Hybrides Energiesystem kühlt und erzeugt Strom sowie Warmwasser

Ein multifunktionaler Ansatz für die Gebäude von morgen

Angesichts stetig steigender sommerlicher Temperaturen wächst der Bedarf an effizienten Lösungen zur Gebäudekühlung, ohne dabei den Energieverbrauch durch konventionelle Klimaanlagen weiter in die Höhe zu treiben. Ein Forschungsteam am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) hat nun einen technologischen Durchbruch erzielt, der eine Antwort auf diese Herausforderung geben könnte. Die Wissenschaftler haben ein hybrides System entwickelt, das speziell für den Einsatz auf Dächern und an Fassaden konzipiert wurde. Anstatt das Gebäude lediglich vor der intensiven Sonneneinstrahlung zu schützen, erfüllt die Konstruktion gleich drei essenzielle Funktionen: Sie verhindert das Aufheizen der Bausubstanz, erzeugt elektrischen Strom und liefert gleichzeitig warmes Wasser. Damit verwandelt das System die Gebäudehülle von einer passiven Schutzschicht in eine aktive Energiequelle. Der Kern der Innovation liegt in der geschickten Kombination von Photovoltaik, Solarthermie und der sogenannten passiven Strahlungskühlung, kurz PDRC für Passive Daytime Radiative Cooling. Durch diesen Ansatz gelingt es, die Energie der Sonne und die Kälte des Weltraums in einer einzigen, hocheffizienten Einheit nutzbar zu machen, was einen bedeutenden Fortschritt für die nachhaltige Architektur darstellt.

Technische Details und Funktionsweise des Systems

Das Herzstück der Entwicklung ist eine spezielle transparente Platte aus Siliziumdioxid, die mit einer Schicht aus dem Silikonpolymer Polydimethylsiloxan, kurz PDMS, überzogen ist. Diese Materialkombination ist entscheidend für den Kühlungseffekt: Sie reflektiert Wärme in Form von Infrarotstrahlung direkt in den Weltraum. Dabei nutzt das System gezielt einen Wellenlängenbereich, in dem die Erdatmosphäre für Wärmestrahlung besonders durchlässig ist, sodass die Wärme ungehindert entweichen kann. Während diese Schicht die Infrarotstrahlung effektiv abgibt, lässt sie das sichtbare Sonnenlicht weitgehend ungehindert passieren. Dieses Licht wird im Inneren des Systems durch eine Fresnel-Linse gebündelt und auf einen darunterliegenden photovoltaisch-thermischen Kollektor gelenkt. Die Trennung der Prozesse ist dabei von zentraler Bedeutung: Während der Solarkollektor darauf ausgelegt ist, möglichst viel Energie aufzunehmen, muss die Kühlschicht ihre niedrige Temperatur beibehalten. Durch die räumliche Trennung der Komponenten, bei der die Linse das Licht auf einen kleineren Bereich fokussiert, konnten die Forscher diesen Zielkonflikt erfolgreich lösen. In Freilandtests erreichte der Prototyp eine Kühlleistung, die die Umgebungstemperatur um bis zu 6,5 Grad Celsius unterbot, während gleichzeitig elektrische und thermische Energie gewonnen wurde.

Der Weg zur technologischen Weiterentwicklung

Die aktuelle Innovation ist das Ergebnis einer kontinuierlichen Forschungsarbeit am KIT. Bereits im Jahr 2024 hatte das Team um den Arbeitsgruppenleiter Gan Huang einen Prototyp vorgestellt, der sich jedoch primär auf die reine Kühlfunktion konzentrierte. Die Herausforderung für die Forscher bestand darin, die passive Kühlung mit der aktiven Energiegewinnung zu verknüpfen, ohne dass sich die gegensätzlichen physikalischen Anforderungen – Kühlung versus Wärmeaufnahme – gegenseitig behindern. Die nun präsentierte Lösung stellt eine signifikante Weiterentwicklung dar, da sie aus einer vormals rein passiven Oberfläche ein multifunktionales System macht. Die wissenschaftliche Dokumentation dieser Ergebnisse erfolgte in der Fachzeitschrift Cell Reports Physical Science. Die Entwicklung unterstreicht den Trend, Gebäude nicht mehr nur als Verbraucher von Energie zu betrachten, sondern sie aktiv in die Energieversorgung einzubinden. Die Integration der Fresnel-Linse zur Bündelung des Sonnenlichts unterhalb der Kühlschicht war hierbei der entscheidende technische Kniff, um die Effizienz des Kollektors zu maximieren, ohne die kühlende Wirkung der darüber liegenden Schicht zu beeinträchtigen. Dieser Fortschritt markiert einen wichtigen Meilenstein in der Materialforschung für nachhaltige Gebäudetechnologien.

