Ein am Karlsruher Institut für Technologie entwickeltes hybrides Energiesystem kombiniert Photovoltaik, Wärmenutzung und passive Strahlungskühlung auf derselben Fläche. In Freilandversuchen erzeugte der Prototyp gleichzeitig Strom und nutzbare Wärme und kühlte sich bis zu 6,5 Grad Celsius unter die Umgebungstemperatur ab. Möglich wird das durch eine transparente Kühlschicht, die Wärmestrahlung gezielt in Richtung Weltraum abgibt.
Hybrides Energiesystem: ein Dach für Strom, Wärme und Kühlung
Gebäude benötigen Energie für zahlreiche Aufgaben. Strom versorgt Beleuchtung, Haushaltsgeräte, Server oder Produktionsanlagen. Wärme wird für Heizung, Warmwasser oder industrielle Prozesse gebraucht. Gleichzeitig steigt durch höhere Außentemperaturen, zunehmende technische Ausstattung und wachsende Rechenleistung der Bedarf an Kühlung. Bislang übernehmen diese Aufgaben meistens unterschiedliche technische Systeme.
Forschende des Karlsruher Instituts für Technologie, kurz KIT, verfolgen einen anderen Ansatz. Sie haben ein hybrides Energiesystem für Strom, Wärme und Kühlung entwickelt, das drei Funktionen auf einer gemeinsamen Fläche vereint. Das Konzept verbindet Solarenergienutzung mit der sogenannten passiven Strahlungskühlung. Dadurch soll eine Gebäudeoberfläche nicht mehr nur eine einzelne Aufgabe erfüllen, sondern gleichzeitig mehrere energetische Funktionen übernehmen können.
| Funktion | Technisches Prinzip | Ergebnis des Prototyps |
|---|---|---|
| Strom | Photovoltaische Umwandlung von Sonnenlicht | Elektrische Leistungsdichte von 60,6 W/m² |
| Wärme | Nutzung der thermischen Energie am Solarkollektor | Temperaturen von bis zu 110,8 °C |
| Kühlung | Passive Daytime Radiative Cooling, kurz PDRC | Bis zu 6,5 °C unter Umgebungstemperatur |
| Flächennutzung | Kombination der drei Funktionen | Strom, Wärme und Kühlung auf derselben Fläche |
| Mögliche Anwendungen | Multifunktionale Dachflächen und Fassaden | Gebäude, Industrie und perspektivisch Rechenzentren |
Faktenbox: Das hybride Energiesystem des KIT
- Meldung: Forschende des KIT haben ein System entwickelt und im Freiland getestet, das gleichzeitig Strom, Wärme und passive Kühlung bereitstellen kann.
- Bedeutung: Photovoltaik, Wärmenutzung und Strahlungskühlung müssen bei diesem Konzept nicht auf getrennte Flächen verteilt werden.
- Einordnung: Besonders interessant könnte die Technologie langfristig für Gebäude mit begrenzten Dachflächen und hohem Energiebedarf sowie für energieintensive Anwendungen sein.
- Forschungsstand: Die Ergebnisse stammen aus einem Prototyp und wissenschaftlichen Untersuchungen. Bis zu einem großflächigen wirtschaftlichen Einsatz sind weitere Entwicklungsschritte notwendig.
Warum sind Strom, Wärme und Kühlung auf einer Fläche interessant?
Die verfügbare Fläche auf Gebäuden ist begrenzt. Auf einem Dach können Photovoltaikmodule installiert werden, gleichzeitig kommen Solarthermieanlagen, technische Aufbauten, Lüftungsanlagen, Dachbegrünungen und weitere Systeme infrage. An Fassaden besteht ein ähnlicher Nutzungskonflikt.
Das wird besonders relevant, wenn Gebäude künftig einen größeren Teil ihrer Energie selbst erzeugen sollen. Ein klassisches Photovoltaikmodul nutzt die Fläche hauptsächlich zur Stromproduktion. Eine Solarthermieanlage konzentriert sich auf Wärme. Für die aktive Kühlung kommen wiederum meist elektrisch betriebene Systeme zum Einsatz.
Das hybride Energiesystem des KIT setzt genau an diesem Flächenproblem an. Statt drei Funktionen auf unterschiedliche Anlagen und Flächen aufzuteilen, werden Stromerzeugung, Wärmeerzeugung und Kühlung miteinander kombiniert.
Das bedeutet allerdings nicht, dass eine solche Technologie automatisch klassische Photovoltaik, Wärmepumpen, Klimaanlagen oder Solarthermie ersetzen kann. Vielmehr geht es zunächst um die Frage, wie sich vorhandene Gebäudeoberflächen effizienter und multifunktionaler nutzen lassen.
Welche Vorteile könnte eine multifunktionale Gebäudehülle bieten?
Aus dem Forschungsansatz ergeben sich mehrere mögliche Vorteile:
- Eine Dachfläche könnte mehrere energetische Aufgaben gleichzeitig erfüllen.
