Photovoltaik-Fenster heizen seit zwei Jahren Wasser in einer Wohnung in Bukarest.

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In Bukarest wird ein zweijähriges Mietshaus-Pilotprojekt durchgeführt, bei dem halbtransparente photovoltaische Fenster genutzt werden, um Warmwasser direkt in Gleichstrom zu erhitzen. Dadurch wird ein gewöhnlicher Wassertank ohne Solarwechselrichter oder Batterie zu einem Wärmespeicher.

Von Adrian Băisan, PhotoVoltaic Windows SRL

Für Menschen, die in Wohngebäuden leben, ist der Einsatz von Solarenergie nicht so einfach wie für Hausbesitzer, die Zugang zu ihrem eigenen Dach haben.

Millionen von Mieter:innen verfügen über kein eigenes nutzbares Dach. In vielen Fällen sind die einzigen direkt verfügbaren Flächen Balkone, Geländer und Fenster.

Photovoltaiksysteme mit Balkon-Steckdose haben sich zu einer wichtigen Lösung für dieses Problem entwickelt. Doch sie stellen auch eine weitere Frage: Was geschieht mit dem Solarenergiestrom, wenn er zu einer Zeit erzeugt wird, in der die Wohnung ihn nicht benötigt?

Schon seit über zwei Jahren testen wir einen anderen Ansatz in einer echten Wohnung in Bukarest, Rumänien.

Anstelle des Einleitens des Photovoltaikstroms in die Elektroanlage der Wohnung versorgen halbtransparente photovoltaische Fenster direkt einen gewöhnlichen elektrischen Wasserspeicher mit Gleichstrom.

Die Idee ist einfach: Den Wasserspeicher selbst als Energiespeicher nutzen.

Der während mehrerer Stunden am Tag erzeugte Solarenergiestrom wird direkt in Wärme umgewandelt und als Warmwasser für spätere Nutzung gespeichert.

Zwischen der photovoltaischen Verglasung und dem Heizelement gibt es weder eine Photovoltaikbatterie noch einen Solarinverter. Die PV-Seite arbeitet außerhalb des Stromnetzes und speist keinen Strom in das öffentliche Netz ein.

Wenn die Solarenergie unzureichend ist, schaltet der Steuergerät nach Sonnenuntergang denselben Warmwasserspeicher auf das normale Wechselstromnetz um, damit er den vom Thermostat eingestellten Wert erreichen kann.

Zwei Jahre echter Haushaltsbetrieb

Das System ist in einem nach Süden ausgerichteten verglasten Balkon in Bukarest installiert.

Die photovoltaische Verglasung weist eine nominelle installierte Leistung von etwa 845 Wp auf und versorgt ein Haushalt mit vier Personen mit Warmwasser, wobei das Warmwasser täglich verbraucht wird – einschließlich eines Duschens pro Person pro Tag.

In früheren Projektunterlagen wurde auf der Grundlage des Herstellerdatensheets von 2021, das bei der Bestellung der Verglasung im Jahr 2022 vorlag, eine nominelle Leistung von 683 Wp angegeben. Der Hersteller hat seitdem bestätigt, dass die gelieferte Verglasung neueren, leistungsstärkeren Modellen entspricht. Eine Neuberechnung derselben Konfiguration mit 11 Fenstern unter Verwendung des aktuellen Datensheets ergibt etwa 845 Wp. Diese Korrektur ändert die nominelle STC-Wertung, beeinflusst jedoch weder die gemessene Energiemenge, die dem Warmwasserspeicher zugeführt wird, noch die unten angegebenen Messwerte bezüglich der Warmwasserversorgung.

Wir haben das System über zwei aufeinanderfolgende Perioden von Oktober bis September überwacht.

Zwischen 2023 und 2024 lieferten die photovoltaischen Fenster 446 kWh an den Warmwasserspeicher und deckten damit 46,7 % des Energiebedarfs für Warmwasser im Haushalt ab.

Zwischen 2024 und 2025 lieferten sie 462 kWh und deckten damit 43,7 % des Energiebedarfs für Warmwasser ab.

