Energiesparen mit neuen Technologien
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Energieeffizientes Bauen erfährt gerade eine Revolution. Die innovativen Technologien bringen Strom produzierende Fassadenelemente, Räume kühlende Wachskügelchen oder vor Überhitzung schützende Fenstergläser hervor. Für Bauherren und Architekten ist die Zeit zum Umdenken gekommen.
Eine Gruppe Freiburger Forscher sowie Kollegen der Firma BASF hatten 1999 hatten während einer Feier in einem Biergarten eine geniale Idee. Sie fachsimpelten beim Bier darüber, winzige Paraffinkügelchen als Hochleistungsklimapuffer zu nutzen und damit eine Alternative zu entwickeln, welche die elektrische Kühlung ersetzen könnte. Professor Volker Wittwer erinnert sich, dass über die Wärmespeicherfähigkeit verschiedener Stoffe plauderte bzw. fachsimpelte, um Wege zu finden, diese in Bauten zur Kühlung zu nutzen. Wittwers Versuche, dazu Paraffin einzusetzen, waren daran gescheitert, Paraffin in Baustoffen sicher unterzubringen.
Im Anschluss an diese Feier forschten die Wissenschaftler von BASF in dieser Sache weiter. Ihre Experimente mit Tintenverkapselung und Durchschlagpapier brachten keine zufriedenstellenden Ergebnisse. Erst mit Acrylglas waren sie erfolgreich. Die ersten Produkte erschienen 2004, welche dann 2005 im ersten Pilotprojekt eingesetzt wurden. Das Ergebnis waren drei Nominierungen auf den deutschen Zukunftspreis 2009. Das Produkt wurde “Micronal” getauft und steht zur Massenverwendung deutscher Bauvorhaben bereit. Laut Wittwers Aussage hat keiner aus dieser Gruppe ahnen können, was sich aus diesem Abend entwickelte.
Energieeinsparung mittels einer neuen Technik.
Jeder Forscher träumt von etwas Großem, davon, mittels einer echten Innovation eine neue Stufe, einen Quantensprung in der Technologie zu erreichen. Die vergangenen Jahrzehnte haben gezeigt, dass mit der Weiterentwicklung von Materialien sowie Technologien im Baubereich viele Träume erfüllt wurden.
Der heutige Standard der Wärmedurchgangskoeffizienten für Fenster, Türen und Dämmstoffe galt vor 20 Jahren als unerreichbar. Für Gas- und Ölkessel mit modernster Brennwerttechnik gilt das ebenso. Wärmepumpen arbeiten effizienter mit derselben Strommenge als früher. Lüftungsanlagen in Fenster integriert heizen die Zuluft, indem sie der Abluft die Wärme entziehen, was ideal für Altbauten einsetzbar ist.
Ein Haus mit Baujahr 2010 benötigt durch diese Innovationen nur noch fünf Prozent der Energie wie ein vergleichbares Haus aus 1970. Daraus ein Niedrigenergiehaus zu schaffen, ist vom technischen Standpunkt kein Problem.
Latentwärmespeicher, PCMS genannt (Phase Change Materials”, sind Innovationen aus den Labors der Konzerne oder entstehen aus dem Lehrstoff über Grundlagen der Physik am Gymnasium, welche Forscher für die Entwicklung neuer Produktgenerationen verwenden. Oftmals entscheiden physikalische Phänomene beim Wechsel von einem zum anderen Aggregatzustand über die Wirkung. Ein Stoff kann beim Schmelzen, ohne eigene Temperaturveränderung, sehr viel Wärmeenergie aufnehmen. Die Energiemenge, welche benötigt wird, ein Kilo Eis zu schmelzen, ist genauso hoch, wenn die gleiche Menge Wasser von null auf 80 Grad erhitzt wird.
Innovationen nutzen als Alternative zur Klimaanlage
Beim Bau hat das Auswirkungen auf mit PCM ausgestattete Innenwände. Sie nehmen sehr viel Wärme auf, heizen sich aber nicht auf. Paraffin mit einem Schmelzpunkt zwischen 21 und 26 Grad eignet sich bedeutend besser als Wasser mit einem sehr niedrigen Schmelzpunkt. Die in Acrylglas eingeschlossenen Wachströpfchen sind nur unter dem Mikroskop sichtbar, können aber große Wärmemengen aus der Umgebungsluft absorbieren. Dadurch wird der Temperaturanstieg bis zu vier Grad reduziert. Der Acrylmantel sorgt dafür, dass das Paraffin nicht in den Baustoff eindringt und ihn brennbar macht.
