KIT entwickelt hybrides Strahlungskühlungs- und Solarsystem

Photovoltaik-Anlage für Strom, Solarthermie-Paneele für die Wärme und Kühlung über die Klimaanlage – so sehen herkömmliche Lösungen für Gebäude aus. Dies könnte sich in Zukunft ändern, denn das Karlsruher Institut für Technologie (KIT) hat eine Lösung entwickelt, die alle drei Energieformen gleichzeitig auf einer Fläche liefern soll. Für das hybride Strahlungskühlungs- und Solarsystem sollen dabei Sonnenenergie und die Kälte des Weltraums genutzt werden, wie die Wissenschafter am Freitag erklärten.

Das hybride System kombiniert Photovoltaik mit Passive Daytime Radiative Cooling, zu Deutsch passive Strahlungskühlung und abgekürzt PDRC. Kernstück des Systems sei eine lichtdurchlässige Kühlschicht, die Wärme als Infrarotstrahlung ins All abstrahlt. Die transparente Schicht ist eine Siliziumdioxidplatte, die mit dem Silikonpolymer Polydimethylsiloxan (PDMS) beschichtet wird. Dadurch lässt sie Sonnenlicht zur Photovoltaik-Erzeugung durch, gibt gleichzeitig aber Wärme als Infrarotstrahlung durch das atmosphärische Fenster an den Weltraum ab, wie die Forscher des KIT erläutern. Dies sei ein Wellenlängenbereich, in dem die Erdatmosphäre für Wärmestrahlung besonders durchlässig ist. Hinter der Schicht wiederum würde das gebündelte Sonnenlicht auf einen kleinen photovoltaisch-thermischen Kollektor treffen, der Strom und Wärme erzeugt.

Eine Arbeitsgruppe um Gan Huang vom Institut für Mikrostrukturtechnik des KIT hat dafür einen Prototyp entwickelt. Dieser sei auch bereits in Freilandversuchen getestet worden. Er habe dabei eine Kühlung bis 6,5 Grad Celsius unter Umgebungstemperatur, eine elektrische Leistungsdichte von 60,6 Watt pro Quadratmeter und Temperaturen von bis zu 110,8 Grad Celsius für die Wärmenutzung erreicht. 

Die größte Herausforderung bei der Entwicklung sei gewesen, die zwei gegensätzlichen Prozesse miteinander zu verknüpfen. Der Sonnenkollektor soll möglichst viel Sonnenenergie aufnehmen, gleichzeitig aber muss der Strahlungskühler möglichst kühl bleiben. „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“, erklärt Iván Alberto Cruz García vom Institut für Mikrostrukturtechnik des KIT, Doktorand und Erstautor der Studie. „So bleiben der heiße Solarkollektor und die kühlende Schicht räumlich voneinander getrennt.“

Die Entwicklung knüpft an Forschungsarbeiten des KIT aus dem Jahr 2024 an. Damals entwickelten die Forscher ein transparentes Material, das Gebäude passiv kühlt und gleichzeitig Tageslicht durchlässt. „Darauf aufbauend haben wir nun die Strahlungskühlung durch die Komponente zur Nutzung der Solarenergie ergänzt. So wird aus einer einzelnen Oberfläche ein multifunktionales Energiesystem“, sagt Huang.

Die Studienergebnisse „Co-harvesting universe coldness and solar energy for tri-generation of cooling, electricity and heating. Cell Reports Physical Science“ sind in der Fachzeitschrift „Cell Reports Physical Science“ veröffentlicht. Die KIT-Forscher wollen nun unter anderem die Führung des Sonnenlichts, das Wärmemanagement und die Solarzellen optimieren. „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.“