Hybrides Energiesystem kühlt und erzeugt Strom sowie Warmwasser

Die Sommer werden immer heißer, und wer unter dem Dach wohnt, weiß eine gute Isolierung und eine Klimaanlage zu schätzen. Ein Team des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) hat ein System für Dächer und Fassaden entwickelt, das nicht nur verhindert, dass das darunter liegende Gemäuer erwärmt.

Das System kombiniert Photovoltaik mit Solarthermie und mit passiver Strahlungskühlung (Passive Daytime Radiative Cooling, PDRC). Das bedeutet, es kühlt nicht nur, sondern liefert auch noch Strom und warmes Wasser. „Wir zeigen, dass ein einziges System gleichzeitig die Sonne und die Kälte des Weltalls nutzen kann“, sagte Gan Huang, Leiter der Arbeitsgruppe.

Zentrales Element des Systems ist eine transparente Siliziumdioxidplatte, die mit dem Silikonpolymer Polydimethylsiloxan (PDMS) beschichtet ist. Die Schicht reflektiert Wärme in Form von Infrarotstrahlung ins Weltall. Die Infrarotstrahlung hat dabei einen Wellenlängenbereich, in dem die Erdatmosphäre für Wärmestrahlung besonders durchlässig ist.

Sonnenlicht erzeugt Strom und Wärme

Das Sonnenlicht hingegen lässt diese Schicht weitgehend ungehindert passieren. Es trifft gebündelt auf einen photovoltaisch-thermischen Kollektor, der Strom und Wärme liefert. Das Team beschreibt das System in der Fachzeitschrift Cell Reports Physical Science.

Danach kühlte der Prototyp in Freilandtests bis zu 6,5 Grad Celsius gegenüber Umgebungstemperatur. Die elektrische Leistungsdichte des photovoltaisch-thermischen Kollektors betrug 60,6 Watt pro Quadratmeter. Für die Wärmenutzung lieferte das System Temperaturen von bis zu 110,8 Grad Celsius.

Das neue System ist eine Weiterentwicklung eines Vorgängers aus dem Jahr 2024, der nur kühlte. In dem neuen Prototyp ist die Nutzung des Sonnenlichts hinzugekommen, sodass „aus einer einzelnen Oberfläche ein multifunktionales Energiesystem“ entstanden sei, sagte Huang.

Gegensätzliche Prozesse verknüpfen

Das größte Problem dabei sei gewesen, zwei gegensätzliche Prozesse miteinander zu verknüpfen: Der Solarkollektor soll möglichst viel Sonnenenergie aufnehmen, der Strahlungskühler hingegen 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. So bleiben der heiße Solarkollektor und die kühlende Schicht räumlich voneinander getrennt“, erläuterte Erstautor Iván Alberto Cruz García.

„Unsere Vision ist, dass Dächer und Fassaden zu aktiven Energieflächen werden, die gleichzeitig Strom, Wärme und Kühlung bereitstellen“, sagte Huang „Das Konzept könnte auch für energieintensive Anwendungen wie KI-Rechenzentren interessant sein, die viel Strom und Kühlung benötigen.“