Mit einer gegenüber dem Beton 30fachen Speicherkapazität schaffen die kleinen Kügelchen eine enorme Leistung. Mit dem Fallen der nächtlichen Umgebungstemperatur verfestigt sich das Paraffin wieder und die Kapseln lüften die Wärme aus. Simulationen der Forscher am Freiburger Fraunhofer-Institut mittels 10.000 Schmelzvorgängen ergaben, dass bei einem Dauereinsatz von 30 Jahren keine Leistungsverluste entstehen. Wird es in Baustoffen mit schlechter Wärmespeicherfähigkeit wie Holz, Gips oder Mörtel eingesetzt, können diese über mindestens 30 Jahre Wärme speichernd wirken.
Neben dem Paraffin ist Salzhydrat ein weiteres PCM. Der Hersteller GlasX aus der Schweiz bringt es intransluzenten Fassadenelementen ein. Das stellt ein schönes Beispiel dar, Bauteilen mittels technischer Innovationen Mehrfachfunktionen zu verschaffen, sie gleichzeitig als Gestaltungselement zu etablieren. GlassX-Gläser haben diese Mehrfachfunktionen: sie sind Latentwärmespeicher, Überhitzungsschutz, transparente Wärmedämmung sowie Kühlung. Implementiertes Prismenglas im Zwischenraum einer Dreifachverglasungreflektiert die hochstehende Sommersonne zurück nach außen, die niedrig stehende Wintersonne hingegen kann in voller Stärke passieren. Ein Wärmespeichermodul stellt das zentrale Element dar. Es nimmt die solare Energie auf, sorgt für Zwischenspeicherung und gibt sie als Strahlungswärme zeitverzögert nach innen ab. Durch die Änderung des Aggregatzustandes des Salzhydrats entsteht ein imposantes Farbenspiel.
Isolierglas – effektiv mit Vakuum
Die Glasbranche könnte durch eine weitere Innovation eine Revolution erleben, wenn das Vakuumisolierglasmarktfähig wird. Klobige Fensterrahmen und schwere Verglasungen entfallen dann und werden durch schlanke Profile sowie dünne, leichte Gläser mit extrem niedrigem Wärmedurchgangskoeffizient ersetzt. Dabei sind der Gleichmut und die Geduld des Physikers Helmut Weinländer vom ZAE (Zentrum für Angewandte Energieforschung) in Würzburg gefragt. Aus seiner Erkenntnis, nichts isoliert besser als ein Vakuum, soll ein Produkt entstehen, welches die Welt der Architektur glücklich machen soll.
Weinländer und seine Kollegen haben Forschungsmittel vom Bund erhalten mit dem Auftrag, evakuierte Verglasungen zu entwickeln, welche mit Funktionsschichten für einen sehr schlanken Aufbau U-Werte von 0,5W/m2K aufweisen und damit Passivhaus-tauglich sind. Um den Randverbund wärmedämmend und gasdicht zu entwickeln, werden neben dem Klebeverfahren und dem Löt-Schweißverfahren zusätzlich Kombinationen daraus getestet. In der Entwicklung sowie wärmetechnischen Optimierung sind Distanzhalter, welche die Aufnahme des Atmosphärendrucks gewährleisten. Es hat leider nicht funktioniert, dieses Produkt bis 2009 auf den Markt zu bringen, obwohl die Forschergruppe bereits seit 2004 daran arbeitet. Durch den hohen Innendruck entsteht eine solch enorme Belastung, der weder die Randabdichtungen noch die Formstabilität des Glases bisher standhalten.
Auf die Frage, ob ihn das ärgere, antwortete Weinländer, man brauche viel Geduld für ein solches Projekt. Die Forscher glauben, dass es sich lohnt und zudem auch technisch machbar sei. Man motiviert sich gegenseitig, aber man demotiviert sich auch, indem einer meint, einen Weg gefunden zu haben und ein anderer nach der Überprüfung feststellt, dass es doch nicht funktioniert. Das ZAE war der Meinung, Glasstützen für die Verglasung verwenden zu können wegen der geringen Wärmeleitfähigkeit von Glas. Daraufhin machten die Kollegen vom Fraunhofer-Institut einen Hagelschlagtest, welcher aufzeigte, dass das Glas zu spröde war und den Belastungen nicht standhielt. Weinländer sagt aber, dass sie nicht aufgeben und immer wieder nach Alternativen suchen.