- Der Flächenkonflikt zwischen Stromerzeugung, Wärmenutzung und Kühlung könnte reduziert werden.
- Passive Kühlung benötigt grundsätzlich keinen klassischen Kältemittelkreislauf wie eine Kompressionskältemaschine.
- Die vorhandene Solarstrahlung kann sowohl elektrisch als auch thermisch genutzt werden.
- Dächer und Fassaden könnten stärker zu aktiven Bestandteilen der Energieversorgung werden.
- Das Konzept könnte langfristig für Gebäude mit besonders hohem Kühlbedarf interessant werden.
Entscheidend ist dabei die intelligente Kombination der einzelnen Komponenten. Denn Solarenergienutzung und Strahlungskühlung stellen zunächst scheinbar gegensätzliche Anforderungen an eine Oberfläche.
Wie funktioniert das hybride Energiesystem des KIT?
Im Mittelpunkt des Systems steht eine transparente Kühlschicht. Sie besteht aus einer Siliziumdioxidplatte, die mit dem Silikonpolymer Polydimethylsiloxan, kurz PDMS, beschichtet ist.
Diese Schicht erfüllt zwei Aufgaben. Einerseits soll sie Sonnenlicht möglichst gut passieren lassen. Andererseits kann sie Wärme in Form von Infrarotstrahlung abgeben. Diese Wärmestrahlung wird über einen bestimmten Bereich des elektromagnetischen Spektrums durch die Erdatmosphäre in Richtung Weltraum abgestrahlt.
Das Sonnenlicht gelangt durch die transparente Kühlschicht und wird anschließend mithilfe einer Fresnel Linse auf einen kleineren photovoltaisch thermischen Kollektor konzentriert. Dort wird die Sonnenenergie sowohl für die Stromproduktion als auch für die Gewinnung von Wärme genutzt.
Der entscheidende konstruktive Ansatz besteht darin, den heißen und den kalten Bereich räumlich voneinander zu trennen. Die obere Schicht kann ihre Kühlfunktion erfüllen, während darunter das konzentrierte Sonnenlicht einen deutlich kleineren Solarkollektor erwärmt.
Was ist eine Fresnel Linse?
Eine Fresnel Linse erfüllt eine ähnliche Aufgabe wie eine klassische Sammellinse, benötigt dafür jedoch deutlich weniger Material. Sie besteht aus konzentrisch angeordneten Bereichen, die Licht gezielt brechen und bündeln können.
Im KIT System sorgt diese optische Komponente dafür, dass das durch die Kühlschicht gelangende Sonnenlicht auf den darunterliegenden Solarkollektor konzentriert wird. Dadurch muss der eigentliche Kollektor nur einen Teil der Gesamtfläche einnehmen.
Genau diese räumliche Trennung ist für das Konzept wichtig. Würde die gesamte obere Fläche stark aufgeheizt, wäre eine effiziente passive Strahlungskühlung wesentlich schwieriger.
Was bedeutet Passive Daytime Radiative Cooling?
Die Abkürzung PDRC steht für Passive Daytime Radiative Cooling. Auf Deutsch lässt sich der Begriff als passive Strahlungskühlung am Tag beschreiben.
Jeder Körper gibt abhängig von seiner Temperatur elektromagnetische Strahlung ab. Bei den auf der Erde üblichen Temperaturen geschieht dies vor allem im Infrarotbereich. Bestimmte Materialien können so entwickelt werden, dass sie Wärmestrahlung besonders effektiv in einem Wellenlängenbereich abstrahlen, in dem die Erdatmosphäre vergleichsweise durchlässig ist.
Dieser Bereich wird als atmosphärisches Fenster bezeichnet. Vereinfacht gesagt kann ein Teil der Wärmestrahlung die Atmosphäre passieren und in Richtung des sehr kalten Weltraums abgegeben werden.
Das Interessante an PDRC besteht darin, dass der Vorgang grundsätzlich ohne elektrisch betriebene Kältemaschine funktioniert. Unter geeigneten Bedingungen kann eine Oberfläche dadurch sogar eine Temperatur unterhalb der Umgebungstemperatur erreichen.
Faktenbox: Was ist das atmosphärische Fenster?
Die Erdatmosphäre absorbiert nicht jede elektromagnetische Strahlung gleich stark. In bestimmten Wellenlängenbereichen kann Infrarotstrahlung vergleichsweise gut durch die Atmosphäre gelangen. Materialien für passive Strahlungskühlung werden so gestaltet, dass sie Wärme bevorzugt in einem geeigneten Bereich abstrahlen. Dadurch kann Wärme an die Umgebung und letztlich in Richtung Weltraum abgegeben werden.
Warum funktioniert Strahlungskühlung auch bei Sonnenschein?
