Mit der Energie der Sonne kann geheizt oder Strom erzeugt werden. Dazu dienen die Kollektoren, die man von Hausdächern oder großen Solarparks auf Äckern kennt. Indes befassen sich Forscher am "Center for Applied Energy Research" (CAE) in Würzburg mit Alternativen, die viel mehr können als herkömmliche Anlagen.
Für alle, die ein Haus mit Solarnutzung haben oder planen, können diese Entwicklungen wichtig werden. Das zeigen diese drei Beispiele.
PVT-Kollektoren: Wärme, Kälte und Strom in einem
Sieht man einen Sonnenkollektor auf einem Hausdach, geht es entweder um Solarstrom oder um Solarthermie, also Erzeugung von Wärme für Heizung und Wasser. Das Center for Applied Energy Research (CAE, früher ZAE) in Würzburg arbeitet an einer Kombination aus beidem.
Das Stichwort: PVT - Kurzformel für Photovoltaik (PV) und Thermie (T). Solche Kollektoren sind seit wenigen Jahren auf dem Markt. Im CAE tüftelt man nun an einer Erweiterung: PVT soll mit Hilfe einer Wärmepumpe und eines Hochleistungsspeichers Räume im Haus nicht nur aufheizen, sondern im Sommer auch kühlen.
"Unter fünf Jahre" werde es dauern, bis diese Kollektoren und das Gesamtsystem marktreif sind, meint Hans-Peter Ebert vom CAE. Der geschäftsführende Vorstandsvorsitzende des Energieforschungsinstituts geht davon aus, dass PVT-Kollektoren ähnlich viel kosten werden wie in der Summe eine getrennte Lösung aus Solarstrom und Solarthermie.
Bei PVT-Kollektoren liegen Photovoltaik-Module auf den Modulen für Thermie. Der Effekt: Die Sonneneinstrahlung sorgt zunächst für Strom, dabei werden die Solarmodule warm. Über ein Blech dahinter werde diese Wärme an die Flüssigkeit des Thermie-Moduls abgegeben, erklärt Ebert.
Allerdings würden so nicht die hohen Temperaturen eines klassischen Solarthermie-Kollektors erreicht. Hier komme die Wärmepumpe ins Spiel: Sie erhöht die Temperatur, damit im Pufferspeicher genügend Wärme zum Heizen und fürs Warmwasser ist, erklärt der CAE-Leiter.
Der Pufferspeicher ist zweigeteilt – ein Bereich ist für die erzeugte Wärme, der andere fürs Kühlen. Die Wärmepumpe arbeitet in der Nacht oder bei wenig Sonne in die Gegenrichtung - als Kältepumpe: Sie sorgt dann nicht für Wärme, sondern kühlt das Speichermedium im anderen Teil des Pufferspeichers. Abkühlung auf Vorrat also. Die kühle Luft wird laut Ebert zum Beispiel über ein Gebläse in die Räume abgegeben.
BIPVslim: Dünne Solarmodule als Hausfassade
Eine Hauswand gerade mal so dick wie ein Aktenordner – und trotzdem top-gedämmt: Geht es nach den Forschern des CAE, kann die Außenhaut eines Gebäudes bald auch Solarstrom erzeugen. Die Kollektoren sind nicht an der Hauswand – sie sind die Hauswand.
BIPVslim heißt die Kombination aus Photovoltaik-Modul und Dämmung. Das englische Wort slim steht für schlank, die Abkürzung BIPV für Building-integrated photovoltaics, also ins Gebäude integrierte Solarstromelemente.
Zwischen den Photovoltaik-Modulen und der Dämmung liegt nach CAE-Angaben ein sogenannter Latentwärmespeicher aus Salzhydrat. Dieses Material schmilzt, wenn es sich stark erwärmt. Die Wärme nimmt es von den davorliegenden Photovoltaikmodulen auf und dämpft somit deren Belastung durch hohe Temperaturen.