Die Akteure und ihre Vision

Das Projekt wurde maßgeblich durch das Team am Karlsruher Institut für Technologie vorangetrieben. Gan Huang, der Leiter der Arbeitsgruppe, betont den innovativen Charakter des Systems, das die Sonne und die Kälte des Weltalls gleichzeitig nutzbar macht. Als Erstautor der Studie fungiert Iván Alberto Cruz García, der maßgeblich an der Lösung des technischen Problems der räumlichen Trennung von Kühl- und Heizprozessen beteiligt war. Die Vision der Forscher geht über die bloße Anwendung in privaten Wohngebäuden hinaus. Sie sehen ein enormes Potenzial für energieintensive Infrastrukturen. Insbesondere Rechenzentren, die für den Betrieb von Künstlicher Intelligenz genutzt werden, haben einen massiven Bedarf an sowohl elektrischer Energie als auch an effizienten Kühlmethoden. Das System des KIT könnte hier eine doppelte Entlastung bieten, indem es die Dachflächen solcher Zentren in aktive Energieerzeuger verwandelt. Die beteiligten Wissenschaftler sehen in der Kombination aus Photovoltaik und Strahlungskühlung einen vielversprechenden Weg, um die Energieeffizienz in der modernen Gebäudetechnik grundlegend zu transformieren und den ökologischen Fußabdruck großer Anlagen signifikant zu verringern.

Einordnung der technologischen Bedeutung

Einzuordnen ist das System als ein vielversprechender Ansatz zur Steigerung der Energieeffizienz durch Multifunktionalität. Den Berichten zufolge stellt die Fähigkeit, gleichzeitig Strom zu erzeugen und Wärme abzuführen, einen entscheidenden Vorteil gegenüber konventionellen Solaranlagen dar, die bei hohen Temperaturen oft an Effizienz verlieren. Die elektrische Leistungsdichte des Kollektors wird mit 60,6 Watt pro Quadratmeter angegeben, während die thermische Nutzung Temperaturen von bis zu 110,8 Grad Celsius ermöglicht. Diese Werte verdeutlichen das Potenzial für industrielle und private Anwendungen. Dennoch bleibt die Technologie ein Prototyp. Die Skalierbarkeit und die langfristige Haltbarkeit der verwendeten Materialien, insbesondere der PDMS-Beschichtung unter wechselnden Witterungsbedingungen, sind Faktoren, die in der weiteren Entwicklung eine zentrale Rolle spielen werden. Die Idee, Dächer und Fassaden in aktive Energieflächen zu verwandeln, ist ein wesentlicher Baustein für die Energiewende, da sie ungenutzte Flächen in den urbanen Räumen effizienter in den Kreislauf einbindet. Die Kombination von passiver Kühlung und aktiver Energiegewinnung adressiert dabei zwei der drängendsten Probleme des modernen Bauwesens: den steigenden Energiebedarf und die Notwendigkeit einer klimafreundlichen Gebäudetemperierung.

Offene Fragen und zukünftige Herausforderungen

Obwohl die Leistungsdaten des Prototyps in Freilandtests überzeugen, lässt der Quelltext einige Fragen offen, die für eine breite Markteinführung von Bedeutung wären. So wird nicht explizit thematisiert, wie hoch die voraussichtlichen Produktionskosten für die speziellen Siliziumdioxidplatten und die Fresnel-Linsen-Konstruktion sind. Auch zur wirtschaftlichen Amortisationszeit des Systems finden sich keine Angaben. Zudem bleibt unklar, wie wartungsintensiv die Oberfläche ist, insbesondere im Hinblick auf Verschmutzungen, die die Transparenz der Kühlschicht oder die Bündelung des Sonnenlichts beeinträchtigen könnten. Ebenso fehlen Informationen zur mechanischen Stabilität des Aufbaus bei extremen Wetterereignissen wie Hagel oder starkem Wind. Die Integration in bestehende Gebäudestrukturen und die notwendige Anbindung an die Haustechnik werden ebenfalls nicht im Detail erläutert. Es bleibt abzuwarten, welche weiteren Schritte das Team des KIT plant, um den Prototyp aus dem Labor- und Freilandtest-Stadium in eine serienreife Anwendung zu überführen. Auch die Frage, ob eine industrielle Fertigung der komplexen Schichtsysteme bereits in Planung ist, wird im Bericht nicht beantwortet, was den weiteren Weg zur kommerziellen Nutzung noch offen lässt.