Photovoltaikmodule haben sich in den letzten Jahren dank fallender Preise und staatlicher Subventionen einer zunehmenden Beliebtheit erfreut. Inzwischen wird Photovoltaik nicht nur als Stromlieferant, sondern auch als ökologischer und kostengünstiger Wärmeversorger in Kombination mit Wärmepumpen gepriesen. Weniger rosig sieht die Entwicklung für Solarkollektoren aus, deren Preise mangels Förderung stagniert sind. Welche Zukunft steht der Solarthermie bevor?

In der Tat hat sich die Marktsituation für solarthermische Module in den letzten Jahren zusehends verschlechtert, wie die Markterhebung Sonnenenergie 2016 des Verbands Swissolar im Auftrag des Bundesamts für Energie (BFE) zeigt. Seit dem Rekordjahr 2012 ist die Gesamtfläche verkaufter Flachkollektoren demnach von rund 129'000 Quadratmeter auf gut 51'000 Quadratmeter zurückgegangen.

Mancher Architekt ist dennoch nach wie vor überzeugt, dass Solarthermie auch in Zukunft einen wichtigen Beitrag zur Energiewende im Gebäudebereich leisten kann. Einer von ihnen ist Beat Kämpfen. Er setzt in seinen Bauten oft Solarkollektoren ein, die freie Fassadenflächen zu Wärmeerzeugern machen. In seinen Entwürfen legt Kämpfen Wert darauf, dass die Kollektoren nicht nur als technische Anlagen wahrgenommen, sondern auch optisch ansprechend in Szene gesetzt werden. Dies hat der Zürcher Architekt zuletzt am Beispiel eines Mehrfamilienhauses in Zürich-Schwamendingen demonstriert. Solarkollektoren kleiden hier die Fassade ein und produzieren nicht nur Wärme für die Warmwasseraufbereitung, sondern unterstützen auch die Heizung im Winter. Die 180 Quadratmeter an Kollektorfläche sind über die Ost- West- und Südfassade verteilt, was ein gleichmässiges Ernten der Solarwärme über alle Jahreszeiten ermöglicht. Das energetisch miserable Haus aus dem Jahr 1970 wurde mit diesen bronzefarbenen Solarkollektoren und weiteren Massnahmen zum bilanzierten Nullenergiehaus umgebaut.

Obwohl die Wohnfläche um 90 Prozent vergrössert wurde, nahm der jährliche Energieverbrauch von 300'000 Kilowattstunden auf 90'000 Kilowattstunden ab.

Behaglichkeit und Denkmalschutz

Auch nach Ansicht von Adrian Kottmann von der Firma BE Netz AG kann die konsequente Umstellung auf erneuerbare Energien nicht ohne Solarwärme gelingen. Mit Photovoltaik liesse sich laut ihm nur ein Teil des Potenzials der Solarenergie nutzen. Kottmann verweist auf die Tatsache, dass Wärmepumpen nicht sehr effizient laufen, wenn man sie bei den hohen Temperaturen betreibt, die für die Warmwasseraufbereitung notwendig sind. Bei Temperaturen zwischen 20 und 30 Grad Celsius sei der Wirkungsgrad der Wärmepumpen gut, aber bei 55 Grad stosse eine typische Wärmepumpe an ihre Grenzen. Für die Solarkollektoren spreche also der Faktor Behaglichkeit: Das Warmwasser sei dann bei genügend hoher Temperatur garantiert.

Kottmann, selber ein Verfechter der Solarkollektor-Technik, macht kein Hehl daraus, dass diese bei den herrschenden Rahmenbedingungen zumindest in Einfamilienhäusern nicht wirtschaftlich ist. In Mehrfamilienhäusern könne die Wirtschaftlichkeit vielleicht in Einzelfällen gegeben sein. Aber mit der Wirtschaftlichkeit zu argumentieren, ist laut Kottmann die falsche Strategie. Vielmehr müssten Hersteller und Installateure mit der gleichen Überzeugung auftreten, die auch die Kunden an den Tag legen, die Solarkollektoren trotzdem bestellen. Solarkollektoren seien eine bewährte Technologie, die mit hoher Effizienz Solarenergie in Wärme umwandle, behagliche Wärme liefere und zum Beispiel aus der Sicht des Denkmalschutzes Vorteile gegenüber der Photovoltaik aufweise.

Gehört die Zukunft den Hybridkollektoren?

Angesichts der schwierigen Marktlage für reine solarthermische Anlagen, stellt sich die Frage, ob die Nutzung der Solarwärme nun langfristig zum Scheitern verurteilt ist. Jenseits der Überzeugung einzelner Architekten und Ingenieure, die immer noch an die Solarthermie glauben, tut sich auf der technischen Seite auch noch einiges. Hoffnung bietet etwa die Technologie der Hybridkollektoren, bei denen in einer einzigen Anlage sowohl Strom als auch Wärme gewonnen werden. Diese photovoltaisch-thermischen Anlagen (PVT) verfügen zurzeit noch über einen sehr bescheidenen Marktanteil in der Schweiz. Sie könnten in Zukunft aber zunehmende Marktpräsenz erlangen.

Die Studie Energiesysteme mit Photovoltaisch-Thermischen Solarkollektoren des Instituts für Solartechnik (SPF) der Hochschule für Technik Rapperswil (HSR) im Auftrag von EnergieSchweiz hat gezeigt, dass die Solarbranche der PVT-Technik weitgehend positiv gegenüber steht.

