekühlt wird und diese Luftwärme zur Reduktion des Energiebedarfs von Lüftungsanlagen eingesetzt wird. Speziell PVT Concentrator-Kollektoren können aufgrund ihrer hohen Wärmeausbeute auch Prozesswärme für Industrie- und Gewerbebetriebe bereitstellen.

Thermie-Kollektoren zur Unterstützung der Wärmepumpe

Die klassische Solarthermie zielt darauf ab, warmes Wasser für den Brauchwasserverbrauch zu erzeugen. Diese Strategie ist oft nicht zielführend und nicht wirtschaftlich, da hohe Stagnationstemperaturen schädlich für Materialien, Wärmeträger und Dichtungen sind. 

Anders ausgedrückt: In Privathaushalten der Wärmebedarf im Sommer schließlich recht gering. Wenn man ausschließlich einen Pufferspeicher als Wärmespeicher nutzt, kann die Wärme an sonnenreichen Tagen nicht ausreichend abgeführt werden und der Wirkungsgrad der Solarzellen sinkt. 

Um die Wärmeenergie der Hybridkollektoren effektiv nutzen zu können, werden in Privathaushalten daher häufig Sole- oder Luft-Wasser-Wärmepumpen in Verbindung mit den Photovoltaik-Thermie-Kollektoren eingesetzt. Man konzentriert sich sozusagen in Richtung Winterbilanz und die Einsatzstrategie für die Heizperiode - also auf die Quellenseite der Wärmepumpe, um Jahreserträge von 450 bis 750 kWh/m2 zu erreichen. Zu der Kombination mit Wärmepumpen gibts es unten im Artikel weitere Infos.

Hybrid-Kollektoren zur Optimierung der Solarzellen

Obwohl die Kühlung der PV-Module nicht der Hauptgrund für den Einsatz von PVT ist, kann sie den elektrischen Ertrag maximieren und die Lebensdauer der Module erhöhen. Photovoltaikmodule verlieren bekanntermaßen deutlich an Leistung, wenn die Temperaturen steigen. Mit jedem Grad mehr sinkt die Modulleistung um ca. 0,4% gegenüber der für das Modul angegebene Normaltemperatur von 25°C. Steigt die Temperatur eines PV-Moduls also 70° (was im Sommer passieren kann) sinkt die Leistung um:

• 45° (Temperaturdifferenz) * 0,4% = 18% Leistungsverlust

Da Hybridkollektoren die Wärme abtransportieren, wird dieser Leistungsverlust drastisch reduziert, was die Effizienz der Kollektoren begründet.

Vorteile und Nachteile PV, Solarthermie & Hybridkollektoren:

3. Wie teuer sind Hybrid-Kollektoren

Die Preise variieren je nach Kollektor-Bauweise und möglichen thermischen und elektrischen Erträgen. Eine allgemeine Aussage ist daher nicht möglich. Wenn man im Internet sucht, findet man oft Preise von 600-1000€ pro Hybridkollektor. Wir möchten hier ein Beispiel nennen, an dem man zumindest orientieren kann:

• Solimpeks Excell Hybridkollektor 1,66m²
• elektrische Leistung: 325 Wp
• thermische Leistung: 724 Wp
• Absorber & Wärmetauscher: Kupfer
• Preis: 660,00 € (Stand 02/2023)

Wie schlägt sich der Preis im Vergleich zu einzelnen PV- und Solarthermie-Modulen?

Wenn man genug Dachfläche hat, um zwei Anlagen zu errichten, müsste man diese einzelnen Module zum Vergleich heranziehen:

• Ein einzelnes PV-Modul mit 325 Wp erhält man bereits für ca.150€.
• Dazu kommt der Solarthermiekollektor, um eine zum Hybridkollektor vergleichbare thermische Leistung zu erzeugen. Der Einfachheit halber rechnen wir mit der halben benötigten Kollektorfläche (1,66m² / 2 = 0,83m²). Bei dem Flachkollektor STI FINO 100 Al-Cu wären das umgerechnet ca. 300€. 
• Zu diesen 450€ kommt dann noch etwas mehr Befestigungsmaterial, da ja zwei Anlagen errichtet werden. 

Man sieht also, dass ein System mit Hybridkollektoren etwas teurer sein wird und sich speziell dann lohnt, wenn wie erwähnt zu wenig Dachfläche für zwei Anlagen zur Verfügung steht oder man die Energieausbeute pro m² Dachfläche optimieren möchte .

Um eine korrekte Preisplanung zu erhalten werden vom Fachplaner folgende Schritte durchgeführt:

1. Verbrauch des Gebäudes ermitteln (elektrisch & thermisch)
2. Die nutzbaren Flächen bestimmen.
3. Die Kombination mit Speichern berechnen (thermisch und elektrisch).

Wichtig: Wählen Sie also unbedingt einen Anbieter, der solch ein technisch aufeinander abgestimmtes und praxisbewährtes System anbietet. 

35-40% der benötigten Energie können in der Regel problemlos erzeugt werden. Hybridkollektoren benötigen dabei etwas mehr Gesamtplanung, da thermische Lasten, Stromverbrauch und die Speicher auf das Verbrauchsprofil angepasst werden müssen.

