Hinterlüftung von Photovoltaik-Modulen: Kamineffekt, Kühlung und Ertragsoptimierung

Ein weit verbreiteter Irrtum in der Photovoltaik besagt, dass Solarmodule bei brütender Sommerhitze am meisten Strom produzieren. Physikalisch betrachtet ist das Gegenteil der Fall: Die auf dem Datenblatt angegebene kWp Nennleistung wird unter idealisierten Laborbedingungen bei exakt 25 Grad Celsius Zelltemperatur gemessen. 

Da Photovoltaik auf Halbleiterprozessen basiert, sinkt die elektrische Spannung – und damit die Leistung der Module –, sobald die Temperatur ansteigt. Auf einem sonnenbeschienenen Dach können Solarmodule im Hochsommer schnell Temperaturen von 65 Grad Celsius und mehr erreichen. Um diesen thermischen Leistungsabfall zu bremsen, ist eine fachgerechte Hinterlüftung der Anlage von entscheidender technischer und wirtschaftlicher Bedeutung.

Um zu verstehen, warum die Hinterlüftung so wichtig ist, werfen wir einen kurzen Blick auf den Temperaturkoeffizienten. Dieser Wert gibt an, wie viel Prozent ihrer Leistung eine Solarzelle pro Grad Erwärmung über der Normtemperatur von 25 Grad Celsius verliert. 

Nehmen wir ein typisches Solarmodul mit einem Temperaturkoeffizienten von 0,4 Prozent Leistungsverlust pro Grad Celsius. Erhitzt sich dieses Modul im Sommer auf 65 Grad Celsius, liegt es 40 Grad über der Normtemperatur. Die Rechnung ist simpel: 40 Grad Differenz mal 0,4 Prozent Verlust ergeben einen Leistungsabfall von satten 16 Prozent. Ein 400-Watt-Modul verliert in diesem Moment allein durch die Hitze 64 Watt an Leistung. Eine gute Kühlung durch Hinterlüftung ist also bares Geld wert.

Die effektivste und gleichzeitig kostengünstigste Methode, um Solarmodule zu kühlen, ist die passive Konvektion – die sogenannte Hinterlüftung. 

Sie funktioniert nach dem Prinzip des Kamineffekts: Wenn die Sonne auf die Module scheint, erwärmt sich die Luft in dem schmalen Spalt zwischen der Dachhaut (den Ziegeln) und der Unterseite der Solarmodule. Da warme Luft physikalisch bedingt aufsteigt, zieht sie nach oben in Richtung des Dachfirsts ab. Durch diesen stetigen Sog wird automatisch kühlere Frischluft an der unteren Kante der Solaranlage (Richtung Traufe) nachgezogen. 

Dieser ständige, lautlose Luftstrom kühlt die Rückseite der Solarzellen kontinuierlich ab und hält die Betriebstemperatur auf einem moderaten Niveau.

Damit dieser Kamineffekt reibungslos funktioniert, muss das Montagesystem der Photovoltaikanlage richtig dimensioniert sein.

• Der Mindestabstand: Experten empfehlen, einen Abstand von mindestens 10 Zentimetern zwischen der Dachhaut und der Unterkante des Solarmoduls einzuhalten.
• Der Idealabstand: Noch bessere Kühlwerte werden bei einem Abstand von 15 Zentimetern erreicht.
• Zuluft und Abluft: Es ist zwingend erforderlich, dass der untere Rand der Modulfläche frei von Hindernissen bleibt, damit die kalte Luft ungestört einströmen kann. Auch am oberen Ende darf die warme Abluft nicht blockiert werden.

Um einen größeren Abstand zum Dach zu erreichen, werden oft höhenverstellbare Dachhaken oder Kreuzschienensysteme eingesetzt. Bei einem Kreuzschienensystem werden zwei Lagen von Montageschienen übereinander verbaut (eine vertikal, eine horizontal). Der Abstand zum Dach wächst dadurch deutlich.

