Photovoltaikmodule sind aus dem Stadtbild l\u00e4ngst nicht mehr wegzudenken: Sie wandeln Sonnenlicht in Strom um, leisten damit einen unverzichtbaren Beitrag zur Energiewende. Doch das Potenzial der besonnten Fl\u00e4che auf D\u00e4chern und Fassaden ist damit noch lange nicht ausgesch\u00f6pft. Forscherinnen und Forscher am Karlsruher Institut f\u00fcr Technologie (KIT) haben nun ein neuartiges Solarmodul entwickelt, das gleich drei Energieformen auf einmal liefern kann: elektrischen Strom, nutzbare W\u00e4rme und \u2013 das ist die eigentliche Innovation \u2013 K\u00e4lte. Ein Prototyp des hybriden Systems, das Sonnenhitze und die K\u00e4lte des Weltalls kombiniert, hat vielversprechende Ergebnisse in Feldtests gezeigt.<\/p>\n
Das Prinzip hinter der K\u00e4lteerzeugung ist ebenso genial wie physikalisch fundamental. Es nutzt einen Effekt, der in der Fachwelt als passive Strahlungsk\u00fchlung bekannt ist. Dazu wird eine spezielle, hauchd\u00fcnne Schicht auf dem Modul verwendet, die f\u00fcr sichtbares Sonnenlicht nahezu durchl\u00e4ssig ist. Gleichzeitig emittiert diese Schicht W\u00e4rmeenergie in Form von Infrarotstrahlung. Und diese Strahlung wird nicht etwa in der Atmosph\u00e4re absorbiert, sondern entweicht direkt ins Weltall, dessen Temperatur nur knapp \u00fcber dem absoluten Nullpunkt liegt. Der Clou ist die Wellenl\u00e4nge: Die Schicht strahlt in einem Bereich, der f\u00fcr Treibhausgase wie Kohlendioxid und Wasserdampf durchl\u00e4ssig ist \u2013 dem sogenannten atmosph\u00e4rischen Fenster. Die W\u00e4rme entweicht somit ungehindert, und die Oberfl\u00e4che des Moduls k\u00fchlt sich selbst dann unter die Umgebungstemperatur ab, wenn die Sonne scheint.<\/p>\n
Das neuartige System vereint zwei scheinbare Gegens\u00e4tze in einem kompakten Aufbau. Der Forscher Gan Huang vom KIT beschreibt die Herausforderung treffend: \u201eWir bringen \u201aFeuer\u2018 und \u201aEis\u2018 zusammen.\u201c Konkret besteht das Kernst\u00fcck aus einer Siliziumdioxidplatte, die mit dem Silikon Polydimethylsiloxan (PDMS) beschichtet ist. Diese Kombination sorgt f\u00fcr die passive K\u00fchlung. 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 W\u00e4rme, die \u00fcber einen Kreislauf abgef\u00fchrt und f\u00fcr Heizzwecke oder Warmwasserbereitung genutzt werden kann.<\/p>\n
Die r\u00e4umliche Trennung der beiden Systeme war entscheidend. W\u00e4hrend die K\u00fchlschicht die W\u00e4rme abstrahlt, konzentriert der Kollektor die Energie. Auf den ersten Blick heben sich die Effekte gegenseitig auf. Die L\u00f6sung der KIT-Forscher: Die k\u00fchlende Schicht wird auf der Oberseite des gesamten Moduls aufgebracht. Das einfallende Sonnenlicht passiert sie ungehindert. Der fokussierte Kollektor sitzt darunter in einem Geh\u00e4use, das die erzeugte W\u00e4rme isoliert und dennoch die Abstrahlung von der Moduloberfl\u00e4che erm\u00f6glicht.<\/p>\n
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 Abk\u00fchlung von bis zu 6,5 Grad Celsius<\/strong> unter die Umgebungstemperatur \u2013 ein signifikanter Wert f\u00fcr die passive K\u00fchlung. Gleichzeitig erzeugte es eine elektrische Leistung von etwa 60 Watt pro Quadratmeter<\/strong> und lieferte auf der W\u00e4rmeseite Temperaturen von bis zu 111 Grad Celsius<\/strong>. Dieses Temperaturniveau reicht nicht nur f\u00fcr Raumheizung, sondern auch f\u00fcr viele industrielle Prozesse oder die Einspeisung in ein Nahw\u00e4rmenetz. Um diese Werte zu erreichen, war der Prototyp auf einer beweglichen Halterung montiert, die der Sonne nachgef\u00fchrt wurde.