Photovoltaikmodule sind aus dem Stadtbild längst nicht mehr wegzudenken: Sie wandeln Sonnenlicht in Strom um, leisten damit einen unverzichtbaren Beitrag zur Energiewende. Doch das Potenzial der besonnten Fläche auf Dächern und Fassaden ist damit noch lange nicht ausgeschöpft. Forscherinnen und Forscher am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) haben nun ein neuartiges Solarmodul entwickelt, das gleich drei Energieformen auf einmal liefern kann: elektrischen Strom, nutzbare Wärme und – das ist die eigentliche Innovation – Kälte. Ein Prototyp des hybriden Systems, das Sonnenhitze und die Kälte des Weltalls kombiniert, hat vielversprechende Ergebnisse in Feldtests gezeigt.
Das Prinzip hinter der Kälteerzeugung ist ebenso genial wie physikalisch fundamental. Es nutzt einen Effekt, der in der Fachwelt als passive Strahlungskühlung bekannt ist. Dazu wird eine spezielle, hauchdünne Schicht auf dem Modul verwendet, die für sichtbares Sonnenlicht nahezu durchlässig ist. Gleichzeitig emittiert diese Schicht Wärmeenergie in Form von Infrarotstrahlung. Und diese Strahlung wird nicht etwa in der Atmosphäre absorbiert, sondern entweicht direkt ins Weltall, dessen Temperatur nur knapp über dem absoluten Nullpunkt liegt. Der Clou ist die Wellenlänge: Die Schicht strahlt in einem Bereich, der für Treibhausgase wie Kohlendioxid und Wasserdampf durchlässig ist – dem sogenannten atmosphärischen Fenster. Die Wärme entweicht somit ungehindert, und die Oberfläche des Moduls kühlt sich selbst dann unter die Umgebungstemperatur ab, wenn die Sonne scheint.
Feuer und Eis unter einem Dach: Der Aufbau des Hybridmoduls
Das neuartige System vereint zwei scheinbare Gegensätze in einem kompakten Aufbau. Der Forscher Gan Huang vom KIT beschreibt die Herausforderung treffend: „Wir bringen ‚Feuer‘ und ‚Eis‘ zusammen.“ Konkret besteht das Kernstück aus einer Siliziumdioxidplatte, die mit dem Silikon Polydimethylsiloxan (PDMS) beschichtet ist. Diese Kombination sorgt für die passive Kühlung. Hinter dieser Schicht verbirgt sich jedoch die aktive Komponente: Eine Linse fokussiert das durchtretende Sonnenlicht auf einen kleinen, hocheffizienten Sonnenkollektor. Dieser Kollektor wandelt das konzentrierte Licht in Strom um und erzeugt gleichzeitig Wärme, die über einen Kreislauf abgeführt und für Heizzwecke oder Warmwasserbereitung genutzt werden kann.
Die räumliche Trennung der beiden Systeme war entscheidend. Während die Kühlschicht die Wärme abstrahlt, konzentriert der Kollektor die Energie. Auf den ersten Blick heben sich die Effekte gegenseitig auf. Die Lösung der KIT-Forscher: Die kühlende Schicht wird auf der Oberseite des gesamten Moduls aufgebracht. Das einfallende Sonnenlicht passiert sie ungehindert. Der fokussierte Kollektor sitzt darunter in einem Gehäuse, das die erzeugte Wärme isoliert und dennoch die Abstrahlung von der Moduloberfläche ermöglicht.
Was kann der Prototyp? Die Ergebnisse der Freilandversuche
Der Prototyp des Systems wurde im Freien unter realen Bedingungen getestet. Die Zahlen sind beeindruckend und zeigen das Potenzial, aber auch die aktuellen Grenzen der Technologie. In den Versuchen erreichte das Modul eine Abkühlung von bis zu 6,5 Grad Celsius unter die Umgebungstemperatur – ein signifikanter Wert für die passive Kühlung. Gleichzeitig erzeugte es eine elektrische Leistung von etwa 60 Watt pro Quadratmeter und lieferte auf der Wärmeseite Temperaturen von bis zu 111 Grad Celsius. Dieses Temperaturniveau reicht nicht nur für Raumheizung, sondern auch für viele industrielle Prozesse oder die Einspeisung in ein Nahwärmenetz. Um diese Werte zu erreichen, war der Prototyp auf einer beweglichen Halterung montiert, die der Sonne nachgeführt wurde.
