Hybrides Energiesystem zur gleichzeitigen Erzeugung von Strom, Wärme und Kühlung
Gebäude benötigen üblicherweise separate Anlagen für die Erzeugung von Strom, Wärme und Kühlung. Ein Forschungsteam des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) hat ein hybrides System entwickelt, das alle drei Energieformen auf einer einzigen Fläche bereitstellt. Dieses System nutzt sowohl Sonnenenergie als auch die Kälte des Weltraums, um effizient Strom, Wärme und Kühlung zu erzeugen. Zentraler Bestandteil ist eine transparente Kühlschicht, die Wärme als Infrarotstrahlung ins Weltall abstrahlt. Der Prototyp wurde erfolgreich unter realen Bedingungen getestet und bietet Potenzial für multifunktionale Gebäudehüllen.
Integration von Photovoltaik und passiver Strahlungskühlung
Traditionell werden Solarzellen zur Stromerzeugung, Solarthermie für Wärme und Klimaanlagen für Kühlung eingesetzt, wobei letztere zusätzlichen Strom verbrauchen. Die am KIT entwickelte Lösung kombiniert Photovoltaik mit passiver Tagesstrahlungskühlung (Passive Daytime Radiative Cooling, PDRC) auf einer gemeinsamen Fläche. Dies ermöglicht die gleichzeitige Bereitstellung von Strom, Wärme und Kühlung. Die Technologie eignet sich insbesondere für Anwendungen, die eine gleichzeitige Versorgung mit Energie und Kühlung erfordern, wie beispielsweise KI-Rechenzentren.
Funktionsweise der Kühlschicht und des Solarkollektors
Das System basiert auf einer transparenten Siliziumdioxidplatte, die mit Polydimethylsiloxan (PDMS) beschichtet ist. Diese Schicht lässt Sonnenlicht nahezu ungehindert passieren, während sie Wärme als Infrarotstrahlung durch das atmosphärische Fenster in den Weltraum abstrahlt. Das Sonnenlicht wird hinter dieser Schicht gebündelt auf einen kleinen photovoltaisch-thermischen Kollektor gelenkt, der sowohl Strom als auch Wärme erzeugt.
Ergebnisse aus Freilandversuchen
- Abkühlung bis zu 6,5 °C unter der Umgebungstemperatur
- Elektrische Leistungsdichte von 60,6 Watt pro Quadratmeter
- Temperaturen von bis zu 110,8 °C für Wärmenutzung
Herausforderungen bei der Kombination gegensätzlicher Prozesse
Die größte Schwierigkeit bestand darin, die Aufnahme von Sonnenenergie durch den Solarkollektor mit der Kühlung durch die Strahlungsschicht zu vereinen. Während der Kollektor möglichst viel Sonnenlicht absorbieren soll, muss die Kühlschicht kühl bleiben. Dieses Problem wurde gelöst, indem das Sonnenlicht zunächst die transparente Kühlschicht durchdringt und erst anschließend mittels einer Fresnel-Linse auf den kleineren Solarkollektor gebündelt wird. Dadurch bleiben die heißen und kalten Bereiche räumlich getrennt.
Multifunktionales Energiesystem als Weiterentwicklung
Die aktuelle Studie baut auf früheren Forschungen auf, bei denen ein transparentes Material entwickelt wurde, das passiv kühlt und Tageslicht durchlässt. Durch die Integration der Solarenergienutzung entstand ein multifunktionales System, das auf einer einzigen Oberfläche Strom, Wärme und Kühlung bereitstellt. Zukünftige Arbeiten konzentrieren sich auf die Optimierung der Lichtführung, des Wärmemanagements und der Solarzellen.
Perspektiven und Kooperationen
Die Studie entstand in Zusammenarbeit mit Professor Shanhui Fan von der Stanford University, einem Experten auf dem Gebiet der passiven Strahlungskühlung. Die Forschenden betonen, dass neben der Sonne auch die Kälte des Weltraums als erneuerbare Energiequelle genutzt werden kann. Die Kombination beider Ressourcen eröffnet neue Möglichkeiten für die Entwicklung innovativer Energiesysteme.
Publikation und Kontakt
Originalpublikation:
Iván Alberto Cruz García, Botho Lehmann, Shanhui Fan, Gan Huang: Co-harvesting universe coldness and solar energy for tri-generation of cooling, electricity and heating. Cell Reports Physical Science, Elsevier, 2026. DOI: 10.1016/j.xcrp.2026.103492.
Kontakt:
Sandra Wiebe, Pressereferentin
Telefon: +49 721 608-41172
E-Mail: sandra.wiebe@kit.edu
Über das Karlsruher Institut für Technologie (KIT)
Das KIT entwickelt im Dialog mit der Gesellschaft Lösungen für globale Herausforderungen wie Klimawandel, Energiewende, nachhaltigen Ressourceneinsatz, Künstliche Intelligenz, technologische Souveränität und demografischen Wandel. Als Mitglied der Helmholtz-Gemeinschaft vereint das KIT exzellente Wissenschaft mit Anwendungsorientierung und bietet seinen über 10.000 Mitarbeitenden sowie 23.000 Studierenden vielfältige Möglichkeiten, eine nachhaltige und widerstandsfähige Zukunft zu gestalten.