Hier liegt eine der technischen Herausforderungen. Eine Oberfläche, die Sonnenlicht stark absorbiert, erwärmt sich. Damit passive Strahlungskühlung tagsüber funktioniert, muss ein Material deshalb einerseits möglichst wenig unerwünschte Sonnenenergie aufnehmen und andererseits Wärmestrahlung effizient abgeben können.
Das KIT Konzept löst dieses Problem nicht allein über die Materialeigenschaften. Das Sonnenlicht darf die transparente Kühlschicht weitgehend passieren. Erst darunter wird es konzentriert und energetisch genutzt.
Dadurch können zwei scheinbar gegensätzliche Prozesse nebeneinander stattfinden: oben möglichst effektive Kühlung und darunter möglichst intensive Nutzung der Sonnenenergie.
Welche Leistung erreichte der Prototyp im Freiland?
Ein wichtiger Punkt der Forschungsarbeit ist, dass das Konzept nicht ausschließlich als theoretische Simulation untersucht wurde. Die Forschenden testeten einen Prototyp unter Freilandbedingungen.
Dabei konnten drei Funktionen gleichzeitig nachgewiesen werden. Die Kühlung erreichte bis zu 6,5 Grad Celsius unterhalb der Umgebungstemperatur. Gleichzeitig wurde eine elektrische Leistungsdichte von 60,6 Watt pro Quadratmeter gemessen. Für die Wärmenutzung erreichte das System Temperaturen von bis zu 110,8 Grad Celsius.
Diese Werte zeigen, dass sich die drei energetischen Funktionen prinzipiell miteinander verbinden lassen. Sie sollten allerdings nicht als garantierte Leistungsdaten einer bereits verfügbaren Dachanlage verstanden werden. Es handelt sich um Ergebnisse eines Forschungsprototyps unter den jeweiligen Versuchsbedingungen.
Was sagen die Leistungswerte für die Praxis aus?
Für eine spätere praktische Anwendung müssen wesentlich mehr Faktoren berücksichtigt werden. Dazu zählen beispielsweise:
- Außentemperatur
- Luftfeuchtigkeit
- Bewölkung
- Sonnenstand und Sonneneinstrahlung
- Ausrichtung der Anlage
- Verschmutzung der Oberfläche
- Alterung der Materialien
- Windverhältnisse
- thermische Verluste
- Kosten für Herstellung und Installation
Ein erfolgreicher Prototyp beantwortet deshalb noch nicht alle Fragen zur Wirtschaftlichkeit und Langzeitstabilität. Er zeigt jedoch, dass das physikalische Konzept unter realen Außenbedingungen funktionieren kann.
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Warum sprechen die Forschenden von Feuer und Eis?
Projektleiter Dr. Gan Huang beschreibt die technische Herausforderung sinngemäß als Verbindung von Feuer und Eis. Die Formulierung verdeutlicht den zentralen Zielkonflikt des Systems.
Der Solarkollektor soll möglichst viel Sonnenenergie aufnehmen. Für eine hohe thermische Leistung darf er entsprechend heiß werden. Die Strahlungskühlung verfolgt dagegen genau das entgegengesetzte Ziel. Ihre Oberfläche soll möglichst kühl bleiben und Wärme effizient an die Umgebung beziehungsweise über das atmosphärische Fenster in Richtung Weltraum abstrahlen.
Würde man beide Funktionen einfach auf derselben Materialschicht miteinander verbinden, könnten sie sich gegenseitig beeinträchtigen. Eine stark absorbierende Solaroberfläche wäre für die Kühlung ungünstig. Eine Oberfläche, die Sonnenlicht möglichst wenig absorbiert, wäre wiederum als klassischer Solarabsorber ungeeignet.
Die Lösung liegt deshalb in der räumlichen und optischen Trennung. Das Sonnenlicht passiert zunächst die transparente Kühlschicht. Erst anschließend konzentriert eine Fresnel Linse die Strahlung auf den kleineren Solarkollektor.
Welche Rolle spielt die transparente Kühlschicht?
Die transparente Kühlschicht ist eine der Schlüsselkomponenten des Systems. Nach Angaben der Forschenden besteht sie aus einer Siliziumdioxidplatte mit einer Beschichtung aus Polydimethylsiloxan.
PDMS ist ein silikonbasiertes Polymer, das in Forschung und Technik für sehr unterschiedliche Anwendungen eingesetzt wird. Für das hier entwickelte Energiesystem sind vor allem seine optischen und infraroten Eigenschaften interessant.
Die Materialkombination soll sichtbares Sonnenlicht weitgehend durchlassen und gleichzeitig die Abstrahlung von Wärme im Infrarotbereich ermöglichen. Dadurch entsteht eine Art funktionale Trennung verschiedener Wellenlängenbereiche.
Das sichtbare beziehungsweise für die Solarenergienutzung relevante Licht wird weitergeleitet. Die thermische Infrarotstrahlung kann dagegen zur Kühlung genutzt werden.
