Neuartige Wärme-Kopplung in gebäudeintegrierten Photovoltaik-Modulen

Obwohl sie ein großes Potenzial haben, einen wesentlichen Beitrag zur weltweiten Energieherausforderung zu leisten, sind BIPV wegen ihrer geringen Effizienz, hohen Kosten und ineffizienten Wärmeabfuhr problematisch. Das EU-finanzierte Ausbildungsprojekt BIPV-PCM-COGEN (A novel BIPV-PCM heat and power cogeneration system for buildings) entwickelte Technologie auf der Grundlage eines Schlamms aus Phasenwechselmaterial (phase-change material, PCM), das diese Hindernisse für eine breiten Aufnahme überwindet.

Der Schlamm ist eine Mischung aus mikroverkapselten PCM-Teilchen und Wasser. Seine optimale Formulierung wurde durch eine Kombination von experimentellen Arbeiten und Computermodellierung, für die spezielle Software entwickelt wurde, bestimmt. Die Aufschlämmung transportiert Wärme von der Rückseite der PV-Module, um ihre Effizienz zu erhöhen. Spezielle Wärmetauscher übertragen Wärmeenergie aus dem PCM-Schlamm auf ein Kältemittel, das für die Belüftung des Gebäudes genutzte wird und liefert Wärme und Warmwasser für den häuslichen Gebrauch. Ein Überhang wird gespeichert und auf Abruf in das System zurückgeführt.

In Laborversuchen des Prototyps wies das Schlammmodell eine Solareffizienz von 83,8% auf. Der elektrische und thermische Wirkungsgrad des Moduls und der Systemkoeffizient für die Leistung steigen mit zunehmender Turbulenz des Schlammflusses an. Es überrascht nicht, dass das BIPV-PCM-COGEN System mehr Energie in Südeuropa als in Nordeuropa produziert. Das geht in erster Linie auf höhere Sonneneinstrahlung und Temperaturen zurück.

Eine Studie der jeweiligen Amortisationszeit von einem BIPV-System, einem BIPV und Wasser-System, und das BIPV-PCM Aufschlämmungssystem hob die wirtschaftliche Überlegenheit der Schlammsystems hervor. In nördlichen Klimazonen lagen die Lebenszykluskosten des PCM-Aufschlämmungssystems bei nicht einmal 10% eines herkömmlichen BIPV-Systems. In Südeuropa war das BIPV-Wasser-System am besten, aber die Unterschiede waren kleiner.

Schließlich hat in den beiden Klimazonen das Schlamm-System das größte Potenzial aller untersuchten BIPV-Systeme zur Emissionssenkung gegenüber herkömmlichen Kraft-Wärme-Kopplungssystemen (KWK). In den südlichen Klimazonen, kann es Emissionen um fast 95% senken, während in nördlichen Klimazonen die Zahl bei etwa 40% liegt.

Das auf Schlamm basierende BIVP und integrierte CHP-System von BIPV-PCM-COGEN PC bietet eine hochleistungsfähige, kostengünstige Verbesserung zu herkömmlichen BIPV-Systeme. Die nahtlose Integration in Gebäudefassaden und Dächer in Europa könnte schon bald einen wichtigen Beitrag zur EU-Energielandschaft leisten.