In beiden Perioden war die Familie etwa einen Monat lang nicht zu Hause, wodurch jede Messperiode von Oktober bis September tatsächlich etwa 11 Monate an tatsächlichem Haushaltsverbrauch repräsentiert.

Diese Ergebnisse sind wichtig, denn das Ziel des Systems ist nicht die maximale sofortige photovoltaische Leistung. Das Ziel besteht vielmehr darin, so viel wie möglich der verfügbaren Solarenergie im Apartment zu nutzen.

Auch die korrigierte Nennleistung der Photovoltaikanlage beeinflusst nicht die separat durchgeführten Analysen zur Wassereinsparung und Kühlung weiter in diesem Artikel: Die Wasserkalkulation basiert auf gemessener Durchflussmenge und Wartezeit, während das Kühlmodell auf der Verglasungsfläche sowie den Eigenschaften des solaren Wärmegewinns beruht und nicht auf der elektrischen Nennleistung der Photovoltaikanlage.

Das Problem des Eigenverbrauchs von Balkon-Solaranlagen

Das Umweltbundesamt in Deutschland, kurz UBA – die deutsche Umweltbehörde und zentrale Umweltautorität des Landes – bietet einen interessanten Vergleichspunkt.

Für ein südlich ausgerichtetes, vertikal montiertes 800-Watt-Balkon-Photovoltaiksystem schätzt das UBA eine jährliche Erzeugung von etwa 532 kWh. Es geht außerdem davon aus, dass ohne Akku rund 240 kWh pro Jahr – etwa 45 % – direkt in der Wohnung verbraucht werden können.

Der Grund dafür ist leicht zu verstehen.

Ein herkömmliches Plug-in-Fotovoltaiksystem versorgt die elektrischen Lasten, die genau in dem Moment aktiv sind, in dem die Sonne Strom erzeugt.

Falls das Fotovoltaiksystem 500 W erzeugt, während die Wohnung nur 150 W verbraucht, kann das Haushaltsgesamt nicht gleichzeitig alle 500 W verbrauchen, es sei denn, eine weitere Last wird aktiviert, Energie gespeichert oder der Überschuss exportiert.

Unser Ansatz ändert diese Beziehung.

Anstatt zu versuchen, die Solarenergie der sofortigen elektrischen Nachfrage der Wohnung anzupassen, verbinden wir sie mit einer Last, die Energie im Laufe der Zeit aufnehmen kann.

Ein Warmwasserspeicher ist im Grunde eine thermische Batterie.

Er kann über mehrere Stunden hinweg 100 W, 300 W oder 500 W aufnehmen, diese Energie als Wärme speichern und später am Tag warmes Wasser bereitstellen.

Dies ermöglicht es, die Solarenergieerzeugung und den tatsächlichen Gebrauch zu unterschiedlichen Zeiten ohne elektrochemische Batterien durchzuführen.

Warum photovoltaische Fenster elektrisch von herkömmlichen Balkonpaneelen unterscheiden

Es gibt noch einen weiteren wichtigen Aspekt des Konzepts, der leicht übersehen wird.

Das System funktioniert besonders gut – nicht einfach deshalb, weil die Photovoltaikanlagen mit einem Warmwassererhitzer verbunden sind, sondern weil photovoltaische Verglasungen eine viel bessere elektrische Passform für die direkte Gleichstrom-Warmwassererzeugung bieten als herkömmliche ein- oder zweipanelige Balkon-PV-Systeme.

Ein elektrischer Warmwassererhitzer verfügt über einen festen Widerstandsheizelement.

Nehmen wir als Beispiel einen Standard-Warmwassererhitzer mit 3 kW und 230 V. Dasselbe elektrische Prinzip gilt auch für Warmwassererhitzer mit anderen Leistungsangaben; der Wert von 3 kW dient hier nur als klarer Vergleichsbeispiel.

Falls photovoltaische Module direkt an diesen Heizwiderstand angeschlossen werden, ohne Wechselrichter oder aktiven DC/DC-MPPT-Wandler, hängt der Betriebspunkt von dem Verhältnis zwischen der Spannung des PV-Arrays und dem Widerstand des Heizelements ab.

