Vom Dach zum Kraftwerk: Forscher kombinieren Strom, Wärme und Kühlung

Ein Forschungsteam des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) hat ein hybrides Energiesystem entwickelt, das die Grenzen bisheriger Solartechnik verschiebt. Es fungiert gleichzeitig als Kraftwerk, Heizung und Klimaanlage. Die Ergebnisse, die unter der Leitung von Dr. Gan Huang in Zusammenarbeit mit der Stanford University entstanden, wurden im Fachmagazin Cell Reports Physical Science veröffentlicht.

Kühlung und Energieerzeugung auf einer Fläche

Das System kombiniert klassische Photovoltaik mit passiver Strahlungskühlung. Das Herzstück bildet eine transparente Trennschicht aus Siliziumdioxid, die mit dem Polymer Polydimethylsiloxan (PDMS) beschichtet ist. Diese Schicht lässt Sonnenlicht passieren, strahlt aber gleichzeitig Wärme durch das „atmosphärische Fenster“ direkt in den Weltraum ab.

Hinter dieser Schicht bündelt eine Linse das durchdringende Sonnenlicht auf einen photovoltaisch-thermischen Kollektor. Dadurch entstehen Strom und Wärme, während die Oberfläche gleichzeitig kühlt.

Das 3-in-1-System der KIT-Forscher in einer Nahaufnahme.

„Feuer und Eis“ vereint

Die größte Herausforderung für das Team bestand darin, diese gegenläufigen Prozesse räumlich so zu trennen, dass sie sich nicht gegenseitig stören. „Wir bringen Feuer und Eis zusammen“, beschreibt Projektleiter Dr. Gan Huang den Ansatz. Erstautor Iván Alberto Cruz García erklärt dazu: „Durch die räumliche Trennung zwischen dem heißen Kollektor und der kühlenden Schicht können wir beide Effekte gleichzeitig nutzen.“

In Versuchen kühlte sich die Trennschicht um bis zu 6,5 Grad Celsius unter die Umgebungstemperatur ab. Der thermische Kollektor erreichte währenddessen Temperaturen von fast 111 Grad, bei einer elektrischen Leistungsdichte von 60,6 Watt pro Quadratmeter.

Anwendungspotenzial und nächste Schritte

Die Forscher sehen in ihrer Entwicklung eine Vision für Gebäude der Zukunft. Dächer und Fassaden könnten künftig als aktive Energieflächen dienen. Besonders für energieintensive Bereiche wie KI-Rechenzentren, die einen hohen Bedarf an Strom und Kühlung haben, erscheint das Konzept vielversprechend.

Ob das System wirtschaftlich skalierbar ist und sich für den breiten Einsatz in Wohngebäuden eignet, bleibt jedoch noch offen. Aktuell liegt der Fokus des Teams auf der weiteren Optimierung der Technologie. Während die elektrische Leistung noch hinter modernen Standard-Solarmodulen zurückbleibt, bietet das System durch seine Multifunktionalität eine völlig neue Art der Flächennutzung.

Ein handelsübliches Kleinkraftwerk als Vergleichsbeispiel zur Energieerzeugung.