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Energiesparen mit neuen Technologien

Fassadenelemente, die Strom produzieren, Wachskügelchen, die Räume kühlen, Fenstergläser, die vor Überhitzung schützen: Innovative Technologien könnten das energieeffiziente Bauen revolutionieren. Wann merken das auch Architekten und Bauherren?
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Lag es in der Luft? Lag es am Bier? Oder hätte die Idee, aus winzigen Paraffinkügelchen einen leistungsfähigen Klimapuffer, eine Alternative zu elektrischer Kühlung zu entwickeln, auch in der Strategiesitzung des Fraunhofer- Instituts für Solare Energiesysteme (ISE) entstehen können? Das ist im Nachhinein nicht mehr zu klären, aber das Bier, mit dem die Freiburger Forscher und ihre Kollegen von BASF 1999 in einem Biergarten den gelungenen Abschluss eines gemeinsamen Projekts feierten, hatte der Innovationslust der Feiernden offenbar auf die Sprünge geholfen. "Es ging fröhlich zu", erinnert sich Professor Volker Wittwer, heute emeritierter Chef des Instituts, man fachsimpelte und plauderte, worüber Physiker so plaudern: über die Wärmespeicherfähigkeit von Stoffen zum Beispiel und wie man sie zur Kühlung von Bauten einsetzen könnte. Wittwer hatte dazu ein paar Versuche gemacht. Das Problem, das er nicht gelöst bekam: das Paraffin in Baustoffe einzubringen.

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Nach dem bierseligen Abend nahmen sich die BASF-Leute der Sache an. Zunächst experimentierten sie in ihrem Ludwigshafener Labor mit Tintenverkapselung, dann mit Durchschlagpapier, schließlich erfolgreich mit Acrylglas. 2004 gab es die ersten Produkte, 2005 den Einsatz im ersten Pilotprojekt, 2009 eine von drei Nominierungen für den Deutschen Zukunftspreis. Und jetzt wartet "Micronal", so der Produktname, auf massenhafte Verwendung in deutschen Bauvorhaben. "Was wir an diesem Abend nicht ahnten", erinnert sich Wittwer, "war, dass sich aus der Geschichte etwas Großes entwickeln sollte."

Weniger Energieverbrauch dank neuer Technik

Etwas Großes, eine echte Innovation, eine neue Stufe der Technologie, ein Quantensprung – der Traum eines jeden Forschers. Und schaut man sich die Entwicklung der Materialien und Technologien an, die für die Architektur und das Bauen in den vergangenen Jahrzehnten relevant wurden, dann haben sich viele Träume erfüllt.

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Wärmedurchgangskoeffzienten für Dämmstoffe, Fenster und Türen, wie sie vor 20 Jahren als unerreichbar galten, sind heute Standard, ebenso Wirkungsgrade von Öl- und Gaskesseln, die völlig selbstverständlich mit Brennwerttechnik ausgestattet werden. Wärmepumpen holen heute mit derselben Menge Strom deutlich mehr Umweltwärme ins Haus als früher. Zur Minimierung von Lüftungswärmeverlusten können in Fenster Lüftungsanlagen integriert werden, die entziehen der Abluft die Wärme, um die Zuluft damit zu heizen – ideal für eine Nachrüstung in Altbauten. Dank all dieser Innovationen reichen für ein Haus Baujahr 2010 fünf Prozent der Energie, die man für ein Haus Baujahr 1970 braucht. Und aus dem ein Niedrigenergiehaus zu machen, ist technisch ebenfalls kein Problem mehr (gestalterisch womöglich schon, aber dazu später).