Das bedeutet, dass die auf dem photovoltaischen Modul angegebene Leistung nicht automatisch die Leistung ist, die den Heizer erreicht.

Betrachten wir zwei herkömmliche moderne PV-Module mit einer kombinierten Nennleistung von etwa 800 Wp.

Bei den für unseren Vergleich verwendeten Modulcharakteristiken führt die direkte Anschluss der beiden Module an den Heizelement eines 3 kW, 230 V-Wasserheizers zu einer maximal übertragenen Leistung von nur etwa 300 W, trotz der ungefähr 800 Wp großen Nennleistung des Paares.

Die genaue Zahl hängt von den Strom-Spannungs-Eigenschaften der Module ab, doch das zugrunde liegende Problem bleibt dasselbe: Zwei herkömmliche Module arbeiten bei einer Gleichstromspannung, die im Vergleich zur Spannung, die für eine gute Abstimmung mit dem Widerstand eines herkömmlichen 230-V-Wasserheizers erforderlich ist, relativ niedrig ist.

Daher kann ihre nominelle Leistung von 800 W nicht effizient genutzt werden, wenn sie einfach direkt mit dem Heizelement verbunden werden.

Unsere Installation mit photovoltaischen Fenstern verhält sich anders.

Auch wenn die korrigierte nominelle installierte Leistung etwa 845 Wp beträgt, haben wir einen Spitzenwert von 499 W gemessen, der direkt an den Wasserheizer abgegeben wurde.

Das bedeutet nicht, dass photovoltaisches Glas von Natur aus effizienter ist als herkömmliche kristalline Siliziummodule. Es bedeutet vielmehr, dass die elektrische Anordnung besser auf die Last abgestimmt ist.

Anstelle von ein oder zwei relativ leistungsstarken Modulen, die bei niedrigem Spannungsniveau und hoher Strömeffizienz arbeiten, bietet photovoltaisches Glas eine größere Anzahl an weniger leistungsstarken Erzeugungselementen.

Diese können elektrisch miteinander verbunden werden, sodass die Anlage eine weitaus nützlichere Gleichstromspannung erreicht, während die gesamte installierte Leistung moderat bleibt.

Moderate Leistung + geeignete Gleichstromspannung + Widerstandsheizung + Wärmespeicherung.

Diese Kombination eignet sich besonders gut für einen Widerstandswassererhitzer.

Warum ein aktiver MPPT hier nicht unbedingt notwendig ist

Ein aktiver MPPT-Wandler könnte unter bestimmten Beleuchtungsbedingungen die sofortige Leistung, die an den Heizer übertragen wird, erhöhen, indem er die Photovoltaikanlage näher an ihren exakten Höchstleistungspunkt hält.

Doch der Gewinn an sofortiger Leistung führt nicht eins zu eins zu zusätzlicher, nützlicher jährlicher Energie. Der Wassertank hat eine begrenzte Wärmekapazität, und sobald der Thermostatwert erreicht ist, stoppt der Heizer die Energieaufnahme. Zusätzliche Mittagsleistung kann daher dazu führen, dass der Tank früher seine Abschalttemperatur erreicht, anstatt die jährliche Eigenverbrauchsmenge proportional zu erhöhen.

In unserer Konfiguration sind die Photovoltaikanlage und der Heizelement bereits ausreichend gut aufeinander abgestimmt, sodass eine aktive MPPT-Ebene nicht notwendig ist, um das gesteckte Ziel zu erreichen. Jeder zusätzliche Nutzen muss außerdem gegen den eigenen Verbrauch des Wandlers, die Umwandlungsverluste, die zusätzlichen Kosten sowie die erhöhte Komplexität abgewogen werden.

Der gemessene Spitzenwert von 499 W bei einem Photovoltaik-System mit etwa 845 Wp zeigt, dass bereits mit einer sehr einfachen Architektur Leistung direkt an den Heizer übertragen werden kann.