<\/p>\n Auf den ersten Blick scheint der Stromertrag im Vergleich zu einer reinen Photovoltaikanlage, die heute Spitzenwerte von \u00fcber 200 Watt pro Quadratmeter erreicht, gering. Der entscheidende Vorteil ist jedoch die Dreifachnutzung der Fl\u00e4che. W\u00e4hrend eine PV-Anlage den Gro\u00dfteil der eingestrahlten Energie als Abw\u00e4rme verliert und eine Solarthermieanlage nur W\u00e4rme liefert, gewinnt das KIT-System Strom, Hochtemperaturw\u00e4rme und K\u00fchlung gleichzeitig. Der Nutzen erschlie\u00dft sich nicht durch einen einzelnen Effizienzrekord, sondern durch die hohe Gesamtenergieausbeute der Fl\u00e4che.<\/p>\n Die Forscher sehen das System nicht nur auf privaten D\u00e4chern, sondern insbesondere in Nischen, wo die Kombination aus hohem Strombedarf und gleichzeitigem K\u00fchlungszwang eine enorme Herausforderung darstellt. Der vielleicht prominenteste Anwendungsfall dieser Art sind KI-Rechenzentren. \u201eDas Konzept k\u00f6nnte auch f\u00fcr energieintensive Anwendungen wie KI-Rechenzentren interessant sein, die viel Strom und K\u00fchlung ben\u00f6tigen\u201c, sagt Gan Huang. Diese Einrichtungen verbrauchen gigantische Mengen an Energie und produzieren immense Abw\u00e4rme, die aufwendig weggek\u00fchlt werden muss. Ein hybrides Solarmodul k\u00f6nnte hier nicht nur sauberen Strom liefern, sondern die Abw\u00e4rme des Rechenzentrums durch die passive K\u00fchlung des Moduls reduzieren oder die erzeugte K\u00e4lte direkt in die Klimatisierung einspeisen.<\/p>\n Die Relevanz dieser Technologie f\u00fcr den deutschen und europ\u00e4ischen Markt ist hoch. In Ballungsgebieten ist der Platz f\u00fcr erneuerbare Energien knapp. Die solare K\u00fchlung, insbesondere in Verbindung mit W\u00e4rmepumpen und K\u00e4ltemaschinen, 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, k\u00f6nnte sie ein weiterer Baustein f\u00fcr die ganzheitliche Dekarbonisierung des Geb\u00e4udesektors und der Industrie sein.<\/p>\n 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 Lichtf\u00fchrung gearbeitet, um den Kollektor optimal zu treffen. Zweitens steht das W\u00e4rmemanagement des gesamten Systems im Fokus: Wie kann die W\u00e4rme besser vom K\u00fchlprozess isoliert werden, um die K\u00fchlleistung zu steigern? Drittens sollen leistungsf\u00e4higere Solarzellen integriert werden, die speziell auf das konzentrierte Licht ausgelegt sind.<\/p>\n Die Vision ist klar: Geb\u00e4ude sollen von passiven Energieverbrauchern zu aktiven Kraftwerken werden, die je nach Bedarf und Jahreszeit zwischen der Produktion von Strom, W\u00e4rme oder K\u00e4lte umschalten k\u00f6nnen. Die Verschmelzung von Fotovoltaik, Solarthermie und passiver K\u00fchlung zu einem einzigen, intelligent gesteuerten Modul ist ein Schritt in diese Richtung. Der wissenschaftliche Durchbruch der KIT-Forscher zeigt, dass die K\u00e4lte des Weltalls \u2013 eine bislang weitgehend ungenutzte erneuerbare Ressource \u2013 sich technisch nutzen l\u00e4sst. Sollten die Effizienzsteigerungen gelingen, steht einer kommerziellen Nutzung nach aktuellen Erkenntnissen nichts im Wege.<\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":" Photovoltaikmodule sind aus dem Stadtbild l\u00e4ngst nicht mehr wegzudenken: Sie wandeln Sonnenlicht in Strom um, leisten damit einen unverzichtbaren Beitrag zur Energiewende. Doch das Potenzial der besonnten Fl\u00e4che auf D\u00e4chern und Fassaden ist damit noch lange nicht ausgesch\u00f6pft. 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