Solarzellen liefern Strom, Solarthermie erzeugt Wärme, Klimaanlagen übernehmen die Kühlung und verbrauchen dabei wieder Strom. Für Gebäude sind bislang verschiedene Systeme nötig, die um den begrenzten Platz auf Dach- und Fassadenflächen konkurrieren. Eine Arbeitsgruppe am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) geht einen anderen Weg: Ein hybrides System erzeugt Kühlung, Strom und Wärme gleichzeitig – auf einer einzigen Fläche.
Das Konzept verbindet Photovoltaik mit passiver Strahlungskühlung, auf Englisch Passive Daytime Radiative Cooling (PDRC). Das Grundprinzip: Bestimmte Materialien können Wärme als Infrarotstrahlung durch das atmosphärische Fenster – einen Wellenlängenbereich, in dem die Erdatmosphäre für Wärmestrahlung besonders durchlässig ist – direkt ins Weltall abstrahlen. Das kühlt, ohne Energie zu verbrauchen.
Kernstück ist eine transparente Kühlschicht
Das Herzstück des Systems ist eine transparente Schicht aus einer Siliziumdioxidplatte, die mit Polydimethylsiloxan (PDMS) beschichtet ist. Diese Schicht lässt Sonnenlicht nahezu ungehindert passieren, strahlt gleichzeitig aber Wärme als Infrarotstrahlung ins All ab. Dahinter bündelt eine Fresnel-Linse das Sonnenlicht auf einen kleinen photovoltaisch-thermischen Kollektor, der Strom und Wärme erzeugt.
Die räumliche Trennung ist dabei entscheidend: Der heiße Solarkollektor und die kühlende Schicht bleiben thermisch voneinander entkoppelt. „Wir bringen Feuer und Eis zusammen", beschreibt Gan Huang vom KIT die Herausforderung. „Während der Solarkollektor möglichst viel Sonnenenergie aufnehmen soll, muss der Strahlungskühler möglichst kühl bleiben."
Das Team löste das Problem, indem das Sonnenlicht zunächst die transparente Kühlschicht durchdringt und erst dahinter konzentriert auf den deutlich kleineren Solarkollektor trifft. Das reduziert den Wärmeaustausch zwischen den beiden Komponenten erheblich.
Messwerte aus dem Freilandversuch
Die Ergebnisse aus dem Freilandversuch auf dem Nordcampus des KIT in Eggenstein-Leopoldshafen sind beachtlich: Der Prototyp erreichte gleichzeitig eine Kühlung von 6,5 Grad Celsius unter der Umgebungstemperatur, eine elektrische Leistungsdichte von 60,6 Watt pro Quadratmeter sowie Temperaturen von bis zu 110,8 Grad Celsius für die Wärmenutzung.
In einer erweiterten Version des Systems ersetzten die Forscher die Solarzelle durch einen spektral selektiven Solarabsorber. Dabei evakuierten sie die Kollektorkammer, um Wärmeverluste zu minimieren. Dieses System – ausschließlich für Wärme und Kühlung konzipiert – erreichte bei einem Freilandtest sogar Temperaturen von bis zu 266,8 Grad Celsius, während die Kühlschicht gleichzeitig 2,4 Grad unter Umgebungstemperatur blieb. Temperaturen in diesem Bereich eignen sich für industrielle Prozesse mit niedrigem bis mittlerem Temperaturbedarf sowie für Gebäudeheizung und Warmwasser.
Einsatz in Rechenzentren denkbar
Huang sieht Einsatzmöglichkeiten überall dort, wo gleichzeitig Energie und Kühlung gebraucht werden. „Unsere Vision ist, dass Dächer und Fassaden zu aktiven Energieflächen werden, die gleichzeitig Strom, Wärme und Kühlung bereitstellen", sagt er. „Das Konzept könnte auch für energieintensive Anwendungen wie KI-Rechenzentren interessant sein, die viel Strom und Kühlung benötigen."
