PVT-Solarkraftwerk Lintharena-sgu: Strom und Wärme vom Dach

• Forschungsstelle: BFE
• Projektnummer: SI/501095

Kurzbeschreibung (Deutsch)

Hybrid- oder PVT-Module erzeugen auf derselben Fläche sowohl Strom als auch Wärme und erlauben deshalb pro Flächeneinheit mehr Energie zu ernten als reine PV-Module. Sie eignen sich insbesondere dann, wenn ein Wärmebedarf auch im Sommer besteht oder die Wärme gut saisonal gespeichert werden kann. Diese Idee wird seit über 30 Jahren verfolgt, konnte sich aber bisher auf dem Markt einerseits aus wirtschaftlichen, andererseits aus technischen Gründen nicht wirklich durchsetzen.

Publikationen / Ergebnisse (Deutsch)

Zugehörige Dokumente

• Fachartikel "Strom und Wärme von der Glarner Sonne" [PDF] 3'777 kB

Publikationen / Ergebnisse (Englisch)

Zugehörige Dokumente

• Article "Electricity and heat from the Glarner sun" [PDF] 3'766 kB

Schlussbericht (Deutsch)

Hybrid- oder PVT-Module sind Sonnenkollektoren, welche sowohl thermische als auch elektrische Energie gewinnen können. Dadurch sind sie in der Lage pro genutzter Fläche mehr Energie als herkömmliche PV-Module zu erzeugen. Bis heute werden PVT-Module hauptsächlich zur Regeneration von Erdsonden genutzt. In dem vorliegenden Projekt wird PVT in Verbindung mit einer Grundwasserwärmepumpe untersucht. Die thermische Energie der Kollektoren wärmt das Grundwasser vor, welches nachher in der Wärmepumpe verwendet wird. Dadurch erhöht sich die Jahresarbeitszahl (JAZ) der Wärmepumpe, wodurch sie weniger Strom benötigt. Gleichzeitig werden die PVT-Module durch die Zirkulation der Wärmeträgerflüssigkeit gekühlt, was den elektrischen Wirkungsgrad der Module und somit den Stromertrag erhöht. Um die Vorteile eines solchen Systems quantifizieren zu können, wurde im März 2015 ein PV- und PVTSystem mit einer installierten Leistung von 236 kWp auf dem Dach der linth-arena sgu in Näfels installiert. Die linth-arena sgu ist ein Sport- und Begegnungszentrum mit Schwimmbad, Fitnessräumen, Restaurant und Hotel. Der PVT-Anteil der Anlage beträgt ca. 20 % der für die Solaranlage genutzten Dachfläche (178 von 877 Modulen). Über die 2.5 Messjahre wurde jeweils ein elektrischer Mehrertrag der PVT-Module gegenüber den PVModulen von 5 % festgestellt. Zusätzlich ergaben sich durch das Vorwärmen des Grundwassers elektrische Einsparungen im Betrieb der Wärmepumpe, welche rund 3-Mal höher waren als der elektrische Mehrertrag. Diese Einsparungen entsprachen 17 % der Jahresproduktion einer vergleichbaren PV-Anlage. Insgesamt entsteht bei diesem Anlagenkonzept durch den Einsatz von PVT-Modulen somit ein elektrischer Mehrwert von rund 20 bis 25 % pro Jahr.  Mit Wärme aus dem Grundwasser können die PVT-Module im Winter schneefrei gehalten oder vom Schnee befreit werden. Die Schneebefreiung der Module hat sich für diese Anlage aufgrund der flachen Aufständerung und der tiefen Sonneneinstrahlung im Winter in Näfels aber als nicht sinnvoll erwiesen. Mit angepasster Aufständerung könnte die Schneebefreiung aber vor allem in alpinen Gebieten trotzdem lohnend sein. Das Pilot- und Demonstrationsprojekt wird im Dezember 2018 beendet, die Anlage wird mindestens bis zur umfassenden Sanierung der linth-arena sgu weiter in Betrieb sein. Das erprobte Konzept von PVTModulen in Verbindung mit Grundwasserwärmepumpen kann gut auf andere Gebäude übertragen werden. Da der Wärmeertrag der PVT-Module im Winter gering ist, eignen sich für dieses Konzept besonders Gebäude mit einem hohen Wärmebedarf im Sommer (Sportzentren, Spitäler, Hotels, usw.).

Zugehörige Dokumente

• PVT-Solarkraftwerk linth-arena sgu | Strom und Wärme vom Dach - Schlussbericht [PDF] 2'145 kB

Schlussbericht (Englisch)

Photovoltaic thermal hybrid solar collectors or PVTs are solar panels that produce thermal and electrical energy. Therefore, they are able to harvest more energy per unit area compared to conventional PV modules. Until today PVTs are predominantly used in conjunction with geothermal probes. In the present project the use of PVTs in conjunction with ground water heat pumps is assessed. The thermal energy produced by the PVTs is used to preheat the ground water for the heat pumps. This increases the seasonal performance factor (SPF) of the heat pumps - they consume less electrical energy. At the same time the ground water flow cools the PVTs and raises their electrical efficiency, which results in a higher electrical energy yield. To quantify the benefits, a PVT and PV system with an electric power rating of 236 kWp was installed on the roof of the linth-arena sgu in Näfels in March 2015. The linth-arena sgu is a building containing a sports centre with a swimming pool, fitness room, restaurant, hotel, etc. The PVT part of the system accounts for approx. 20 % of the roof area used for the solar system (178 out of 877 modules).  Over the 2.5 years in operation, the increase of the electrical energy yield for PVT compared to PV modules was measured to be 5 % per year. Additionally, the savings in electrical energy through the heat pumps due to preheating of the fluid were found to be three times higher than the increase in electrical yield. Compared to a PV system with a comparative size as the installed PVT system, the savings from preheating the ground water for the heating was 17 % of the total electricity production in the 12 analysed months. Together with the increased energy yield, the electrical benefits of a PVT system are about 20 to 25 % in this set up.  Clearing the snow from the modules by using the heat from the ground water is a possible way to increase the electricity production in winter. Due to the low rise in the current set-up and low solar radiation in winter in Näfels this proved to be ineffective for the specific installation. With an adjusted set-up, clearing the snow from modules might still be useful, especially in alpine regions.  The pilot and demonstration project ends in December 2018. The system will still be producing electricity and heat until the planned renovation in 2020. The tested system of PVT-panels in combination with ground water heat pumps can well be transferred to other buildings. Since the thermal energy yield in winter is low, especially buildings with high heat demands in summer are suited to adapt the concept (e.g. sport centres, hospitals and hotels).