Die Solarstrahlung, welche auf eine Photovoltaikzelle trifft, wird nur teilweise in elektrischen Strom umgewandelt, während ein grosser Anteil der einfallenden Solarenergie in Wärme umgewandelt wird. PhotoVoltaisch-Thermische (PVT) Solarkollektoren, manchmal auch „Hybridkollektoren“ genannt, ermöglichen die gezielte Abführung und damit die Nutzung dieser Wärme. PVT-Kollektoren erzeugen also Solarstrom und Solarwärme auf derselben Fläche und erreichen dadurch hohe flächenspezifische Solarerträge.

Es existieren verschiedene Bauarten von PVT-Kollektoren. Unterschieden wird insbesondere zwischen Kollektoren mit und ohne vorderseitiger transparenter Abdeckung zur Reduktion der Wärmeverluste (abgedeckt / nicht-abgedeckt). Weiter kann unterschieden werden zwischen Kollektoren, bei denen die Wärme mit einem flüssigen Wärmeträger abgeführt wird und solchen, bei denen Luft als Wärmeträger dient.

Die im Rahmen dieser Studie erstellte Marktübersicht ergab 53 Produkte, wovon der grosse Anteil (38) nicht-abgedeckte flüssiggekühlte PVT-Kollektoren sind. Die 5 Schweizer Hersteller produzieren ausschliesslich diese Art von PVT-Kollektoren. Abgedeckte Kollektoren sind aktuell am Markt wenig vertreten. Zunehmende Verbreitung finden nicht-abgedeckte Luft-PVT-Kollektoren.

In der Schweiz sind zurzeit rund 300 PVT-Anlagen in Betrieb, mit einer geschätzten Gesamtfläche von zirka 15‘000 m², wobei in diesen Anlagen fast ausschliesslich nicht-abgedeckte flüssiggekühlte Kollektoren eingesetzt werden. Aktuell werden in der Schweiz pro Jahr etwa 3‘000 m² PVTKollektorfläche installiert. Im Vergleich dazu werden jährlich ca. 100‘000 m² rein thermische Solarkollektoren und ca. 2‘200‘000 m² photovoltaische Module installiert.

Anwendung finden PVT-Kollektoren zum einen in den bekannten Einsatzbereichen der Solarthermie wie Brauchwarmwasser(vor)erwärmung (~30 % der Anlagen in CH) und Brauchwarmwassererwärmung mit Heizungsunterstützung (~15 % der Anlagen in CH). Nicht-abgedeckte flüssiggekühlte PVT-Kollektoren werden jedoch speziell auch in Wärmepumpensystemen eingesetzt, wo deren Niedertemperaturwärme vorwiegend auf der Quellenseite der Wärmepumpe genutzt wird. Insbesondere zu erwähnen ist dabei der Einsatz zur Regeneration von Erdwärmesonden (EWS) (~30 % der Anlagen in CH).

Sieben grössere PVT-Anlagen mit Kollektorflächen zwischen 50 m² und rund 3500 m² entstanden als Teil von oder im Zusammenhang mit Leuchtturm- bzw. Pilot- und Demonstrationsprojekten (P&D), welche durch das Bundesamt für Energie gefördert wurden. Untersucht wird bei diesen Anlagen insbesondere der Einsatz der Kollektoren zur Erdsondenregeneration, zur Vorwärmung von Grundwasser in Kombination mit Wärmepumpen oder der Einsatz in Kombination mit einem Anergienetz. Bei all diesen Projekten findet ein detailliertes Monitoring statt.