Einen massiven Eingriff in die Hinterlüftung stellt die sogenannte Indach-Montage (gebäudeintegrierte Photovoltaik oder BIPV) dar. Hierbei werden die Solarmodule nicht über den Ziegeln montiert, sondern sie ersetzen die Dacheindeckung komplett und liegen bündig in der Dachfläche. 

Diese Bauweise besticht durch ihre herausragende und elegante Optik, bringt thermisch jedoch Nachteile mit sich:

• Fehlende Zirkulation: Da der freie Raum unter den Modulen fehlt, ist die konvektive Kühlung durch aufsteigende Luft stark eingeschränkt.
• Der Hitzestau: Im Sommer staut sich die Wärme unter den Modulen. Dies führt zu deutlich höheren Zelltemperaturen.
• Der Ertragsverlust: Verschiedene Messungen und Schätzungen (unter anderem von Automobil- und Energieverbänden) zeigen, dass Indach-Anlagen aufgrund dieser eingeschränkten Hinterlüftung im Jahresmittel etwa 3 bis 10 Prozent weniger Stromertrag liefern als klassische Aufdach-Anlagen.

Tipp für Bauherren: Wer sich aus ästhetischen Gründen für eine Indach-Anlage entscheidet, sollte zwingend auf Premium-Solarmodule mit einem extrem niedrigen Temperaturkoeffizienten setzen (beispielsweise moderne HJT-Zellen). Diese Zelltechnologien reagieren weitaus unempfindlicher auf den unweigerlichen Hitzestau.

Studien, unter anderem vom Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme (ISE), haben die Auswirkungen verschiedener Parameter in der Praxis tiefgehend untersucht. Die Leistungsunterschiede zwischen mangelhaft hinterlüfteten (oder direkt aufliegenden) Systemen und optimal hinterlüfteten Anlagen auf Schrägdächern bewegen sich in einem Bereich von bis zu 5 Prozent Mehrertrag pro Jahr. 

Bei einer Standard-Anlage für ein Einfamilienhaus mit 10.000 Kilowattstunden Jahresproduktion entspricht dies einem Unterschied von 500 Kilowattstunden – Strom, der über eine Betriebszeit von 25 bis 30 Jahren einen massiven finanziellen Unterschied macht. Eine solide Planung des Montagesystems ist daher eine Grundvoraussetzung für den wirtschaftlichen Erfolg.

Was bewirkt die Hinterlüftung bei PV-Anlagen? 
Die Hinterlüftung sorgt dafür, dass sich die Solarmodule bei starker Sonneneinstrahlung nicht übermäßig aufheizen. Durch den Zwischenraum zwischen Dach und Modul strömt kühle Luft nach oben (Kamineffekt), kühlt die Solarzellen passiv ab und verhindert so hohe thermische Leistungsverluste.

Wie groß sollte der Abstand zwischen Dach und Solarmodul sein? 
Für eine reibungslose Luftzirkulation wird ein Mindestabstand von 10 Zentimetern empfohlen. Ideal sind etwa 15 Zentimeter. Wichtig ist zudem, dass die untere Kante der Anlage nicht durch Laubfanggitter oder andere Aufbauten blockiert wird, damit die kalte Luft einströmen kann.

Ist eine Indach-Photovoltaikanlage wegen der fehlenden Hinterlüftung schlechter? 
Sie ist optisch ansprechender und eignet sich hervorragend für architektonisch anspruchsvolle Neubauten, ist aber thermisch benachteiligt. Da die Module bündig im Dach sitzen, entfällt der kühlende Luftstrom größtenteils. Der resultierende Hitzestau senkt den jährlichen Stromertrag im Vergleich zur Aufdach-Anlage erfahrungsgemäß um 3 bis 10 Prozent.

Was ist der Kamineffekt bei Solarmodulen? 
Das ist das physikalische Prinzip der natürlichen Kühlung. Die Sonne erhitzt die Luft unter den Modulen. Diese warme Luft wird leichter und steigt das schräge Dach hinauf. Dadurch entsteht ein Unterdruck (Sog), der an der unteren Kante des Dachs automatisch kalte Frischluft nachzieht und das System kühlt.