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Photovoltaikwärme vs. Solarthermie – Kosten- und Flächenvergleich

Ein Vergleich bis ins Jahr 2015 zurück zeigt, wie sich die beiden Technologien entwickeln – und welche Technologie hier hinsichtlich Kosten aber auch bei der Fläche Vorteile bietet.

„Warum zuerst Strom und dann daraus Wärme erzeugen? Dafür gibt es doch Solarthermie.“ Diese Frage und die Reaktion darauf hörte Dr. Gerhard Rimpler vor fast zehn Jahren recht häufig. Mit der ungewöhnlichen Idee, mit Photovoltaikanlagen Warmwasser zu produzieren, hat sein Unternehmen my-PV damals jedoch nicht weniger als einen Paradigmenwechsel bei der solaren Wärmeerzeugung eingeleitet. Der Leitsatz „Kabel statt Rohre“ hat seither den Solarmarkt gehörig aufgemischt. Mit dem Produkt ELWA startete 2014 die „Revolution in der Solarthermie“!

Mit neunzig Prozent geringerem Kupferverbrauch als bei thermischen Solaranlagen und einer deutlichen Preisreduktion in den letzten Jahren, hat die Photovoltaikwärme der Solarthermie technisch und ökonomisch längst den Rang abgelaufen. Dabei sind das nur zwei der vielen Punkten, die für Photovoltaik sprechen. Hier ein erster Überblick.

Preisliche Unterschiede zwischen Solarthermie und Photovoltaik

Seit 2015 erstellen wir Preisvergleiche für Wärme durch Photovoltaik bzw. Solarthermie. Hierfür vergleichen wir stets ein aktuelles Photovoltaikmodul mit einem handelsüblichen Solarthermie-Flachkollektor.

Anhand der Grafik ist ersichtlich, wie die Preisentwicklung in den letzten Jahren war:

  • Der Preis für den Flachkollektor ist zwischen 2015 und 2020 praktisch unverändert. Grund dafür sind Rohstoffe wie Kupfer und Aluminium, die nach wie vor in großen Mengen bei der Herstellung verwendet werden.

  • Dagegen hat sich bis 2020 ein wahrer Preissturz bei der Photovoltaik ergeben, mit einer Preisreduktion von rund 65 Prozent pro Watt Peak der Module. Im Jahr 2022 hat sich dieser Trend leider gewandelt: Aufgrund der schwierigen politischen und wirtschaftlichen Lage sind die Preise sowohl für Sonnenkollektoren als auch für Photovoltaikmodule wieder angestiegen – beide Technologien nahezu im selben Ausmaß. Daneben sind leider auch die Kosten für Handwerker gestiegen, wenn man überhaupt welche mit freien Kapazitäten fand. Die Installationskosten (abgesehen vom Handwerker) und der Wartungsaufwand bei Verwendung von Photovoltaik bleiben – im Vergleich zur Solarthermie – jedoch verschwindend niedrig. Es entfallen Rohrleitungen, Pumpen, Ventile, Ausdehnungsgefäße und Frostschutzmittel.

  • Im Jahr 2023 setzten die Preise für Photovoltaik ihren ursprünglichen Trend aber glücklicherweise wieder fort – und das schneller als vor 2022, während sich der Preis für Solarthermie noch im Aufwärtstrend befindet. Die Kosten pro Watt Peak Photovoltaik haben somit schon wieder auf das Vorkriegsniveau zurückgefunden. Ausgehend von 2015 bedeutet das wieder eine Kostenreduktion von 65 Prozent – ausgelöst durch Preisverfall und Leistungssteigerung!

Ressourcenschonung bei Solarthermie vs. Photovoltaik

Im Vergleich zur Solarthermie bietet die Photovoltaik zur Warmwasserbereitung auch enormes Einsparungspotenzial bei den Ressourcen. Allein bei den Leitungen, die für die Energieübertragung vom Dach zum Warmwasserspeicher notwendig werden, bietet die Photovoltaikwärme Einsparungen von über 90 Prozent beim Verbrauch von Kupfer.

Unterschiede in der Arbeitsweise

Sowohl bei der Photovoltaik als auch bei der Solarthermie wird aus Sonneneinstrahlung Energie gewonnen. Es gibt jedoch einen klaren Unterschied: Photovoltaikanlagen produzieren Strom, Solarthermieanlagen produzieren Wärme. Bei der Photovoltaik werden für die Stromerzeugung Solarzellen, die in Modulen zusammengefasst sind, genutzt. Die Solarthermie hingegen nutzt zur Wärmeerzeugung Kollektoren.

Wissenswertes

Ein Rechenbeispiel hierfür: Zieht man ein standardmäßig 2,25 mm dünnes Elektrokabel (Durchmesser ohne Isolierung) heran und vergleicht das mit einem Kupferrohr mit 16 mm Innendurchmesser, dann ist die Querschnittsfläche beim Kabel bei 4 mm², beim Rohr bei 53 mm². Der Verbrauch von Kupfer für die Leitungen ist bei Photovoltaikwärme im direkten Vergleich somit um 93 % geringer als bei der Solarthermie.