Mal sind diese Innovationen der Entwicklungsabteilung eines Konzerns zu verdanken, die hartnäckig alle Wege der technologischen Möglichkeiten abschreitet, bis einer endlich zum Ziel führt. Mal sind es aber auch Grundlagen der Physik, Lehrstoff der Mittelstufe am Gymnasium, die auf einmal in den Fokus geraten und für einen Forscher einen völlig neuen Ansatz, eine ganz neue Produktgeneration bedeuten können. Wie bei "Micronal" und anderen "Phase Change Materials", kurz PCMS, so genannten Latentwärmespeichern. Entscheidend für ihre Wirkung sind die physikalischen Phänomene beim Übergang vom einen in den anderen Aggregatzustand. Schmilzt ein Stoff, dann nimmt er sehr viel Wärmeenergie auf, ohne dass sich seine Temperatur ändert. Um ein Kilo Eis zu schmelzen, wird die gleiche Menge an Energie benötigt wie zum Aufheizen derselben Menge Wasser von null auf 80 Grad Celsius.

Neue Alternativen zur Klimaanlage

Was das mit Gebäuden zu tun hat? Innenwände, die mit PCM ausgestattet sind, können sehr viel Wärme aufnehmen, ohne sich aufzuheizen. Da eignet sich Wasser mit seinem niedrigen Schmelzpunkt nicht so gut, umso besser aber Paraffin, das je nach Anwendung bei Temperaturen zwischen 21 und 26 Grad schmilzt. Die nur unterm Mikroskop sichtbaren, mit Acrylglas ummantelten Wachströpfchen absorbieren große Wärmemengen aus der Umgebung und senken den Temperaturanstieg um bis zu vier Grad. Man stelle sich das vor: Kügelchen mit einem Durchmesser geringer als ein Haar, aber trotzdem von Acryl umschlossen, damit das Paraffin nicht den Baustoff durchtränkt und brennbar macht!

Ihre Speicherfähigkeit ist enorm, sie entspricht dem 30fachen von Beton. Und nachts, wenn die Umgebungstemperatur wieder fällt, verfestigt sich das Wachs, geben die Kapseln die Wärme wieder frei, kann sie hinausgelüftet werden. Mit 10.000 Schmelzvorgängen simulierten die Forscher des Freiburger Fraunhofer-Instituts einen Dauereinsatz von 30 Jahren, ohne dass Leistungsverluste eintraten. Die optimale Voraussetzung, um in Baustoffen wie Mörtel, Gips oder Holz, denen es besonders an Wärmespeicherfähigkeit mangelt, jahrzehntelang segensreich zu wirken.

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Dabei ist Paraffin nur eines von mehreren PCMS. Ein anderes ist Salzhydrat, das der Schweizer Hersteller GlassX in transluzente Fassadenelemente einbringt. Ein schönes Beispiel, wie Bauteilen dank technischer Innovationen mehrere Funktionen zugewiesen werden können und sie sich zugleich als Gestaltungselement etablieren. Die Gläser von GlassX sind viererlei: transparente Wärmedämmung, Überhitzungsschutz, Kühlung und Latentwärmespeicher. Ein im Zwischenraum der Dreifachverglasung implementiertes Prismenglas reflektiert die hoch stehende Sommersonne nach außen, die Wintersonne kann dagegen in voller Intensität passieren. Zentrales Element ist ein Wärmespeichermodul, das die solare Energie aufnimmt, speichert und zeitverzögert als Strahlungswärme nach innen abgibt. Dabei entsteht ein interessantes Farbenspiel, wenn das Salzhydrat seinen Aggregatzustand ändert.

Effektives Isolierglas mit Vakuum

Eine weitere Innovation bei Gläsern könnte die Branche sogar revolutionieren. Wenn sie denn erst einmal marktfähig ist. Was für eine wunderbare Vorstellung: keine klobigen Fensterrahmen mehr, keine Verglasungen, die nur noch Gewichtheber stemmen können. Stattdessen schlanke Profile, leichte, dünne Gläser – und trotzdem ein extrem niedriger Wärmedurchgangskoeffizient, genannt U-Wert. Der Name dieser Verheißung: Vakuumisolierglas. Aber es braucht wohl die Geduld und den Gleichmut eines Physikers wie Helmut Weinläder vom Zentrum für Angewandte Energieforschung in Würzburg (ZAE), damit aus der simplen Erkenntnis, dass nichts besser isoliert als ein Vakuum, ein Produkt wird, das die Architekturwelt glücklich machen kann.