Dies unterscheidet sich vom Beispiel mit zwei herkömmlichen Modulen. Bei zwei herkömmlichen Modulen mit insgesamt rund 800 Wp macht das schlechtere Spannungsverhältnis zum 3 kW/230 V Heizelement eine aktive Leistungsumwandlung viel wichtiger, wenn das Ziel darin besteht, nahe an die verfügbare Photovoltaikleistung der Module heranzukommen.

Als Alternative können mehrere herkömmliche Module in Reihe geschaltet werden, um die Spannung der Anlage zu erhöhen.

Sobald jedoch mehrere herkömmliche, leistungsstarke PV-Module installiert sind, wird die gesamte verfügbare Leistung erheblich größer. In diesem Fall macht es in der Regel mehr Sinn, einen Wechselrichter zu verwenden und mehrere Haushaltsstromlasten zu versorgen, anstatt die gesamte Anlage für einen einzigen Warmwasserspeicher zu nutzen.

Deshalb betrachten wir photovoltaisches Glas sowie direktes Gleichstrom-Warmwasserheizen als eine besonders logische Kombination.

Photovoltaische Fenster → direkter Gleichstrom → Heizelement → gespeichertes Warmwasser.

Das ist kein Argument gegen herkömmliche Balkon-PV-Anlagen

Herkömmliche Balkon-PV-Anlagen sind eine hervorragende Lösung und haben dazu beigetragen, die Solarenergieerzeugung auch für Menschen zugänglich zu machen, die kein Dach besitzen.

Auch behaupten wir nicht, dass herkömmliche Module nicht für das direkte Gleichstrom-Warmwasserheizen verwendet werden können. Das ist durchaus möglich.

Durch ausreichend in Reihe geschaltete Module, eine geeignet gewählte Heizwiderstandskraft oder aktive DC/DC-Stromumwandlungstechnik können herkömmliche Module ebenfalls Wasser effizient erhitzen.

Der Unterschied besteht darin, dass ein typisches Balkonsystem, das aus einem oder zwei herkömmlichen Hochleistungsmodulen besteht, nicht von Natur aus mit einem Standard-230-V-Wassererhitzerelement kompatibel ist.

Fotovoltaische Verglasungen besetzen einen anderen elektrischen Anwendungsbereich.

Eine Fassade oder ein Balkon kann mehrere fotovoltaische Verglasungselemente enthalten, die die für die direkte Erwärmung benötigte Spannung liefern, ohne gleichzeitig ein mehrkilowattiges PV-Array zu schaffen.

Dies macht das Konzept insbesondere für Wohnungen interessant.

Energie im Wasser statt in einer Batterie speichern

Auch der Wassertank verändert die Art und Weise, wie wir über die Größenwahl von Photovoltaiksystemen nachdenken sollten.

Bei einem herkömmlichen Elektriksystem konzentrieren sich die Nutzer oft darauf, die höchstmögliche sofortige Leistung zu erreichen.

Für die direkte Solarenergie zur Warmwassererzeugung ist das nicht unbedingt wünschenswert.

Falls eine große PV-Anlage den Tank bereits mittags vollständig erwärmt, kann die zusätzliche Energieerzeugung später am Tag nicht mehr von dieser speziellen Last genutzt werden.

Ein mäßigeres Photovoltaiksystem kann hingegen über viele Stunden Energie liefern. Der Heizer sammelt diese Energie allmählich auf.

Die wichtige Größe ist daher nicht nur die Spitzenleistung in Watt, sondern auch die während des Tages gespeicherten nutzbaren Kilowattstunden.

Die Ergebnisse aus Bukarest veranschaulichen dies. Das etwa 845 Wp starke Photovoltaik-Fenstersystem, das eine gemessene Spitzenleistung von 499 W am Heizer aufwies, lieferte im ersten überwachten Zeitraum 446 kWh und im zweiten 462 kWh.

Das reichte aus, um jeweils 46,7 % bzw. 43,7 % des Energiebedarfs für Warmwasser in einer vierköpfigen Haushaltsgemeinschaft zu decken.

Auch Vorteile bei der Wassereinsparung

Das Experiment zeigte außerdem einen weiteren Vorteil, der nur wenig mit der Effizienz der Photovoltaikanlagen zu tun hat.