In manchen Anwendungen liefern die Hybridkollektoren bessere Ergebnisse als eine Kombination von Photovoltaik plus Solarkollektor in getrennten Anlagen. Die PVT-Kollektoren punkten dann, wenn es auf begrenzter Fläche gilt, Wärme auf niedrigem Temperaturniveau plus Strom – etwa für den Betrieb einer Wärmepumpe – zu gewinnen. Laut Daniel Zenhäusern vom SPF und Mitautor der erwähnten Studie hat PVT sicher dort einen Vorteil, wo die Dachflächen pro Person knapp sind, beispielsweise zur Vorerwärmung von Warmwasser in Mehrfamilienhäusern. In Systemen mit Wärmepumpen, die einen Bedarf an Regeneration von Erdsonden oder Eisspeichern aufweisen oder an direkter Quellwärme für die Wärmepumpe, liefere eine PVT-Anlage nicht nur Wärme, sondern sogar etwas mehr Strom als ein reines Photovoltaikmodul. «Gegenüber der Alternative (Photovoltaik plus Solarthermie nebeneinander) kann PVT auch einen ästhetischen Vorteil haben, da man damit die Dachfläche homogen gestalten kann», sagt Zenhäusern.
Zenhäusern erklärt, warum Hybridkollektoren bisher nur einen praktisch vernachlässigbaren Marktanteil aufweisen: «Der (Wärme-)Anwendungsbereich, für den aktuell am meisten PVT-Kollektoren eingesetzt werden, ist die Regeneration von Erdwärmesonden, was aktuell noch eine Nische ist, jedoch in Zukunft, insbesondere mit vermehrter Erdwärmenutzung in dicht besiedelten Gebieten zunehmend wichtig werden wird.»

PVT kein Ersatz für konventionelle Solarkollektoren

Dennoch hält es Zenhäusern für praktisch ausgeschlossen, dass PVT-Kollektoren eines Tages den reinen solarthermischen Kollektor überflüssig machen. Der Grund dafür liegt in den verschiedenen Temperaturbereichen und Wirkungsgraden, die von den beiden Technologien abgedeckt werden.

Es gibt nämlich zwei Typen von thermischen Kollektoren: die abgedeckten Kollektoren (mit einer konvektionshindernden Abdeckung), welche effizient Wärme im nutzbaren Temperaturbereich für beispielsweise Warmwasser und Heizungsunterstützung liefern können, wandeln beispielsweise bei einer Betriebstemperatur von 65 Grad Celsius noch 50 Prozent der einfallenden Solarstrahlung in nutzbare Wärme um und erreichen Maximaltemperaturen weit über 150 Grad Celsius. Die nicht-abgedeckten Kollektoren, können effizient Niedertemperaturwärme liefern (etwa für die Freibadbeheizung oder als Quellenwärme einer Wärmepumpe), erreichen jedoch keine hohen Temperaturen (sie haben eine Effizienz von 50 % bei Betriebstemperaturen um 40 Grad Celsius und erreichen Maximaltemperaturen im Bereich von 75 Grad Celsius).

«PVT-Kollektoren können auch in diese zwei Kategorien eingeteilt werden, wobei es am Markt aktuell praktisch nur Produkte des nicht-abgedeckten Typs gibt. Diese Produkte können also in den meisten Anwendungsbereichen keine abgedeckten thermischen Kollektoren ersetzen, welche aktuell über 90 % des Markts für thermische Kollektoren ausmachen», erklärt Zenhäusern.

In Zukunft könnten aber laut Zenhäusern auch gute abgedeckte PVT-Kollektoren verfügbar sein:

Wenn solche qualitativ hochwertigen und kosteneffizienten abgedeckten PVT-am Markt sind, dürften sie laut Zenhäusern die meisten Anwendungen von thermischen Kollektoren im Gebäudebereich übernehmen. Der thermische Wirkungsgrad von rein thermischen Kollektoren werde jedoch immer etwas höher liegen als derjenige von PVT-Kollektoren, da nicht ein Teil der Solarstrahlung in Strom umgewandelt werde und damit nicht für die Wärmeerzeugung zur Verfügung stehe. «In Anlagen wo auf einer gegebenen Fläche möglichst viel Wärme auf hohem Temperaturniveau, respektive möglichst hohe Temperaturen erreicht werden sollen, beispielsweise in  industriellen Prozesswärmeanwendungen, werden konventionelle Flachkollektoren oder Vakuumröhrenkollektoren weiterhin im Vorteil sein», ist Zenhäusern überzeugt.

Kosten von PVT-Anlagen

Aus der Studie des SPF ging laut Zenhäusern hervor, dass die Preise pro Quadratmeter PVT-Kollektor zwischen 210 und 650 Schweizer Franken liegen. Für ein Kollektorfeld, fertig montiert mit Systemgrenze Dachrand, liegen sie zwischen 400 und 2'000 Schweizer Franken pro Quadratmeter (CHF/m2). Bei Anlagen grösser als 50 Quadratmeter beginnt die Spanne bei 300 CHF/m2. «Die Preise sind also zum Teil schon jetzt ziemlich tief», sagt Zenhäusern. Die grosse Streuung habe einerseits mit unterschiedlichen Produktqualitäten zu tun, aber sicher auch damit, dass aktuell noch relativ wenige PVT-Anlagen gebaut werden und es sich deshalb oft um Sonderlösungen handle, was wiederum auch teilweise höhere Planungskosten verursachen dürfte. Mit einer stärkeren Verbreitung von PVT werde sich das ändern.

Zum Thema Kosten sagt Zenhäusern abschliessend: «Betrachtet man das ganze System, so hat beispielsweise die Studie RegenOpt, in welcher das SPF im Auftrag der Stadt Zürich verschiedene Varianten für die Erdsonden-Regeneration verglichen hat, gezeigt, dass die Kosten der Variante mit PVT im gleichen Bereich liegen wie die Kosten der anderen Varianten, z.B. mit Luft/Wasser-Wärmetauscher oder mit konventioneller Solarthermie.»

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