Auf den ersten Blick scheint der Stromertrag im Vergleich zu einer reinen Photovoltaikanlage, die heute Spitzenwerte von über 200 Watt pro Quadratmeter erreicht, gering. Der entscheidende Vorteil ist jedoch die Dreifachnutzung der Fläche. Während eine PV-Anlage den Großteil der eingestrahlten Energie als Abwärme verliert und eine Solarthermieanlage nur Wärme liefert, gewinnt das KIT-System Strom, Hochtemperaturwärme und Kühlung gleichzeitig. Der Nutzen erschließt sich nicht durch einen einzelnen Effizienzrekord, sondern durch die hohe Gesamtenergieausbeute der Fläche.
Potenzial jenseits des Eigenheims: KI-Rechenzentren als Anwendungsfall
Die Forscher sehen das System nicht nur auf privaten Dächern, sondern insbesondere in Nischen, wo die Kombination aus hohem Strombedarf und gleichzeitigem Kühlungszwang eine enorme Herausforderung darstellt. Der vielleicht prominenteste Anwendungsfall dieser Art sind KI-Rechenzentren. „Das Konzept könnte auch für energieintensive Anwendungen wie KI-Rechenzentren interessant sein, die viel Strom und Kühlung benötigen“, sagt Gan Huang. Diese Einrichtungen verbrauchen gigantische Mengen an Energie und produzieren immense Abwärme, die aufwendig weggekühlt werden muss. Ein hybrides Solarmodul könnte hier nicht nur sauberen Strom liefern, sondern die Abwärme des Rechenzentrums durch die passive Kühlung des Moduls reduzieren oder die erzeugte Kälte direkt in die Klimatisierung einspeisen.
Die Relevanz dieser Technologie für den deutschen und europäischen Markt ist hoch. In Ballungsgebieten ist der Platz für erneuerbare Energien knapp. Die solare Kühlung, insbesondere in Verbindung mit Wärmepumpen und Kältemaschinen, ist ein wachsender Sektor. Deutschland hat zudem eine starke Forschungs- und Fertigungsindustrie im Bereich der Solartechnik. Sollte es gelingen, die Technologie zur Marktreife zu bringen, könnte sie ein weiterer Baustein für die ganzheitliche Dekarbonisierung des Gebäudesektors und der Industrie sein.
Die nächsten Schritte: Optimierung der optischen Komponenten
Trotz des Erfolgs im Labor und im Freiland betonen die Entwickler, dass das System noch nicht ausgereizt ist. Der Wirkungsgrad der Stromerzeugung liegt deutlich unter dem von High-End-PV-Modulen. Die Arbeitsgruppe um Gan Huang plant daher, das System in drei Kernbereichen zu optimieren. Erstens wird an effizienteren optischen Komponenten zur Lichtführung gearbeitet, um den Kollektor optimal zu treffen. Zweitens steht das Wärmemanagement des gesamten Systems im Fokus: Wie kann die Wärme besser vom Kühlprozess isoliert werden, um die Kühlleistung zu steigern? Drittens sollen leistungsfähigere Solarzellen integriert werden, die speziell auf das konzentrierte Licht ausgelegt sind.
Die Vision ist klar: Gebäude sollen von passiven Energieverbrauchern zu aktiven Kraftwerken werden, die je nach Bedarf und Jahreszeit zwischen der Produktion von Strom, Wärme oder Kälte umschalten können. Die Verschmelzung von Fotovoltaik, Solarthermie und passiver Kühlung zu einem einzigen, intelligent gesteuerten Modul ist ein Schritt in diese Richtung. Der wissenschaftliche Durchbruch der KIT-Forscher zeigt, dass die Kälte des Weltalls – eine bislang weitgehend ungenutzte erneuerbare Ressource – sich technisch nutzen lässt. Sollten die Effizienzsteigerungen gelingen, steht einer kommerziellen Nutzung nach aktuellen Erkenntnissen nichts im Wege.