Wie baut die neue Forschung auf früheren KIT Arbeiten auf?
Das aktuelle hybride Energiesystem entstand nicht aus dem Nichts. Bereits 2024 berichtete das KIT über ein neuartiges transparentes Material, das Tageslicht in Gebäude hineinlassen und gleichzeitig zur passiven Kühlung beitragen kann.
Diese vorangegangene Forschung bildet eine wichtige Grundlage für die aktuelle Entwicklung. Während zunächst die Kombination aus Lichtdurchlässigkeit und Strahlungskühlung im Mittelpunkt stand, wurde das Konzept nun um die aktive Nutzung der durchgelassenen Sonnenenergie erweitert.
Weitere Informationen zur vorangegangenen Forschungsarbeit findest Du direkt beim Karlsruher Institut für Technologie unter Neuartiges Material für nachhaltiges Bauen: KIT Forschung zur passiven Kühlung.
Der Entwicklungsschritt ist bemerkenswert: Eine transparente Oberfläche soll nicht mehr lediglich Licht durchlassen und gleichzeitig kühlen. Das hindurchtretende Sonnenlicht wird zusätzlich aufgefangen und für die Erzeugung von Strom und Wärme verwendet.
Welche Vorteile könnte das hybride Energiesystem bieten?
Das größte Potenzial liegt in der Multifunktionalität. Gebäudehüllen könnten künftig stärker als technische Flächen betrachtet werden, die mehrere Aufgaben gleichzeitig übernehmen.
Kann die vorhandene Dachfläche effizienter genutzt werden?
Ja, zumindest konzeptionell gehört genau das zu den wichtigsten Vorteilen. Dachflächen sind besonders in Städten begrenzt. Je mehr technische Systeme installiert werden sollen, desto stärker konkurrieren sie um den verfügbaren Platz.
Ein System, das mehrere Funktionen auf derselben Fläche kombiniert, könnte diesen Nutzungskonflikt reduzieren. Das ist insbesondere bei Gebäuden interessant, bei denen große Energiebedarfe einer vergleichsweise kleinen verfügbaren Dachfläche gegenüberstehen.
Kann passive Kühlung Strom sparen?
Passive Strahlungskühlung benötigt für den eigentlichen physikalischen Abstrahlungsprozess keine elektrisch angetriebene Kompressionskältemaschine. Daraus ergibt sich grundsätzlich ein Potenzial zur Verringerung des Strombedarfs für bestimmte Kühlaufgaben.
Ob und in welchem Umfang sich daraus bei einem konkreten Gebäude tatsächlich Energieeinsparungen ergeben, hängt jedoch von der technischen Integration, den klimatischen Bedingungen und dem jeweiligen Kühlbedarf ab.
Eine passive Kühlschicht kann deshalb nicht pauschal mit einer Klimaanlage gleichgesetzt werden. Klimaanlagen können Innenräume gezielt auf bestimmte Temperaturen bringen und Luft entfeuchten. Passive Strahlungskühlung arbeitet nach einem anderen Prinzip und besitzt entsprechend andere Einsatzgrenzen.
Welche Bedeutung hat die zusätzliche Wärmenutzung?
Photovoltaische Zellen wandeln nur einen Teil der auftreffenden Sonnenenergie in elektrischen Strom um. Ein weiterer Teil wird zu Wärme. Bei klassischen PV Modulen kann diese Erwärmung sogar nachteilig sein, weil hohe Zelltemperaturen den elektrischen Wirkungsgrad beeinflussen.
Photovoltaisch thermische Systeme, häufig als PVT bezeichnet, versuchen deshalb, elektrische und thermische Energie gemeinsam zu nutzen. Beim KIT Konzept wird die konzentrierte Sonnenstrahlung ebenfalls sowohl für die Stromerzeugung als auch für die Bereitstellung von Wärme eingesetzt.
Die im Versuch erreichten Temperaturen von bis zu 110,8 Grad Celsius zeigen, dass dabei nicht nur geringfügig erwärmtes Wasser im Mittelpunkt steht. Welche konkreten Anwendungen sich für solche Temperaturen wirtschaftlich eignen, muss allerdings abhängig vom späteren Systemdesign betrachtet werden.
Könnte das System für KI Rechenzentren interessant werden?
Die Forschenden nennen energieintensive Anwendungen wie KI Rechenzentren ausdrücklich als mögliches zukünftiges Einsatzgebiet. Der Gedanke liegt nahe, denn Rechenzentren benötigen nicht nur große Mengen elektrischer Energie. Ein erheblicher technischer Aufwand entsteht zusätzlich durch die Kühlung der Server und anderer Komponenten.
Mit zunehmender Nutzung von Künstlicher Intelligenz steigt die Bedeutung leistungsfähiger Recheninfrastruktur. Hochleistungsprozessoren erzeugen große Wärmemengen, die zuverlässig abgeführt werden müssen.
