Vom Dach zum Kraftwerk: Neues System liefert Strom, Wärme und Kühle gleichzeitig
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Das System nutzt Sonnenlicht zur Energieerzeugung und leitet gleichzeitig Wärme in den Weltraum ab.
Eine Ansicht des entwickelten Energiesystems auf einer Testoberfläche.
Steigende Temperaturen machen eine effiziente Gebäudeklimatisierung immer wichtiger. Ein Forschungsteam am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) hat eine Lösung entwickelt, die über die klassische Isolierung hinausgeht: Ein hybrides System für Dächer und Fassaden, das Gebäude nicht nur kühlt, sondern auch aktiv Strom und Warmwasser produziert.
„Wir zeigen, dass ein einziges System gleichzeitig die Sonne und die Kälte des Weltalls nutzen kann“, erklärt Gan Huang, Leiter der Arbeitsgruppe am KIT.
Grafische Darstellung der Forschungsergebnisse des KIT.
Physikalische Kühlung trifft auf Solarenergie
Das Herzstück der Technologie ist eine spezielle, transparente Siliziumdioxidplatte, die mit dem Polymer Polydimethylsiloxan (PDMS) beschichtet ist. Diese Schicht wirkt als passiver Strahlungskühler (Passive Daytime Radiative Cooling, PDRC).
Sie reflektiert Wärme in Form von Infrarotstrahlung in einen Wellenlängenbereich, in dem die Erdatmosphäre besonders durchlässig ist. Dadurch kann die Wärme direkt in den Weltraum entweichen, während Sonnenlicht die Schicht nahezu ungehindert passiert.
Sonnenlicht effizient nutzen
Das unter der Kühlplatte eintreffende Sonnenlicht wird gebündelt auf einen photovoltaisch-thermischen Kollektor geleitet. Die Ergebnisse, die das Team im Fachmagazin Cell Reports Physical Science veröffentlichte, sind beeindruckend: In Freilandtests kühlte das System die Oberfläche um bis zu 6,5 Grad Celsius gegenüber der Umgebung ab.
Gleichzeitig erzielte der Kollektor eine elektrische Leistungsdichte von 60,6 Watt pro Quadratmeter und lieferte Wärme bei Temperaturen von bis zu 110,8 Grad Celsius.
Die Herausforderung der räumlichen Trennung
Die größte technische Hürde war die Verbindung zweier gegensätzlicher Prozesse: Der Solarkollektor muss Energie aufnehmen, während der Strahlungskühler kühle Temperaturen wahren soll.
„Wir haben dieses Problem gelöst, indem das Sonnenlicht zunächst die transparente Kühlschicht durchdringt und erst darunter eine Fresnel-Linse das Licht auf einen deutlich kleineren Solarkollektor bündelt“, erläutert Erstautor Iván Alberto Cruz García. Durch diese räumliche Trennung kommen sich die heißen und die kühlenden Komponenten nicht in die Quere.
Das KIT-Team sieht in diesem multifunktionalen Ansatz großes Potenzial für die Zukunft. Neben Wohngebäuden könnten besonders energieintensive Anwendungen, etwa Rechenzentren für KI-Anwendungen, von der kombinierten Kühl- und Energieleistung profitieren.