Karlsruher Forscher arbeiten an hybridem Energiesystem für das Dach
- Prototyp eines hybriden Strahlungskühlungs- und Solarsystems zur gleichzeitigen Erzeugung von Strom, Wärme und Kälte
- Foto: Gan Huang, KIT
- hochgeladen von Presse fokus.energie e.V.
Für Strom, Wärme und Kühlung benötigen Gebäude bislang meist separate Anlagen. Eine Arbeitsgruppe am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) hat nun ein hybrides Strahlungskühlungs- und Solarsystem entwickelt, das alle drei Energieformen gleichzeitig auf derselben Fläche bereitstellt – mithilfe von Sonnenenergie und der Kälte des Weltraums.
Die Energiewelt befindet sich im Umbruch. Geänderte Anforderungen zwingen uns zum Umdenken. Neue Konzepte und Ideen drängen mit zunehmender Dynamik auf den Markt - und genau hier setzt auch das Netzwerk fokus.energie e.V. mit seinem Energie-Accelerator AXEL an, unterstützt Startups in Baden-Württemberg und darüber hinaus - mitten im Energiezentrum der Technologieregion Karlsruhe.
Multifunktionale Gebäudehülle
Solarzellen liefern Strom, Solarthermie erzeugt Wärme, die Kühlung übernehmen Klimaanlagen, die wiederum Strom verbrauchen. Zur Versorgung von Gebäuden sind unterschiedliche Systeme nötig, die um begrenzten Platz auf Dach- und Fassadenflächen konkurrieren. Die von einer Arbeitsgruppe um Dr. Gan Huang vom Institut für Mikrostrukturtechnik des KIT entwickelte Lösung hingegen erzeugt gleichzeitig Kühlung, Strom und Wärme – auf einer einzigen Fläche. Dieses hybride Strahlungskühlungs- und Solarsystem kombiniert Photovoltaik mit PDRC – "Passive Daytime Radiative Cooling", zu Deutsch passive Strahlungskühlung. Die Forschenden sehen Einsatzmöglichkeiten überall dort, wo gleichzeitig Energie und Kühlung notwendig sind. „Unsere Vision ist, dass Dächer und Fassaden zu aktiven Energieflächen werden, die gleichzeitig Strom, Wärme und Kühlung bereitstellen“, so Huang. „Das Konzept könnte auch für energieintensive Anwendungen wie KI-Rechenzentren interessant sein, die viel Strom und Kühlung benötigen.“
Wärmeabstrahlung durch das atmosphärische Fenster
Kernstück des Systems ist eine transparente Schicht aus einer Siliziumdioxidplatte, die mit dem Silikonpolymer Polydimethylsiloxan (PDMS) beschichtet ist. Diese lässt Sonnenlicht nahezu ungehindert passieren und gibt gleichzeitig Wärme als Infrarotstrahlung durch das atmosphärische Fenster an den Weltraum ab – einen Wellenlängenbereich, in dem die Erdatmosphäre für Wärmestrahlung besonders durchlässig ist. Hinter dieser Schicht trifft das Sonnenlicht gebündelt auf einen kleinen photovoltaisch-thermischen Kollektor. Dieser erzeugt Strom und Wärme. In Freilandversuchen erreichte der Prototyp gleichzeitig 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.
„Feuer“ und „Eis“ in einem System
„Wir zeigen, dass ein einziges System gleichzeitig die Sonne und die Kälte des Weltalls nutzen kann“, sagt Huang, der die Forschungsgruppe Hybrid Solar Technologies Lab am KIT leitet. Die größte Herausforderung bestand darin, zwei gegensätzliche Prozesse miteinander zu verknüpfen. „Wir bringen ‚Feuer‘ und ‚Eis‘ zusammen“, verbildlicht Huang. Während der Solarkollektor möglichst viel Sonnenenergie aufnehmen soll, muss der Strahlungskühler möglichst kühl bleiben.
Kühlschicht trennt heißen und kalten Bereich
„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“, erklärt Iván Alberto Cruz García vom Lichttechnischen Institut des KIT, Doktorand und Erstautor der Studie.
Multifunktionales Energiesystem
Die Studie knüpft an frühere Arbeiten des Teams an, das 2024 ein transparentes Material vorgestellt hat, 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. Als Nächstes wollen die Forschenden unter anderem die Führung des Sonnenlichts, das Wärmemanagement und die Solarzellen optimieren. Für Huang steht die Studie, die in Kooperation mit dem Experten auf dem Gebiet der PDRC Professor Shanhui Fan von der Stanford University (USA) entstand, für einen Perspektivwechsel: „Die Sonne ist nicht die einzige Energiequelle am Himmel. Auch die Kälte des Weltraums ist eine erneuerbare Ressource. Wenn wir lernen, die heiße Sonne und die Kälte des Weltalls gemeinsam zu nutzen, können wir eine neue Generation von Energiesystemen erschließen.“
Sie möchten kommentieren?
Sie möchten zur Diskussion beitragen? Melden Sie sich an, um Kommentare zu verfassen.