Ein Gebäudesystem, das gleichzeitig Solarstrom bereitstellt und zur Kühlung beitragen kann, ist deshalb grundsätzlich interessant. Die thermische Energie könnte je nach Standort und Anlagenkonzept zusätzlich genutzt werden.
Faktenbox: Potenzial für Rechenzentren
Rechenzentren benötigen gleichzeitig Strom und Kühlung. Genau diese Kombination macht multifunktionale Energiesysteme für diesen Bereich interessant. Das KIT System befindet sich jedoch im Forschungsstadium. Aus den erfolgreichen Freilandversuchen lässt sich noch nicht ableiten, dass damit heutige Kühlsysteme großer Rechenzentren vollständig ersetzt werden können.
Welche Nachteile und offenen Fragen gibt es?
Bei neuen Energietechnologien ist es wichtig, nicht nur die Vorteile zu betrachten. Zwischen einem funktionierenden Forschungsprototyp und einer wirtschaftlich konkurrenzfähigen Anlage auf tausenden Gebäuden liegen zahlreiche Entwicklungsschritte.
Wie komplex ist die Konstruktion?
Das System kombiniert optische Komponenten, Materialien zur Strahlungskühlung, Photovoltaik und thermische Nutzung. Diese Multifunktionalität kann Vorteile bieten, erhöht aber zugleich die technische Komplexität.
Bei einer kommerziellen Anwendung müssten sämtliche Komponenten zuverlässig über viele Jahre funktionieren. Gleichzeitig müssten Wartung, Reinigung und Reparaturen wirtschaftlich möglich bleiben.
Wie langlebig sind die verwendeten Materialien?
Gebäudehüllen sind dauerhaft UV Strahlung, Regen, Frost, Hitze, Staub und mechanischen Belastungen ausgesetzt. Für eine spätere Markteinführung wäre deshalb entscheidend, wie sich die optischen und thermischen Eigenschaften der verwendeten Materialien über viele Jahre verändern.
Wie stark beeinflusst das Wetter die Kühlung?
Die Leistungsfähigkeit der Strahlungskühlung hängt von den atmosphärischen Bedingungen ab. Wolken und hohe Luftfeuchtigkeit können die Abstrahlung beeinflussen. Deshalb kann die unter bestimmten Versuchsbedingungen erreichte Temperaturdifferenz nicht automatisch auf jeden Standort und jede Wetterlage übertragen werden.
Wie hoch werden die Kosten?
Die Wirtschaftlichkeit dürfte letztlich darüber entscheiden, ob sich solche Systeme breit durchsetzen können. Dafür müssen nicht nur die Materialkosten berücksichtigt werden. Hinzu kommen Herstellung, Montage, Wartung, Lebensdauer und die technische Einbindung in Gebäude.
Gleichzeitig müsste ein wirtschaftlicher Vergleich berücksichtigen, dass das System mehrere Funktionen übernimmt. Ein fairer Kostenvergleich dürfte daher nicht ausschließlich mit einem einfachen Photovoltaikmodul erfolgen, sondern müsste auch den Wert der bereitgestellten Wärme und Kühlleistung berücksichtigen.
Kann das hybride Energiesystem klassische Klimaanlagen ersetzen?
Nach dem derzeitigen Forschungsstand wäre eine solche Aussage zu weitgehend. Passive Strahlungskühlung besitzt interessante Eigenschaften, erfüllt aber nicht automatisch sämtliche Aufgaben einer aktiven Klimaanlage.
Eine Klimaanlage kann beispielsweise die Raumtemperatur gezielt regeln, Luft umwälzen und je nach System die Luftfeuchtigkeit beeinflussen. Ein passives Strahlungskühlsystem stellt dagegen eine thermische Senke bereit, die zunächst in ein entsprechendes Gebäudekonzept eingebunden werden muss.
Realistischer erscheint deshalb die Betrachtung als ergänzende Technologie. Wenn ein Teil der Kühllast passiv gedeckt werden kann, könnte der Energiebedarf aktiver Kühlsysteme sinken. Ob das bei einem konkreten Gebäude funktioniert, hängt von Architektur, Klima, Nutzungsprofil und technischer Umsetzung ab.
Welche rechtlichen Anforderungen wären bei Gebäuden zu beachten?
Das Forschungssystem selbst wirft zunächst keine ungewöhnlichen rechtlichen Fragen auf. Bei einer späteren kommerziellen Installation auf Gebäuden müssten jedoch die üblichen baurechtlichen und technischen Anforderungen berücksichtigt werden.
