Ein am Karlsruher Institut für Technologie entwickeltes Hybridsystem verbindet Photovoltaik, Solarthermie und passive Strahlungskühlung. Ein erster Prototyp erreichte im Freiland gleichzeitig Temperaturen unterhalb der Umgebung, erzeugte Strom und stellte nutzbare Wärme bereit.
Dach- und Fassadenflächen sind begrenzt. Photovoltaikanlagen, solarthermische Kollektoren und technische Einrichtungen zur Gebäudekühlung konkurrieren daher häufig um denselben Raum. Forschende des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) haben nun ein System entwickelt, das auf einer einzigen Fläche Strom, Wärme und Kühlung gleichzeitig bereitstellen soll.
Die Arbeitsgruppe um Dr. Gan Huang vom Institut für Mikrostrukturtechnik des KIT kombiniert dafür einen photovoltaisch-thermischen Kollektor mit passiver Strahlungskühlung, dem sogenannten Passive Daytime Radiative Cooling (PDRC). Das Konzept wurde unter Freilandbedingungen mit einem Prototyp getestet. Die Ergebnisse sind in der Fachzeitschrift „Cell Reports Physical Science“ erschienen. „Unsere Vision ist, dass Dächer und Fassaden zu aktiven Energieflächen werden, die gleichzeitig Strom, Wärme und Kühlung bereitstellen“, sagt Huang. „Das Konzept könnte auch für energieintensive Anwendungen wie KI-Rechenzentren interessant sein, die viel Strom und Kühlung benötigen.“
Kühlschicht lässt Sonnenlicht passieren
Das Kernstück des Systems ist eine transparente Kühlschicht aus einer mit Polydimethylsiloxan beschichteten Siliziumdioxidplatte. Die Schicht lässt einen großen Teil des Sonnenlichts passieren und gibt zugleich Wärme in Form von Infrarotstrahlung ab. Diese Wärmestrahlung kann in einem bestimmten Wellenlängenbereich, dem sogenannten atmosphärischen Fenster, die Erdatmosphäre passieren. Auf diese Weise lässt sich Wärme an den kalten Weltraum abstrahlen und eine Oberfläche unter die Temperatur der Umgebung abkühlen – ohne dass dafür eine elektrisch betriebene Kältemaschine erforderlich ist.
Das durch die Kühlschicht gelangende Sonnenlicht wird anschließend von einer Fresnel-Linse gebündelt und auf einen deutlich kleineren photovoltaisch-thermischen Kollektor gelenkt. Dieser wandelt einen Teil der Strahlung in Strom um. Die dabei entstehende Wärme kann ebenfalls genutzt werden.
Prototyp erreicht im Versuch bis zu 110,8 Grad Celsius
In den Freilandversuchen stellte das System die drei Energieformen gleichzeitig bereit. Die Kühlschicht erreichte eine Temperatur von bis zu 6,5 Grad Celsius unterhalb der Umgebungstemperatur. Zugleich erzielte der Prototyp eine elektrische Leistungsdichte von 60,6 Watt pro Quadratmeter. Für die Wärmenutzung wurden Temperaturen von bis zu 110,8 Grad Celsius gemessen.
Die Ergebnisse beziehen sich auf den untersuchten Prototyp. Ob sich die Leistungswerte auch auf größere Anlagen und unterschiedliche Einsatzbedingungen übertragen lassen, müssen weitere Entwicklungsarbeiten zeigen.
Räumliche Trennung von Wärme und Kühlung
Eine zentrale Herausforderung bestand darin, die gegensätzlichen Anforderungen der beiden Systemteile miteinander zu verbinden. Während der Solarkollektor möglichst viel Strahlungsenergie aufnehmen und sich dabei erwärmen soll, muss die darüberliegende Kühlschicht ihre Wärme möglichst ungehindert abstrahlen können. Gelöst wurde dieser Zielkonflikt durch die räumliche Trennung der Funktionen. Das Sonnenlicht durchdringt zunächst die transparente Kühlschicht. Erst darunter bündelt die Fresnel-Linse die Strahlung auf den kleineren Solarkollektor. Dadurch konzentriert sich die Wärmeentwicklung auf einen begrenzten Bereich, während die übrige Fläche für die Strahlungskühlung zur Verfügung steht.
„Wir zeigen, dass ein einziges System gleichzeitig die Sonne und die Kälte des Weltalls nutzen kann“, sagt Huang, der am KIT das Hybrid Solar Technologies Lab leitet.
Perspektive für Gebäudehüllen und Rechenzentren
Nach Einschätzung der Forschenden könnte das Konzept künftig dazu beitragen, Dächer und Fassaden mehrfach zu nutzen. Neben Gebäuden kommen grundsätzlich auch Anwendungen infrage, die gleichzeitig einen hohen Strom- und Kühlbedarf haben. Huang nennt hier insbesondere KI-Rechenzentren. Einen konkreten Nachweis für den Einsatz in solchen Anlagen liefert die aktuelle Studie allerdings noch nicht. Die Arbeit baut auf einem 2024 vorgestellten transparenten Material des KIT auf, das Tageslicht passieren lässt und Gebäude zugleich durch Wärmeabstrahlung kühlen kann. In dem neuen System wurde dieses Prinzip um die Erzeugung von Strom und nutzbarer Wärme erweitert.
Als Nächstes wollen die Forschenden unter anderem die Lichtführung, das Wärmemanagement und die Solarzellen optimieren. Die Studie entstand in Zusammenarbeit mit Professor Shanhui Fan von der Stanford University.
Bild oben: Prototyp eines hybriden Strahlungskühlungs- und Solarsystems zur gleichzeitigen Erzeugung von Strom, Wärme und Kälte. Foto: Gan Huang, KIT
