Die Gebäude verursachen in der Schweiz etwa die Hälfte des Energieverbrauches (ca. 40 % für Heizung, Warmwasser, Beleuchtung, Lüftung, usw. und ca. 10 % für Bauprozesse und Baumateria­lien) und etwa 40 % der CO₂-Emissionen.

Zur Erreichung der CO₂-Reduktionsziele und der Ziele der Energiestrategie 2050 des Bundes sind des­halb energetische Massnahmen am bestehenden (und neuen) Gebäudepark unumgänglich. Sinnvoll sind in diesem Zusammenhang sogenannte Plusenergiegebäude, welche in der Jahresbilanz mehr Energie aus erneuerbaren Quellen für Heizung, Warmwasser und Strom bereitstellen, als sie bzw. ihre Bewohner benötigen. Dabei steht die Nutzung der Sonnenenergie häufig im Vordergrund. Die zur Verfügung stehende Fläche auf und an den Gebäuden ist in der Regel beschränkt, sodass Kompromisse zwischen ther­mischer Nutzung und Stromerzeugung notwen­dig sind. Dies gilt insbesondere bei Mehrfamilien­häusern.

Zielkonflikte beim Einsatz von PVT-Modulen

Sogenannte Hybridmodule (PVT-Module) erzeugen auf derselben Fläche Strom und Wärme. Üblicherweise werden Standard-Photovoltaik-Elemente auf der Rückseite mit einem Wärmetauscher versehen, welcher durch ein Wasser-Kühlmittel-Gemisch (oder mit Luft) durchströmt wird. Bei der gleichzeitigen Nutzung von Strom und Wärme gilt es aber gewisse Herausforderungen zu meistern:

• Mit Solarkollektoren möchte man in der Regel Temperaturen von 60–70 °C für Warmwasser erzeugen, das heisst die Wärmetauscher auf der Rückseite der Photovoltaik-Module (PV-Module) sollten möglichst heiss werden. Der Wirkungsgrad von Si-basierten PV-Modulen nimmt aber mit zunehmender Temperatur ab, das heisst man möchte die PV-Module so kühl wie möglich betreiben.
• Der grösste Wärmebedarf besteht im Winter, wenn gleichzeitig die geringste solare Einstrah­lung herrscht. Umgekehrt ist im Sommer der Kühlbedarf für die PV-Module besonders hoch.

Um bei Wohngebäuden ein hoher solarer Deckungsgrad zu erreichen, ist die Speicherung der Wärme und die Kombination mit einer Wärmepumpe – zumindest zeitweise – unumgänglich. Die Wärme­spei­cherung kann im Erdreich (z.B. Regeneration von Erdwärmesonden) oder in sogenannten Kaltwasser­speichern im Gebäude erfolgen. Das Ziel ist in beiden Fällen, den Temperaturhub der Wärmepumpe zu verkleinern um dadurch eine höhere Jahresarbeitszahl zu erreichen. Stromeinsparungen bei der Wärme­pumpe im Bereich von 30 bis 60 % erscheinen durch den Einsatz von Hybridmodulen je nach Konzept möglich.

Systembetrachtung notwendig

Bei der Kombination von Hybridmodulen mit Wasserspeichern bestehen für die Dimensionierung und den Betrieb des Speichers sowie für die Steuerung der Gesamtanlage noch viele offene Fragen. Beispiele: Sollen die Hybridmodule im Sommer bei 65 °C betrieben werden, um das Warmwasser ohne Wärmepumpe zu erzeugen? Oder sollen die Module auf 25 °C gekühlt werden, damit der Stromertrag grösser wird? Genügt der durch die Kühlung erzielte Strom-Mehrertrag zum Betrieb der Wärmepumpe für das Warmwasser? Soll der Wasserspeicher im Sommer jeweils über Nacht aktiv ausgekühlt werden? Wie gut lässt sich die Umgebungswärme bei fehlendem Sonnenschein nutzen?

Diese und viele weitere Fragen rund um den sinnvollen Einsatz von Hybridmodulen können nur durch eine Betrachtung des Gesamtsystems gelöst werden.

Forschungsprojekt «Hybridmodule» an der ZHAW Wädenswil

Im Forschungs- und Entwicklungs-Projekt (F&E) «Hybridmodule» der Fachstelle Erneuerbare Energien werden in Zusammenarbeit mit der Abteilung Facility Management – ebenfalls an der ZHAW Wädenswil – die Gesamtsysteme und -konzepte zuerst mittels Simulationen opti­miert, danach Leucht­turmprojekte realisiert und diese wissenschaftlich begleitet. Zur Zeit befindet sich ein Teststand im Aufbau, um die Leistung der gängigsten PVT-Module unter realistischen Einsatzbedingungen testen zu können. Durch dieses F&E-Projekt im Departement Life Sciences sollen der Nutzen und die besten Einsatz­konzepte für PVT-Module erarbeitet und in der Praxis evaluiert werden.