Vor dem Einsatz des lokalen Warmwasserspeichers wurde das Apartment über zentral geliefertes Warmwasser versorgt.

Wie es in vielen Wohnhäusern üblich ist, mussten die Bewohner Wasser laufen lassen, während sie auf ausreichend warmes Wasser für die Dusche warteten.

In unserer Fallstudie in Bukarest ergab eine Messung einen Durchfluss von 6,7 Litern pro Minute sowie etwa fünf Minuten Zeit, bis Ende September eine Temperatur von rund 43 °C erreicht wurde.

Basierend auf dieser Messung sowie saisonal extrapolierten Wartezeiten von etwa fünf bis acht Minuten schätzte das Fallstudienmodell jährlich etwa 62,1 Kubikmeter Wasser, die während der Wartezeiten bei einer vierköpfigen Familie fließen, wobei jede Person täglich eine Dusche nimmt.

Das ist keine universelle Zahl. Die Wartezeiten variieren erheblich je nach Gebäude, Rohrlänge, Zirkulationsystem und Betriebsbedingungen.

Der Mechanismus ist jedoch universell.

Falls Warmwasser lokal erzeugt und nur in kurzer Entfernung zur Dusche gespeichert wird, können die Wartezeiten praktisch vernachlässigbar werden.

In unserem Fall bietet daher die lokale 80-Liter-Warmwasserspeicherung einen Vorteil gegenüber Solarenergie: Sie verringert erheblich das verschwendete Wasser, während man auf das anliefernde zentrale Warmwasser wartet.

Fotovoltaische Verglasung dient auch als Sonnenschutz

Fotovoltaische Fenster weisen eine weitere Eigenschaft auf, die herkömmliche undurchsichtige PV-Module nicht haben, wenn sie einfach an einen Balkon angebracht werden.

Sie werden Teil der Gebäudehülle.

Das gleiche Glas, das Strom erzeugt, verringert zugleich die in die Wohnung eindringende Sonnenstrahlung.

Wir haben diesen Effekt für die Wohnung in Bukarest separat modelliert.

Die nach Süden ausgerichtete verglaste Fassade weist eine Glasfläche von etwa 12,9 m² auf, darunter 7,92 m² halbtransparentes Photovoltaikglas.

Unter den in der Studie verwendeten Annahmen verringert der Ersatz herkömmlicher durchsichtiger Gläser durch Photovoltaikgläser die solare Wärmebelastung über die gesamte verglaste Fassade um etwa 40 %.

Für die im Modell verwendeten spezifischen Annahmen bezüglich der Wohnung und des Klimaanlagenbetriebs entspricht dies einer geschätzten Reduzierung des Kühlstromverbrauchs von etwa 433–481 kWh pro Sommer, wobei der Mittelwert bei rund 457 kWh liegt.

Diese Zahlen sind berechnete Schätzungen, keine gemessenen Einsparungen durch die Klimaanlage. Der Unterschied ist wichtig.

Trotzdem veranschaulicht die Berechnung eine wesentliche Eigenschaft der in Gebäuden integrierten Photovoltaik.

Die Verglasung kann Strom erzeugen und gleichzeitig die Kühllast verringern.

Für Wohnungen mit großen verglasten Flächen in Süd-, Ost- oder Westrichtung sowie erheblichem Überhitzungsproblem im Sommer kann dieser zusätzliche Vorteil besonders relevant sein.

Fenster und Geländer sind Flächen, die Wohnungsnutzer tatsächlich nutzen können

Dach ist nicht der einzige Ort, an dem ein Gebäude Sonnenstrahlung erhält. Auch Fassaden von Wohnungen werden davon beeinflusst.

Fotovoltaische Verglasung kann in feste Fensterbereiche, Balkonabtrennungen oder verglaste Geländer integriert werden.

Dadurch werden Flächen genutzt, die bereits eine architektonische Funktion haben.

Das bedeutet jedoch nicht, dass fotovoltaische Verglasung für jede Fassade geeignet ist. Orientierung, Schatteneinflüsse, Transparenz, architektonisches Erscheinungsbild und wirtschaftliche Aspekte müssen alle berücksichtigt werden.

