Gebäudehüllen als dreifache Energiefläche

17.08.2026

Quelle: E & M powernews

Strom, Wärme und Kühlung auf derselben Gebäudefläche vereint ein Hybridsystem des KIT. Einen Prototyp haben Forschende des Instituts im Freiland getestet.

Für die Energieversorgung von Gebäuden konkurrieren bislang mehrere technische Systeme um begrenzte Flächen. Photovoltaikanlagen erzeugen Strom, Solarthermie liefert Wärme und Klimaanlagen übernehmen die Kühlung. Eine Arbeitsgruppe des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) will diese Funktionen auf einer Fläche zusammenführen. Am Institut für Mikrostrukturtechnik hat das Team um Dr. Gan Huang dafür ein hybrides Strahlungskühlungs- und Solarsystem entwickelt und unter Freilandbedingungen getestet. Huang leitet das „Hybrid Solar Technologies Lab“ am KIT.

Die Forschenden wollen damit vor allem Dächer und Fassaden effizienter nutzen. Statt separate Anlagen nebeneinander zu installieren, soll eine multifunktionale Gebäudehülle gleichzeitig Strom, nutzbare Wärme und Kühlung bereitstellen. Das KIT sieht Einsatzmöglichkeiten überall dort, wo gleichzeitig Energie und Kühlung benötigt werden. Huang nennt als mögliches Beispiel Rechenzentren für KI, die viel Strom benötigen und zugleich hohe Kühllasten aufweisen.

Weltraumkälte ergänzt Solarenergie

Technisch kombiniert das System Photovoltaik mit passiver Strahlungskühlung, auf Englisch „Passive Daytime Radiative Cooling“ (PDRC). Eine lichtdurchlässige Siliziumdioxidplatte gibt Wärme als Infrarotstrahlung in Richtung Weltraum ab und kühlt sich dadurch. Zugleich lässt sie Sonnenlicht passieren. Eine flache Linse bündelt dieses Licht anschließend auf einen kleinen Solarkollektor, der daraus Strom und Wärme erzeugt. So kann dieselbe Fläche gleichzeitig zur Kühlung sowie zur Strom- und Wärmeerzeugung beitragen.

Im Freilandversuch kühlte der Prototyp nach Angaben des KIT auf bis zu 6,5 Grad Celsius unter die Umgebungstemperatur ab. Gleichzeitig erreichte er eine elektrische Leistungsdichte von 60,6 Watt pro Quadratmeter und Temperaturen von bis zu 110,8 Grad Celsius für die Wärmenutzung.

Die Herausforderung liegt laut den Forschern darin, zwei gegensätzliche Anforderungen miteinander zu verbinden: Während der Solarkollektor möglichst viel Sonnenenergie aufnehmen und sich dabei erwärmen soll, muss die darüberliegende Kühlschicht möglichst kalt bleiben. Die räumliche Trennung beider Bereiche macht dies möglich. Das Sonnenlicht passiert zunächst die Kühlschicht. Erst darunter bündelt die Linse das Licht auf den Solarkollektor. „Wir bringen ‚Feuer‘ und ‚Eis‘ zusammen“, beschreibt Huang das Prinzip.

Vom Kühlmaterial zum Hybridsystem

Das Projekt baut auf früheren Arbeiten der Arbeitsgruppe auf. Im Jahr 2024 stellte das Team nach Angaben des KIT ein transparentes Material vor, das Gebäude passiv kühlen und gleichzeitig Tageslicht durchlassen kann. Darauf aufbauend ergänzten die Forschenden die Strahlungskühlung nun um die Nutzung der Solarenergie. 

Als Nächstes will die Arbeitsgruppe unter anderem die Führung des Sonnenlichts, das Wärmemanagement und die Solarzellen optimieren. Die Studie entstand in Kooperation mit Professor Shanhui Fan von der Stanford University in den Vereinigten Staaten, einem Experten für passive Strahlungskühlung.

Die Studie „Co-harvesting universe coldness and solar energy for tri-generation of cooling, electricity and heating“ ist über die Internetseite der Fachzeitschrift Cell Reports Physical Science abrufbar. 

Autorin: Davina Spohn