4. Welche Förderungen gibt es 2023?

Es gibt folgende Fördermöglichkeiten für den Neu- oder Bestandsbau:

• PVT-Kollektoren werden zusammen mit einer Sole-Wasser-Wärmepumpe im Bestandsbau gefördert (BAFA BEG EM)
• Dort heißt es unter anderem:
  “Die förderfähigen Kosten für energetische Sanierungsmaßnahmen von Wohngebäuden sind gedeckelt auf 60.000 Euro pro Wohneinheit und Kalenderjahr, insgesamt auf maximal 600.000 Euro pro Gebäude”
• “Die aufgeführten Anlagen zur Wärmeerzeugung werden mit folgendem Fördersatz gefördert:
  Solarkollektoranlagen mit 25 % …
  Wärmepumpen mit 25 %  …
  Es wird ein Bonus von 5 %-Punkten für Wärmepumpen gewährt, wenn ein natürliches Kältemittel eingesetzt wird (nicht kumulierbar mit Bonus für Wärmequellen)”
• Wenn Sie eine mindestens 20 Jahre alte  Ölheizung oder Gasheizung ersetzen, sind sogar 10% zusätzliche Förderung möglich.
• Der Neubau eines Effizienzhauses mit PVT-Kollektor und Wärmepumpe wird gefördert (KfW-Kredit 261).
• Die Kombination aus Hybrid-Kollektoren und Wärmepumpe ist teurer als autarke Erd-Wärmepumpen, deckt aber sowohl Wärme- als auch Strombedarf und reduziert langfristig Stromkosten.
• Eine beheizte Fläche von etwa 180 m² benötigt mindestens 10 PVT-Kollektoren.
• Die Investitionskosten für eine solche Anlage belaufen sich auf etwa 50.000 € (inkl. Wärmepumpe, Zubehör und Montage).

5. Hybridkollektoren und Wärmepumpen kombinieren

Hybridkollektoren sind besonders in Kombination mit Wärmepumpen besonders effizient. Die Kombination von Hybridkollektoren und Wärmepumpen ermöglicht bei richtiger Planung die vollständige Wärmeversorgung eines Haushalts. Hier erhalten Sie eine Übersicht, wie diese beiden Systeme sinnvoll miteinander kombiniert werden. Übrigens können Eisspeichersysteme zur Steigerung der Autarkie und zur zusätzlichen Klimatisierung im Sommer eingesetzt werden.

5.1. Kombination mit Sole-Wasser-Wärmepumpen

Die Kombination mit Sole-Wasser-Wärmepumpen funktioniert folgendermaßen:

• Die entstehende Umgebungstemperatur von ca. 60° an den Modulen eignet sich ideal für den Einsatz einer Sole-Wasser-Wärmepumpe.
• Die Trägerflüssigkeit führt Wärme ab und erhöht gleichzeitig den Wirkungsgrad des PV-Moduls, da dies gekühlt wird.
• Die erwärmte Trägerflüssigkeit wird über die Sole-Wärmepumpe zur Heizungsunterstützung oder Warmwasserbereitung eingesetzt.
• Die benötigte Elektroenergie kann teilweise mit Solarstrom erzeugt werden.
• Außerdem kann das Erdreich thermisch regeneriert werden, um den optimierten Betrieb der Sole-Wärmepumpe auf Dauer zu gewährleisten. Siehe: https://ihre-waermepumpe.de/Grundlagen-und-Technik/erdwaerme-wird-der-boden-zu-kalt.html 

5.2. Kombination mit Luft-Wasser-Wärmepumpen

Im Sommer arbeiten diese Systeme wie jede Solarthermieanlage - wichtig ist, wie die Hybridkollektoren im Winter die Luft-Wasser-Wärmepumpe unterstützen:

• Die Luft-Hybridkollektoren gewinnen im Winter Energie aus der Außenluft und leiten sie an die Luft-Wasser-Wärmepumpe weiter.
• Diese hat also eine zusätzliche Wärmequelle zur Verfügung.
• Der Stromverbrauch der Wärmepumpe kann so reduziert werden, da diese Temperaturen deutlich höher sind als die der normalen Außenluft.
• Bei entsprechender Auslegung der Luft-Hybridkollektoren kann auf weitere Luft-Wärmetauscher verzichtet werden.
• Weitere PV-Module auf dem Dach sind erforderlich, um den Strombedarf der Wärmepumpe vollständig zu decken.

6. Hersteller für Hybridkollektoren

Einige bekannte Hersteller von Hybridkollektoren sind:

• Solimpeks Solarenergie
• Nibe
• Vissolar
• Consolar
• Dachziegelwerke Nelskamp
• Meyer Burger
• res energie
• Solar one

Weitereführende Links:

• https://task60.iea-shc.org/Data/Sites/1/publications/IEA-SHC-Task60-B1-Status-Quo-Report-PVT-Characterization.pdf
• https://task60.iea-shc.org/publications
• https://www.duesseldorf.de/fileadmin/Amt19/saga/pdf/Stellschrauben-Vortraege/Fischer_-_PVT_Kollektoren_Waermepumpen_compressed.pdf