Dazu können je nach konkreter Ausführung unter anderem gehören:
- baurechtliche Vorgaben
- Brandschutzanforderungen
- elektrotechnische Normen
- statische Anforderungen an Dach und Fassade
- Vorgaben für Photovoltaikanlagen
- Netzanschluss und elektrische Sicherheit
- Anforderungen an Wärmekreisläufe
- Arbeitsschutz bei Installation und Wartung
Welche Regelungen tatsächlich gelten, hängt von der späteren technischen Ausführung und dem Einsatzort ab. Da sich die Technologie noch in der Forschung befindet, lässt sich daraus derzeit kein allgemeines Genehmigungsverfahren für ein fertiges Produkt ableiten.
Welche medizinischen oder gesundheitlichen Grenzen sind relevant?
Das System ist eine Energie und Gebäudetechnologie und keine medizinische Anwendung. Dennoch spielt das Raumklima grundsätzlich eine Rolle für Komfort und Wohlbefinden von Menschen.
Aus den Forschungsergebnissen dürfen jedoch keine medizinischen Wirkungen abgeleitet werden. Eine technische Kühlleistung bedeutet nicht automatisch ein gesundheitlich optimales Raumklima. Dafür sind zusätzlich Luftqualität, Luftfeuchtigkeit, Luftbewegung, individuelle Anforderungen und zahlreiche weitere Faktoren relevant.
Besonders bei Krankenhäusern, Pflegeeinrichtungen oder anderen sensiblen Gebäuden müssten entsprechende Raumklima und Hygienestandards unabhängig von der eingesetzten Energietechnik eingehalten werden.
Was wollen die Forschenden als Nächstes verbessern?
Das KIT Team betrachtet das aktuelle System als Ausgangspunkt für weitere Optimierungen. Nach Angaben der Forschenden sollen insbesondere die Führung des Sonnenlichts, das Wärmemanagement und die Solarzellen weiterentwickelt werden.
Diese drei Bereiche sind eng miteinander verbunden. Eine effizientere Lichtführung könnte mehr Solarenergie auf den Kollektor bringen. Ein verbessertes Wärmemanagement könnte thermische Verluste reduzieren und gleichzeitig verhindern, dass sich die verschiedenen Funktionsbereiche gegenseitig negativ beeinflussen. Leistungsfähigere oder besser angepasste Solarzellen könnten wiederum die elektrische Energieausbeute verbessern.
Für eine spätere Anwendung dürften zusätzlich Fragen zur Skalierung wichtig werden. Ein kleiner Prototyp muss sich nicht automatisch identisch verhalten wie eine großflächige Installation auf einem Dach oder einer Fassade.
Was bedeutet die Forschung für die Energiewende?
Das hybride Energiesystem löst nicht allein die Herausforderungen der Energiewende. Es zeigt jedoch eine interessante Richtung: Energieflächen könnten künftig wesentlich vielseitiger genutzt werden.
Bei der Diskussion über erneuerbare Energien steht häufig die Frage im Mittelpunkt, wo zusätzliche Anlagen installiert werden können. Dachflächen und Fassaden besitzen dabei den Vorteil, dass sie bereits Teil der bebauten Umgebung sind.
Wenn solche Flächen gleichzeitig Strom produzieren, Wärme bereitstellen und zur Kühlung beitragen können, erhöht sich ihr funktionaler Nutzen. Besonders in dicht bebauten Städten könnte dieser Ansatz langfristig interessant sein.
Hinzu kommt ein weiterer Aspekt. Steigende Temperaturen können den Kühlbedarf von Gebäuden erhöhen. Wird diese Kühlung ausschließlich durch elektrisch betriebene Klimaanlagen bereitgestellt, kann gerade an heißen Tagen der Strombedarf stark steigen. Passive Kühltechnologien könnten hier perspektivisch einen Beitrag leisten, sofern sie technisch und wirtschaftlich sinnvoll in Gebäude integriert werden können.
Welche Bedeutung hat die Kälte des Weltraums als Ressource?
Besonders ungewöhnlich an der Forschungsarbeit ist die Perspektive auf den Himmel. Bei erneuerbaren Energien denken die meisten Menschen zunächst an die Sonne, den Wind oder Wasserkraft. Die Forschenden weisen darauf hin, dass auch der kalte Weltraum beziehungsweise der Strahlungsaustausch mit ihm technisch genutzt werden kann.
Natürlich wird dabei keine Kälte im klassischen Sinn vom Weltraum zur Erde transportiert. Physikalisch betrachtet gibt eine geeignete Oberfläche Wärmestrahlung ab. Wenn sie mehr Energie abstrahlt als sie aus ihrer Umgebung aufnimmt, sinkt ihre Temperatur.
Die Formulierung von der Kälte des Weltraums beschreibt diesen Vorgang anschaulich. Entscheidend ist der Strahlungsaustausch und die besondere Durchlässigkeit der Atmosphäre in bestimmten infraroten Wellenlängenbereichen.
Das KIT System verbindet damit zwei unterschiedliche energetische Prozesse. Die einfallende Sonnenstrahlung liefert nutzbare Energie. Gleichzeitig wird Wärmestrahlung in Richtung des kalten Weltraums abgegeben.