Aber bei Wohnungen mit stark der Sonne ausgesetzten Verglasungen kann die Fassade zu einer energieerzeugenden Fläche werden, ohne auf Zugang zum Dach angewiesen zu sein.

Und wenn diese Elektrizität lokal für Warmwasser genutzt wird, muss das System nicht von einem gleichzeitigen Stromverbrauch im Haushalt abhängen.

Einfache Architektur beibehalten

Eines der Ziele unseres Pilotprojekts war es, unnötige Komponenten zu vermeiden.

Auf der Photovoltaik-Seite gibt es weder eine Batterie noch einen Solarwechselrichter. Die Photovoltaik-Elektrizität wird direkt in Gleichstrom von einem Widerstandsheizelement genutzt.

Wenn die Solarenergie unzureichend ist, schaltet der Steuergerät den Heizer nach Sonnenuntergang automatisch auf das Wechselstromnetz um, damit er die vom Boiler-Thermostat eingestellte Temperatur erreichen kann.

Das Konzept der automatischen Umstellung zwischen der photovoltaischen Gleichstrom- und Wechselstrom-Stromversorgung ist ebenfalls in einem rumänischen Patentantrag enthalten, der vom Rumänischen Staatlichen Amt für Erfindungen und Marken veröffentlicht wurde.

Doch der wichtigste Teil dieses Konzepts ist einfacher als das Umstellsystem selbst.

Es handelt sich um die Kombination aus einem in der Fassade integrierten Photovoltaik-Generator mit geeigneten Gleichstrom-elektrischen Eigenschaften, einer einfachen resistiven Last sowie kostengünstiger Wärmespeicherung, die Haushalte bereits täglich benötigen.

Wohnungen sollten Teil des Übergangs zur Solarenergie sein

Die meisten Diskussionen über Photovoltaik in Wohngebäuden beginnen immer noch mit dem Dach.

Das funktioniert gut für Einfamilienhäuser. Für Millionen von Menschen, die in Wohnhäusern leben, löst das das Problem jedoch nicht.

Balkon-Solaranlagen haben bereits gezeigt, dass Mieter Zugang zu ihrer eigenen erneuerbaren Energieerzeugung wünschen.

Die nächste Frage ist, wie die begrenzte Solarfläche, die ihnen zur Verfügung steht, am effektivsten genutzt werden kann.

Unser Pilotprojekt in Bukarest zeigt einen möglichen Ansatz auf.

Während zweier aufeinanderfolgender Messperioden lieferten photovoltaische Fenster jeweils 446 kWh bzw. 462 kWh direkt für Warmwasser, was 46,7 % bzw. 43,7 % des Energiebedarfs für Warmwasser im Haushalt deckte.

Der Haushalt besteht aus vier Personen, die täglich Warmwasser nutzen.

Die gleiche Anlage bietet außerdem Sonnenschutz, während die lokale Warmwassererzeugung Wasserverluste durch Wartezeiten auf zentrales Warmwasser verringern kann.

Am wichtigsten zeigt das System, dass photovoltaische Energie nicht immer in Wechselstrom umgewandelt, in einer Batterie gespeichert oder ins Netz eingespeist werden muss, um nützlich zu sein.

Mannchmal ist das effektivste Speichersystem bereits in der Wohnung vorhanden.

Es handelt sich dabei um einen Wassertank.

Bei photovoltaischen Verglasungen kann die Kombination aus höherem nützlichem Gleichstromspannungsniveau, mäßiger Leistung sowie Wärmespeicherung den direkten Einsatz des erzeugten Gleichstroms zu einer der natürlichsten Möglichkeiten machen.

Der wertvollste Solarkilowattstundenzähler ist vielleicht nicht der, der von dem größten System erzeugt wird. Es könnte der sein, der auf dem Balkon erzeugt wird, als Warmwasser gespeichert und einige Stunden später von derselben Familie genutzt wird.

Monatliche Messungen sowie detaillierte Berechnungen stehen auf Anfrage vom Autor zur Verfügung.