Die Grössenordnung der jährlichen Solarerträge nicht-abgedeckter PVT-Kollektoren (mit geringem Anstellwinkel ~10°) liegt im Schweizer Mittelland bei 160 kWh/(m²a) Stromertrag plus einem thermischen Ertrag von ~150 kWh/(m²a) (Brauchwarmwassererwärmung), ~250 kWh/(m²a) (Brauchwarmwasser- Vorerwärmung) und 300-400 kWh/(m²a) (Erdsondenregeneration oder Vorwärmung von Grundwasser). Bei Systemen zur Brauchwarmwasser-Vorerwärmung und Systemen zur Erdsondenregeneration kann aufgrund der Modulkühlung mit einem elektrischen Mehrertrag im Bereich von 5 % gegenüber reinen PV-Modulen gerechnet werden.

Von rund 600 angeschriebenen Solartechnik-Firmen haben gut 20 % an der Umfrage zum Thema PVT teilgenommen. Etwa 80 % davon haben bisher keine PVT-Anlagen realisiert, ca. 20 % waren bereits an der Realisierung einer oder mehrerer Anlagen beteiligt. Die meisten Firmen sind an PVT interessiert und der Technologie gegenüber grundsätzlich positiv eingestellt. Herausforderungen und Verbesserungspotenzial hinsichtlich einem vermehrten Einsatz von PVT sehen die Firmen insbesondere im Bereich der Wirtschaftlichkeit, beim Knowhow, bei der Bekanntheit von PVT sowie im Produktdesign.

Als Fazit werden folgende Punkte hervorgehoben:

- Ausgereifte Produkte im Bereich nicht-abgedeckter flüssiggekühlter PVT-Kollektoren sind vorhanden und können erfolgreich eingesetzt werden.

- Andere Kollektortypen wie abgedeckte PVT-Kollektoren oder Luft-PVT-Kollektoren sind noch wenig verbreitet und benötigen teilweise weitere technische Entwicklungen.

- Eine gut durchdachte Systemintegration und Steuerung ist insbesondere bei nichtabgedeckten Kollektoren unabdingbar damit die Kollektoren bei niedrigen Temperaturen und damit effizient betrieben werden können.

- Knowhow zum Einsatz von PVT-Kollektoren existiert, müsste aber noch besser verbreitet werden.

- Die Realisierung von PVT-Anlagen erfordert die Zusammenarbeit verschiedener Gewerke (PVSpezialisten, Solarthermie-Spezialisten, Dachdecker u.a.). Damit dies kein Hindernis bildet, sollten diese Kollaborationen gezielt gefördert werden.

- Gesetzliche Vorgaben für einen Mindestanteil an erneuerbaren Energien im Gebäudebereich bilden eine Chance für PVT.

RÉSUMÉ

Le rayonnement solaire reçu par une cellule photovoltaïque n’est que partiellement converti en électricité, le reste de l’énergie se transforme en chaleur. Les panneaux Photovoltaïques-Thermiques (PVT), appelés aussi « hybrides » ou « mixtes », permettent de capter cette chaleur en vue de son utilisation. Ces panneaux produisent à la fois du courant électrique solaire et de la chaleur solaire sur la même surface, ce qui permet des rendements au mètre carré élevés.

Il existe différents types de capteurs PVT. On distingue notamment les capteurs avec ou sans couverture transparente sur la face avant qui vise à réduire les pertes de chaleur (vitrés / non vitrés). De plus, une distinction est faite entre les systèmes utilisant un liquide et ceux utilisant l’air comme fluide caloporteur.

L’étude de marché effectuée dans le cadre de la présente étude a permis d’identifier 53 produits dont plus de la moitié (38) sont des capteurs PVT non vitrés refroidis par liquide. Les 5 fabricants suisses identifiés produisent exclusivement ce type de capteur. Les capteurs vitrés sont actuellement peu représentés sur le marché. Les capteurs PVT à air non vitrés ont en revanche le vent en poupe.

On compte à l’heure actuelle environ 300 installations PVT en exploitation en Suisse. Ces installations couvrent une surface globale de quelque 15 000 m², presque exclusivement avec des capteurs non vitrés refroidis par liquide. La superficie nouvellement installée chaque année avoisine les 3000 m² alors qu’elle est d’environ 100 000 m² pour les capteurs solaires purement thermiques et 2 200 000 m² pour les panneaux photovoltaïques.