Wie könnte ein praktischer Einsatz auf einem Gebäude aussehen?
Ein mögliches Zukunftsszenario wäre eine multifunktionale Dachfläche. Das einfallende Sonnenlicht passiert zunächst die für Strahlungskühlung optimierte Oberfläche. Ein optisches System konzentriert einen Teil des Lichts anschließend auf photovoltaisch thermische Kollektoren.
Der erzeugte Strom könnte direkt im Gebäude genutzt, gespeichert oder in das Stromnetz eingespeist werden. Die gewonnene Wärme könnte je nach Temperaturniveau für Warmwasser, Heizungsunterstützung oder technische Prozesse verwendet werden.
Die Kühlleistung der Oberfläche könnte gleichzeitig über einen geeigneten Wärmetauscher oder Kühlkreislauf in die Gebäudetechnik integriert werden.
Das ist derzeit ein beispielhaftes Anwendungsszenario und keine Beschreibung eines bereits serienmäßig verfügbaren Produkts. Gerade die Integration in bestehende Gebäudetechnik dürfte ein wichtiger Forschungsbereich sein.
Praxisbeispiel: Multifunktionales Bürogebäude
Angenommen, ein Bürogebäude besitzt nur eine begrenzte freie Dachfläche. Klassisch müsste entschieden werden, welcher Anteil für Photovoltaik, Solarthermie oder andere technische Anlagen genutzt wird. Ein hybrides System könnte perspektivisch mehrere dieser Funktionen auf derselben Fläche verbinden. Tagsüber würde Strom erzeugt, thermische Energie gewonnen und gleichzeitig passive Kühlleistung bereitgestellt. Ob sich ein solches Konzept wirtschaftlich lohnt, müsste für jedes Gebäude individuell berechnet werden.
Welche Fragen zum hybriden Energiesystem werden häufig gestellt?
Was ist das hybride Energiesystem des KIT?
Es handelt sich um ein Forschungssystem, das Photovoltaik, thermische Solarenergienutzung und passive Strahlungskühlung miteinander kombiniert. Ziel ist es, Strom, Wärme und Kühlung gleichzeitig auf derselben Fläche bereitzustellen.
Wie kalt wurde der Prototyp?
In den Freilandversuchen erreichte die Strahlungskühlung nach Angaben des KIT Temperaturen von bis zu 6,5 Grad Celsius unterhalb der Umgebungstemperatur.
Wie viel Strom erzeugte das System?
Die Forschenden berichten von einer elektrischen Leistungsdichte von 60,6 Watt pro Quadratmeter unter den Bedingungen des Versuchs.
Welche Temperatur erreichte die Wärmenutzung?
Im Prototyp wurden Temperaturen von bis zu 110,8 Grad Celsius erreicht.
Was bedeutet PDRC?
PDRC steht für Passive Daytime Radiative Cooling. Dabei gibt eine speziell entwickelte Oberfläche Wärme in Form von Infrarotstrahlung ab. Unter geeigneten Bedingungen kann sie dadurch auch tagsüber unter die Umgebungstemperatur abkühlen.
Benötigt die Strahlungskühlung Strom?
Der grundlegende physikalische Prozess der Strahlungsabgabe benötigt keine elektrisch angetriebene Kältemaschine. Ein vollständiges technisches Gebäudesystem kann jedoch beispielsweise Pumpen, Steuerungen oder weitere elektrische Komponenten benötigen.
Kann das System bereits für Wohnhäuser gekauft werden?
Die vorgestellte Entwicklung ist ein Forschungsprototyp. Die Veröffentlichung beschreibt wissenschaftliche Ergebnisse und kein allgemein verfügbares Serienprodukt für Hausbesitzer.
Warum wird das Sonnenlicht konzentriert?
Durch die Konzentration kann der eigentliche Solarkollektor deutlich kleiner als die darüberliegende Kühlschicht ausgeführt werden. Dadurch lassen sich der heiße Bereich der Solarenergienutzung und der kühlere Bereich der Strahlungskühlung räumlich voneinander trennen.
Könnte die Technologie für Rechenzentren eingesetzt werden?
Die Forschenden sehen darin ein mögliches zukünftiges Einsatzgebiet, weil Rechenzentren gleichzeitig große Mengen Strom und Kühlung benötigen. Ob und in welcher Form das System dort wirtschaftlich eingesetzt werden kann, müssen weitere Entwicklungen und Untersuchungen zeigen.
Wie ist die neue KIT Forschung insgesamt einzuordnen?
Das hybride Energiesystem des Karlsruher Instituts für Technologie zeigt einen spannenden Ansatz für die zukünftige Nutzung von Dach und Fassadenflächen. Statt Photovoltaik, Wärmeerzeugung und Kühlung grundsätzlich als getrennte Aufgaben zu betrachten, verbindet das System diese Funktionen auf einer gemeinsamen Fläche.