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Und so lautet der Auftrag, für den Weinläder und seine Kollegen Forschungsmittel des Bundes einwerben konnten: "Es sollen evakuierte Verglasungen mit Funktionsschichten entwickelt werden, die bei einem sehr schlanken Aufbau einen Passivhaus-tauglichen U-Wert von ca. 0,5 W/m2K aufweisen. Zur Entwicklung eines gasdichten und wärmedämmenden Randverbundes werden neben dem Schweiß-/Lötverfahren und dem Klebeverfahren auch Kombinationen davon getestet. Geeignete Distanzhalter zur Aufnahme des Atmosphärendrucks müssen entwickelt und wärmetechnisch optimiert werden."

Seit 2004 arbeiten die Würzburger Forscher daran, diesen Anforderungen zu genügen, und eigentlich sollte das Produkt 2009 auf den Markt gekommen sein. Hat leider nicht funktioniert. Der Innendruck ist so gewaltig, die Belastung so extrem, dass weder die Formstabilität des Glases noch die Abdichtung der Ränder im industriellen Fertigungsverfahren bisher zu gewährleisten war.

"Ärgert sie das nicht, Herr Weinläder?" "Ja, schon", sagt er, freilich ohne einen Hauch von Ärger in der Stimme. "Aber man braucht einfach viel Geduld für so ein Projekt, das gehört dazu. Wir haben immer geglaubt, dass es technisch machbar ist und dass es sich lohnt." Motivieren die Forscher der beteiligten Institute sich gegenseitig? "Ja, aber manchmal demotiviert man sich auch. Wenn zum Beispiel einer etwas herausgefunden hat, ein anderer überprüft es und stellt dann fest: funktioniert doch nicht. So dachten wir am ZAE, wir könnten für die Verglasung Stützen aus Glas verwenden. Das wäre gut gewesen, weil Glas eine geringe Wärmeleitfähigkeit hat." Doch dann zeigte sich, dass es zu spröde ist und punktförmiger Belastung nicht standhält – der Hagelschlagtest der Kollegen vom Fraunhofer ISE zerschlug auch diese Hoffnung. "Aber aufgeben kommt nicht infrage", so der Physiker. "Man muss sich sofort auf die Suche nach Alternativen machen."

Nächstes Jahr soll nun eine dieser Alternativen auf den Markt kommen: zunächst im kleinen Format als Dachflächenfenster. Der Hersteller Roto ist mit im Boot.

Ohne Hersteller kein Produkt, ohne großtechnische Fertigung kein marktfähiger Preis. Um die 100 Euro pro Quadratmeter sind das Ziel für die Vakuumgläser, und damit, glaubt Helmut Weinläder, lasse sich sein Baby gut an den Mann bringen. Das Produkt, das zuvor am ZAE entwickelt wurde, wartet nämlich aufgrund des hohen Preises immer noch auf den Durchbruch: die Vakuumwärmedämmung. Ihre Produkteigenschaften sind bestechend: nur 50 Millimeter stark, aber dieselbe Dämmwirkung wie 350 Millimeter Mineralfaserdämmung. Das Problem ist ihr Preis – 150 Euro pro Quadratmeter. "Ich schwärme regelmäßig meinen Kunden von diesen Paneelen vor", berichtet der Hamburger Energieberater Bert Jenner, "und zunächst sind alle begeistert. Bis ich den Preis nenne. Verbaut hat sie bisher noch niemand."