Das sei wichtig, so CAE-Leiter Ebert, um die Module so effektiv wie möglich arbeiten zu lassen. Denn die Gesetze der Physik sagen: Je wärmer ein herkömmliches Modul für Solarstrom wird, desto geringer ist sein Wirkungsgrad.
Herkömmliche Wände sind mit Dämmung rund 50 Zentimeter dick. Gerade mal 6 Zentimeter sind es mit BIPVslim. Denn die Dämmung bestehe aus einer wenige Zentimeter dünnen Schicht aus Vakuum-Isolationspaneelen (VIP), so Ebert. Mit diesem hocheffizienten Material wurde das Würzburger Unternehmen va-Q-tec auf dem Weltmarkt groß.
Weil BIPVslim als Kombination aus Solarkollektor und Wanddämmung so dünn ist, stehe im Haus mehr Platz zur Verfügung, erklärt der CAE-Leiter. Dazu werden so die Vorgaben für ein Passivhaus erfüllt.
Das Institut testet derzeit die Fassadenelemente am eigenen Gebäude am Würzburger Hubland, gefördert vom Bundeswirtschaftsministerium. Das Projekt läuft bis Ende 2024. In spätestens fünf Jahren sei BIPVslim marktreif, rechnet Ebert. Offen sei, wie viel die Fassadenelemente kosten werden.
Das Potenzial der Hausfassaden für die Stromerzeugung sei groß, sagt Ebert. In Deutschland stünden dafür 3000 Quadratkilometer zur Verfügung. Das entspricht in der Summe der Fläche der Bundesländer Saarland und Bremen.
Most: Langzeitspeicherung von Solarwärme möglich
Wer schon jetzt mit Sonnenenergie heizt, kennt das: Kommt keine neue Wärme nach, dann kühlt das Wasser selbst in einem gut gedämmten Pufferspeicher nach überschaubarer Zeit ab. Das CAE arbeitet mit anderen Forschungseinrichtungen an Sonnenkollektoren, die dieses Manko beseitigen könnten.
Die Abkürzung: "Most" für Molecular Solar Thermal Energy Storage System. Frei übersetzt: eine Anlage, die Solarwärme für lange Zeit speichern kann. CAE-Leiter Ebert spricht gar von "einigen Jahren".
Während eine Most-Anlage Solarwärme auf herkömmlichem Weg in einen Pufferspeicher schickt, wird die UV-Strahlung der Sonne sozusagen abgezweigt. In einer speziellen Flüssigkeit ändert sie deren Molekülstruktur und speichert dadurch dauerhaft die Wärme aus den UV-Strahlen.
Die Flüssigkeit fließt laut Ebert mit minimaler Geschwindigkeit in einen eigenen Speicher. Später kann die gespeicherte Wärme durch einen thermochemischen Prozess wieder freigesetzt und im Haus genutzt werden.
Noch sei die Marktreife "ganz weit weg", sagt der CAE-Leiter. Der Wirkungsgrad liege erst bei schlappen drei Prozent. Ihn zu steigern, sei eine der aktuellen Herausforderungen.
Das CAE arbeitet dafür in einem bis Ende 2024 von der EU geförderten Forschungsvorhaben unter anderem mit dem Frauenhofer Institut ISE sowie mit Universitäten in Dänemark, Schweden und Spanien zusammen. Im Januar schickte das CAE einen Most-Prototypen an eine Uni in Barcelona, wo nun der Wirkungsgrad sowie die thermischen Be- und Entladevorgänge in der Spezialflüssigkeit im Echtbetrieb getestet werden.
Obwohl es wohl noch eine Weile dauern wird, bis erste Most-Kollektoren auf Hausdächern zu sehen sein werden, ist CAE-Leiter Ebert davon überzeugt. Denn grundsätzlich "ist es sehr schwierig, Wärme dauerhaft zu speichern". Mit Most könne sich das ändern.