Besonders interessant ist die Kombination zweier physikalisch gegensätzlich wirkender Prozesse. Sonnenstrahlung wird konzentriert, um Strom und hohe Temperaturen für die Wärmenutzung zu erzeugen. Gleichzeitig gibt eine transparente Kühlschicht Infrarotstrahlung über das atmosphärische Fenster in Richtung Weltraum ab.
Die Freilandversuche zeigen, dass dieses Prinzip praktisch funktionieren kann. Eine Kühlung bis 6,5 Grad Celsius unterhalb der Umgebungstemperatur, eine elektrische Leistungsdichte von 60,6 Watt pro Quadratmeter und Temperaturen von bis zu 110,8 Grad Celsius für die Wärmenutzung sind bemerkenswerte Ergebnisse eines kombinierten Prototyps.
Trotzdem befindet sich die Technologie weiterhin im Forschungsstadium. Fragen zu Kosten, Lebensdauer, Skalierung, Wartung, wetterabhängiger Leistung und Integration in reale Gebäude müssen beantwortet werden, bevor sich beurteilen lässt, welche Rolle solche Systeme im zukünftigen Energiemix spielen können.
Was ist das Fazit zum hybriden Energiesystem?
Das hybride Energiesystem des KIT zeigt, wie Gebäudeoberflächen künftig mehrere Aufgaben gleichzeitig übernehmen könnten. Eine transparente Kühlschicht ermöglicht passive Strahlungskühlung, während das hindurchtretende Sonnenlicht konzentriert und anschließend zur Strom und Wärmeerzeugung genutzt wird.
Damit verbindet das Forschungsteam Sonnenenergie mit einem Effekt, der im Alltag kaum wahrgenommen wird: der Möglichkeit, Wärme über Infrarotstrahlung durch das atmosphärische Fenster in Richtung Weltraum abzugeben.
Für die Praxis ist vor allem die effizientere Nutzung begrenzter Flächen interessant. Dächer und Fassaden könnten perspektivisch nicht mehr ausschließlich Wetterschutz oder Träger einzelner Solarmodule sein, sondern zu multifunktionalen Energieflächen werden.
Ob daraus tatsächlich eine wirtschaftlich erfolgreiche Technologie für Wohngebäude, Gewerbeimmobilien, Industrieanlagen oder KI Rechenzentren entsteht, lässt sich zum jetzigen Zeitpunkt noch nicht abschließend beurteilen. Der erfolgreiche Prototyp liefert jedoch einen wichtigen Nachweis dafür, dass Stromproduktion, Wärmenutzung und passive Kühlung technisch auf derselben Fläche miteinander kombiniert werden können.
Kurz zusammengefasst
- Das KIT hat ein hybrides Energiesystem für Strom, Wärme und Kühlung entwickelt.
- Das System kombiniert Photovoltaik, thermische Energienutzung und passive Strahlungskühlung.
- Eine transparente Kühlschicht lässt Sonnenlicht passieren und gibt gleichzeitig Infrarotstrahlung ab.
- Eine Fresnel Linse konzentriert das Sonnenlicht auf einen kleineren photovoltaisch thermischen Kollektor.
- Im Freiland wurde eine Kühlung bis 6,5 °C unter Umgebungstemperatur erreicht.
- Die elektrische Leistungsdichte lag bei bis zu 60,6 W/m².
- Für die Wärmenutzung wurden Temperaturen bis 110,8 °C erreicht.
- Mögliche zukünftige Anwendungen reichen von Gebäuden bis zu energieintensiven Rechenzentren.
- Die Technologie befindet sich weiterhin im Forschungsstadium.
Welche wissenschaftliche Veröffentlichung liegt der Forschung zugrunde?
Die Ergebnisse wurden 2026 in der wissenschaftlichen Fachzeitschrift Cell Reports Physical Science veröffentlicht. Die Originalpublikation stammt von Iván Alberto Cruz García, Botho Lehmann, Shanhui Fan und Gan Huang.
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.
Weitere Informationen zur vorangegangenen KIT Forschung:
KIT: Neuartiges Material für nachhaltiges Bauen und passive Kühlung
Quelle / Infos / Pressemitteilung: https://idw-online.de/de/news875925 und https://www.kit.edu/kit/pi_2024_037_neuartiges-material-fur-nachhaltiges-bauen.php
Michael Färber beschäftigt sich seit 2018 intensiv mit Cannabis, Hanf und CBD. Er absolvierte den Master of Cannabis Industry sowie die Ausbildung zum ACM-zertifizierten Berater für Medikamente auf Cannabisbasis. Dieser Artikel wurde von ihm redaktionell erstellt und geprüft und basiert auf eigener Recherche, Pressemitteilungen, aktuellen News, wissenschaftlichen Studien, langjähriger Erfahrung sowie modernen Recherche- und Textwerkzeugen. Weitere Informationen findest du hier: Autorenvorstellung von Michael Färber
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