Eine dieser Alternativen ist nun marktfähig geworden und soll in einem kleinen Format in Form eines Dachflächenfensters von der Firma Roto seine Markteinführung erhalten.
Ein Produkt ohne Hersteller ist kein Produkt und einen marktfähigen Preis erzielt man nur mit großtechnischer Fertigung. Weinländer ist der Meinung, dass sich das Produkt mit 100 Euro pro Quadratmeter gut vermarkten lässt. Noch warten die Vakuumgläser wegen ihres hohen Preises auf den Durchbruch. Die Produkteigenschaftenmit ihrer Stärke von nur 50 Millimetern (erzielt die gleiche Dämmwirkung 35 cm Mineralfaserdämmung) sind bestechend. Nur der Preis von 150 Euro für den Quadratmeter ist das Problem. Der Energieberater Bert Jenner berichtet, dass die Kunden alle bis zur Nennung des Preises begeistert waren. Nur verbaut hat es noch keiner.
Schönere Architektur durch neue Techniken
Kosten sind bei Forschungs- oder Prestigeprojekten zweitrangig. Eine Gruppe Studenten der TU Darmstadt und ihr Professor Manfred Hegger, einer der Vorreiter im Bereich Energieeffizienz, konnten davon profitieren. Ihre Beiträge zum internationalen “Solar Decathlon”, einem Wettbewerb durchgeführt vom amerikanischen Energieministerium, sorgten für Förderung. Für einen Kubus von 60 m² Grundfläche und 5,30 m Höhe wurden von Sponsoren rund 450.000 Euro Materialkosten für Gipskartonplatten mit PCM, Vakuumisolationspaneele oder Photovoltaik in Fassadenelemente integriert übernommen. Die Darmstädter zeigten sich dem würdig und gewannen nach 2007 auch 2009 wieder. Das von ihnen entwickelte “surPLUShome” produziert dank hervorragender Wärmedämmung sowie einem ausgefeilten Energiekonzept mehr Energie, als zum Betreiben gebraucht wird. Punkten konnten sie vor allem mit einem behaglichen Wohnklima.
Professor Manfred Hegger zeigte sich zufrieden damit, dass die Technik deutlich weiter vorangeschritten ist, als das Bauwesen. Mit den Plus-Energie-Häusern zeige man die Möglichkeiten, einfach, aber effizient zu bauen. Das zieht sich bis in den Architektenbereich, denn auch diese sehen, dass es sinnvoll und möglich ist, über Energieeinsparverordnung und Baurecht hinaus neue Innovationen zu nutzen. Neue, große Gestaltungspotenziale tun sich auf. Der Widerspruch zwischen Energieeffizienz und Architekturqualität könnte sich durch die Verwendung innovativer Technologien und Materialien in Luft auflösen. Irgendwann wird der Zeitpunkt kommen, an welchem Bürgerinitiativen gegen die Verschandelung der Siedlungen mit Photovoltaik-Anlagen vorgehen. Zudem werden, um die Energieeinsparverordnung einzuhalten, Altbaufassaden in Klostermauern verwandelt, weil durch die Wärmedämmverbundsysteme tief liegende Fensterhöhlen entstehen.
Alternativen, technologisch und formal überzeugende, warten auf den Marktdurchbruch. Bisher stehen dem zahlreiche Hindernisse entgegen. Bauherren geben sich zögerlich. Manfred Hegger erlebt es immer wieder. Alle sind fasziniert, aber keiner nutzt es für das eigene Haus. Sein Mitarbeiter, der Architekt Jörg Wollenweber nimmt die Architektenschaft in die Pflicht. Nur ein geringer Prozentsatz der Architekten kennt sich mit Innovationen aus, der große Rest ist unwissend. Peter Schossi, Mitglied des “Micronal”-Teams vom Fraunhofer-Institut, klagt an, dass die Baubranche Innovationen nicht annimmt. Sie wollen Beispiele für jahrelanges Funktionieren.
Die Wissenschaftler sind erregt darüber, dass die Forschung 10 Jahre voraus ist, die Praxis aber nicht nachzieht. Allerdings stellt die Energieeinsparverordnung auf diesem Gebiet einen guten Katalysator dar.
Diese bahnbrechenden Technologien benötigen eine lange Entwicklungszeit, aber wenn sie dann marktfähig sind, sollten sie auch schnellstens zum Einsatz kommen.