Die Frage, die sich hier stellt, ist: Brauchen wir Strom oder Wärme – oder beides? Der bei der Photovoltaik entstehende Gleichstrom wird durch einen Wechselrichter in Wechselstrom umgewandelt. Dieser kann auf vielfältige Weise im Haushalt genutzt werden – auch zur Wärmegewinnung! Photovoltaikstrom wird dabei entweder sofort verbraucht, zu einem Batteriespeicher geleitet, ins Stromnetz eingespeist oder eben auch für die Aufbereitung von Wärme genutzt.

Diese vielfältige Nutzung der Wärme aus der Solarthermie ist nicht möglich. Energie aus Sonnenkollektoren kann nur für Wärmezwecke genutzt werden.

Unterschiede im Wirkungsgrad – und der damit verbundene Denkfehler

Sonnenkollektoren wandeln theoretisch maximal 80 Prozent der Sonnenenergie in Wärme um, jedoch geht einiges dieser Energie bei der anschließenden Zirkulation des erwärmten Wassers wieder verloren. Daher geht man bei der Solarthermie von einem effektiven Systemwirkungsgrad von etwa 50 Prozent aus. Kristalline Photovoltaikmodule wandeln etwa 20 Prozent der Sonnenenergie in Strom um, die Verluste sind hingegen minimal. Die 20 % werden daher gerne als Gesamtwirkungsgrad von Photovoltaikanlagen herangezogen. 

Wirklich relevant ist dieser reine Zahlenvergleich der Wirkungsgrade jedoch nicht. Zum einen ist die Energiequelle sowieso kostenlos, zum anderen haben wir auf unseren Dächern so gut wie immer ausreichend Fläche zur Verfügung, um den Unterschied leicht zu kompensieren!

Wie sieht der direkte Flächenvergleich aus?

Dennoch scheuen wir bei my-PV auch den direkten Flächenvergleich nicht. Wie sich bei gleichem Warmwasser-Deckungsgrad das Verhältnis der erforderlichen Photovoltaikmodulfläche zur Solarthermie-Kollektorfläche über die Jahre entwickelt hat, hat my-PV anhand einer dynamischen Vergleichssimulation mit der Software Polysun analysiert. Unsere Gleichstromlösung ELWA, ein autarker Heizstab für Wärme aus Photovoltaikstrom, wird dabei einem solarthermischen Flachkollektorsystem mit sechs Quadratmetern gegenübergestellt. Beide Technologien bringen die Solarenergie in einen 400 Liter Warmwasserboiler ein, die Warmwasserentnahme und die Nachheizung sind für die objektive Vergleichbarkeit absolut identisch im Simulationsprogramm abgebildet.

Um dabei den Trend der immer besser werdenden Modul-Wirkungsgrade darzustellen, wurden für die Betrachtungsjahre jeweils zeitgemäße Modultypen in der Simulation eingestellt. Während im Jahr 2015 der Standard noch bei einer Modulleistung von 250 Wp auf einer Fläche von 1,65 m² lag, liegt er im Jahr 2023 bereits bei 400 Wp auf einer Fläche von 1,92 m². Das entspricht 2023 umgerechnet einer Leistung von ca. 200 Wp pro Quadratmeter, während es 2015 gerade mal 150 Wp pro Quadratmeter waren.

Anstelle von acht Modulen mit insgesamt 13,2 m² Fläche im Jahr 2015, sind es 2023 also nur noch fünf Module mit 9,6 m² Gesamtfläche, die nötig sind, um den gleichen solaren Warmwasser-Deckungsgrad wie ein solarthermisches System mit 6 m² Flachkollektor zu gewährleisten.

Der Faktor des Flächenbedarfs ist der einzige noch verbliebene technische Vorteil, den die Solarthermie gegenüber der Photovoltaikwärme heute noch aufweist. Doch schon vor acht Jahren war dieses Argument nicht mehr von praktischer Relevanz, denn wer ein Eigenheim besitzt, der hat so gut wie immer mehr als genug Dachfläche zur Verfügung, um auch ein PV-Wärmesystem zu installieren.

Abgesehen von diesem Faktum ist die Liste der technischen Vorteile der solarelektrischen Wärmeerzeugung gegenüber der althergebrachten rohrgebundenen Technik lange. Auf der my-PV Webseite ist eine kurze Auflistung jederzeit einsehbar.

Neben der bemerkenswerten Lernkurve bei den Kosten und beim Flächenfaktor ist die Fülle an technischen Vorteilen der photovoltaischen Wärmeerzeugung bekanntermaßen groß. Aufwändige Rohrsysteme werden damit durch dünne Kabel ersetzt. Im Vergleich zur Solarthermie ist dadurch auch eine weitaus einfachere und nahezu verlustlose Energieübertragung möglich.

Wissenswertes

Für uns von my-PV steht fest: Photovoltaik ist vielseitiger, preisgünstiger und ressourcenschonender.

Dr. Gerhard Rimpler, Geschäftsführer von my-PV: „Durch meine langjährige Tätigkeit im Bereich der Solarthermie wurden mir früh die Grenzen und Nachteile dieser Technologie bewusst. Bis heute ist eine signifikante Kostenreduktion ausgeblieben. Im Gegensatz dazu ist Photovoltaik seit Jahren ein preiswertes Produkt für den Massenmarkt.“

Wie das andere gemacht haben?

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