Neue Techniken für schönere Architektur

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Bei Prestige- oder Forschungsprojekten aber spielen die Kosten eine untergeordnete Rolle. Was für ein Glück für die Studenten der TU Darmstadt und ihren Professor Manfred Hegger, Vorreiter in Sachen Energieeffizienz und vor kurzem zum Nachfolger von Werner Sobek als Präsident der Deutschen Gesellschaft für Nachhaltiges Bauen gewählt. Für ihre Beiträge zum internationalen "Solar Decathlon", einem Wettbewerb des Energieministeriums der USA, konnten die Darmstädter aus dem Vollen schöpfen. Auf 450.000 Euro beliefen sich die Materialkosten für einen Kubus von ca. 60 Quadratmeter Grundfläche und 5,30 Meter Höhe. Aber für die Sponsoren, die Vakuumisolationspaneele, Gipskartonplatten mit PCM oder Fassadenelemente mit integrierter Photovoltaik beisteuerten, war das ein gutes Investment: Wie 2007 konnten die Darmstädter auch 2009 den Sieg davontragen. Dank der exzellenten Wärmedämmung und des ausgefeilten Energiekonzepts produziert das "surPLUShome", so der sperrige Name des Bauwerks, mehr Energie, als zum Betrieb gebraucht wird, konnte aber vor allem auch mit der Behaglichkeit des Wohnklimas punkten.

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Mastermind Manfred Hegger ist sehr zufrieden: "Das Projekt zeigt, dass wir technisch deutlich weiter sind, als wir heute bauen. Wir zeigen mit unseren Plus-Energie-Häusern, dass man mit einfachen Mitteln sehr effizient bauen kann. Das wirkt auch in die Architektenschaft hinein. Der Architekt sieht, dass es nicht nur möglich und sinnvoll ist, weiter zu gehen, als es Baurecht und Energieeinsparverordnung heute verlangen - es bieten sich große neue Gestaltungspotenziale."

So könnte sich dank der innovativen Materialien und Technologien der Widerspruch auflösen, der zwischen dem Anspruch an Architekturqualität und Energieeffizienz immer wieder aufbricht. Photovoltaik ist ohne Zweifel eine wunderbare Technik. Aber wie lange mag es noch dauern, bis Bürgerinitiativen gegen die allgegenwärtige Verschandelung deutscher Dächer vorgehen? Und muss man Altbaufassaden mithilfe von Wärmedämmverbundsystemen in Klostermauern mit tief liegenden Fensterhöhlen verwandeln, damit sie der Energieeinsparverordnung (ENEV) entsprechen?

Muss man natürlich nicht, formal und technologisch überzeugende Alternativen stehen bereit – aber die Durchdringung des Marktes gleicht dem Bohren ganz dicker Bretter. Die Hindernisse sind zahlreich. Manfred Hegger erlebt zögerliche Bauherren: "Unsere Plus-Energie-Architektur fasziniert viele. Bis zur Umsetzung im eigenen Haus ist es aber ein weiter Weg." Jörg Wollenweber, Architekt und wissenschaftlicher Mitarbeiter von Hegger, sieht auch die Architektenschaft in der Verantwortung: "Viele Kollegen sind zum großen Teil unwissend, vielleicht fünf Prozent kennen sich mit Innovationen aus." Peter Schossig vom Fraunhofer ISE, Mitglied des "Micronal"-Teams, beklagt, dass es Innovationen in der Baubranche schwer haben, sich durchzusetzen: "Oft heißt es: Zeig mir erst mal zehn Beispiele, wo es 15 Jahre lang funktioniert hat." Jörg Wollenweber bringt dieses Zögern auf die Palme: "Die Forschung ist zehn Jahre voraus, aber die Praxis kommt einfach nicht hinterher! Zum Glück sind die Verschärfungen der ENEV ein guter Katalysator." Er erregt sich: "Man könnte doch so viel mehr machen! Und die Zeit läuft uns davon!" Ja, wenn es schon so lange dauert, bahnbrechende Technologien zu entwickeln, dann sollten sie auch umso schneller zum Einsatz kommen.

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