Les capteurs PVT sont utilisés dans les principaux domaines d’application de l’énergie solaire thermique que sont le (pré)chauffage de l’eau sanitaire (environ 30% des installations suisses) et la production d’eau chaude sanitaire avec appoint de chauffage (environ 15 % des installations suisses). En outre, Les capteurs PVT non vitrés refroidis par liquide sont fréquemment utilisés dans les systèmes de pompes à chaleur, où la chaleur solaire à basse température est utilisée du côté source de la pompe à chaleur. En particulier, une forte proportion des installations concerne la régénération des sondes géothermiques (EWS) (environ 30 % des installations en Suisse).

Sept grandes installations PVT d’une surface de captage de 50 à 3500 m² environ ont été réalisées dans le cadre de projets phares ou de projet pilotes et de démonstration (P&D) soutenus par l’Office fédéral de l’énergie ou en relation avec ces projets. Ces installations ont notamment été examinées sous l’angle de l’utilisation des capteurs PVT pour la régénération de sondes géothermiques, le préchauffage des eaux souterraines en combinaison avec des pompes à chaleur ou l’utilisation en combinaison avec un réseau d’anergie. Tous ces projets ont fait l’objet d’un monitoring détaillé.

En Suisse, dans la région du Plateau, le rendement électrique annuel des capteurs PVT non vitrés (avec un faible angle d’inclinaison de 10°) est d’environ 160 kWh/(m²a) ; s’y ajoute un rendement thermique d’environ 150 kWh/(m²a) pour le chauffage de l’eau sanitaire, d’environ 250 kWh/(m²a) pour le préchauffage de l’eau sanitaire ou de 300 à 400 kWh/(m²a) pour la régénération de sondes géothermiques ou le préchauffage des eaux souterraines. Dans les systèmes de préchauffage de l’eau sanitaire et les systèmes de régénération des sondes géothermiques, on peut s’attendre à un rendement électrique supplémentaire de l’ordre de 5% par rapport aux modules purement photovoltaïques en raison du refroidissement du module.

Plus de 20% des quelques 600 entreprises de produits solaires sollicitées ont participé au sondage sur les capteurs PVT. Environ 80% d’entre elles n’avaient pas encore réalisé d’installation PVT alors qu’environ 20% avaient déjà participé à la réalisation d’une ou de plusieurs installations. La plupart des entreprises s’intéressent aux capteurs PVT et sont en principe favorables à cette technologie. De leur point de vue, c’est notamment dans les domaines de la rentabilité, du savoir-faire, de la notoriété de cette technologie et du design du produit que résident les défis et le potentiel d’amélioration pour accroître le recours à ce type de capteurs.

La présente étude souligne notamment les points suivants :

- On trouve sur le marché des produits aboutis dans le domaine des capteurs PVT non vitrés refroidis par liquide qui peuvent être utilisés avec succès.

- Les autres types de capteurs tels que les capteurs PVT vitrés ou à air sont peu répandus sur le marché et nécessitent encore, pour certains d’entre eux, des améliorations techniques.

- Concernant les capteurs non vitrés, il est indispensable d’accorder une attention particulière à l’intégration et au pilotage du système afin que les capteurs puissent être exploités à basse température ou ils présentent des hauts rendements.

- Le savoir-faire concernant l’utilisation des capteurs PVT existe, mais il doit être mieux diffusé.

- La réalisation d‘installations PVT nécessite la collaboration de divers corps de métier (spécialistes du photovoltaïque, spécialistes de l’énergie solaire thermique, couvreurs, etc.). Pour éviter que cette situation devienne un obstacle, il convient d’encourager la collaboration de manière ciblée.

- Les dispositions légales concernant la part minimale d’énergies renouvelables dans le domaine du bâtiment constituent un atout pour la technologie PVT.