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Sep 13, 2023

Intelligente Fenster, die vor Sonneneinstrahlung schützen, können zur Reduzierung von Treibhausgasen beitragen

1. September 2021

1. September 2021

by Fraunhofer-Gesellschaft

Fraunhofer-Forscher haben eine intelligente Beschichtung für Glasfenster entwickelt, die in der Sonne nachdunkelt. Dabei kommen elektrochrome und thermochrome Materialien zum Einsatz, die auf Strom und Wärme reagieren. In Gebäuden mit großen Glasfassaden verhindert es eine Überhitzung der Räume durch Sonneneinstrahlung und reduziert so den Bedarf an energieintensiver Klimatisierung.

Der Gebäudesektor ist einer der größten Emittenten von Treibhausgasen. Nach Angaben des Umweltbundesamtes sind Gebäude für rund 30 Prozent der CO2-Emissionen und 35 Prozent des Endenergieverbrauchs des Landes verantwortlich. Besonders problematisch sind Gebäude mit großen Glasfassaden und -dächern, etwa die Bürotürme, die moderne Städte dominieren. Besonders im Sommer heizen sie sich in der Sonne auf. Der Einsatz von Jalousien und Jalousien zur Beschattung ist jedoch oft unpopulär, da sie die Ästhetik des Glases beeinträchtigen und die Sicht nach draußen beeinträchtigen. Stattdessen wird der Innenraum mit einer Klimaanlage gekühlt, was enorme Mengen an Strom erfordert und den CO2-Fußabdruck des Gebäudes erhöht.

Das Fraunhofer-Institut für Silicatforschung ISC in Würzburg und das Fraunhofer-Institut für Organische Elektronik, Elektronenstrahl- und Plasmatechnik FEP in Dresden haben eine ausgefeilte Lösung für dieses Problem entwickelt. Im Projekt Switch2Save arbeiten Forscher an transparenten Beschichtungen für Fenster und Glasfassaden aus elektrochromen und thermochromen Materialien. Diese verleihen der Außenseite der Fenster einen variablen, transparenten dunklen Farbton, der die Räume kühl hält. Für dieses von der EU geförderte Forschungsprojekt haben die Fraunhofer-Institute mit Universitäten und Industriepartnern in sechs EU-Ländern zusammengearbeitet.

„Die elektrochrome Beschichtung wird auf eine transparente, leitfähige Folie aufgetragen, die dann „eingeschaltet“ werden kann. Durch Anlegen einer elektrischen Spannung wird die Übertragung von Ionen und Elektronen ausgelöst, wodurch die Beschichtung dunkler wird und die Scheibe getönt wird. Die thermochrome Beschichtung hingegen funktioniert.“ passiv. Ab einer bestimmten Umgebungstemperatur reflektiert es die Wärmestrahlung der Sonne“, erklärt Dr. Marco Schott, Gruppenleiter Elektrochrome Systeme am Fraunhofer ISC.

Mit elektrochromen Elementen können Sensoren verwendet werden, um Faktoren wie Helligkeit und Temperatur zu messen und die Ergebnisse an Steuerungssysteme zu senden. Dadurch wird ein Strom- oder Spannungsimpuls an die leitfähige Folie gesendet, wodurch das Fenster abgedunkelt wird. Die Glasoberfläche verdunkelt sich allmählich, wenn die Temperatur oder die Helligkeit zu hoch wird. Dies verhindert eine Überhitzung der Räume und reduziert den Bedarf an Klimaanlagen, was besonders in sonnigeren Gegenden und Gebäuden mit großen Glasfassaden nützlich ist. An sonnigen Tagen dient es auch als Blendschutz. An bewölkten Tagen und abends bleiben die Fenster hell.

Auch über die Alltagstauglichkeit der Technologie haben sich Fraunhofer-Forscher Gedanken gemacht. „Die Scheiben werden nicht plötzlich dunkel, sondern werden im Laufe einiger Minuten nach und nach getönt“, erklärt Schott. Der Energieverbrauch ist sehr gering. Unter optimalen Umständen benötigt elektrochrome Folie nur Strom für den Schaltvorgang und eine sehr niedrige Spannung reicht aus, um den Tönungsprozess einzuleiten. Thermochrome Materialien benötigen überhaupt keinen Strom, sondern reagieren passiv auf die von der Sonne erzeugte Wärme. Sie können als Ergänzung zu einem umschaltbaren System oder als Alternative dort eingesetzt werden, wo keine umschaltbare Lösung erforderlich ist.

Switch2Save verspricht enorme Energieeinsparungen in Gebieten mit hohen Außentemperaturen, beispielsweise in südlichen Regionen, indem der Einsatz von Klimaanlagen reduziert oder ganz überflüssig gemacht wird. Dr. John Fahlteich, Switch2Save-Projektkoordinator und Leiter der Forschungsgruppe am Fraunhofer FEP, erklärt: „In warmen Regionen Europas kann der Kühl- und Heizenergiebedarf moderner Gebäude um bis zu 70 Prozent gesenkt werden.“ In kälteren, nördlichen Regionen sind die Einsparungen nicht so groß, aber auch hier könnten die Systeme als Blendschutz vor direkter Sonneneinstrahlung eingesetzt werden.

Grundsätzlich bietet die Kombination von elektrochromen und thermochromen Schichten in einem Verbundfenster die größtmögliche Flexibilität. Dadurch können Architekten und Bauherren individuelle Lösungen für unterschiedliche Regionen und Gebäude anbieten. „Wir sind dabei, die Technologie in der Kinderklinik des zweitgrößten Krankenhauses Griechenlands in Athen und in einem Bürogebäude im schwedischen Uppsala zu installieren. In beiden Gebäuden wird der Energieverbrauch ein ganzes Jahr lang überwacht und verglichen.“ Sowohl vor als auch nach dem Einbau der neuen Fenster. Dadurch können wir die reale Leistungsfähigkeit der Switch2Save-Technologie demonstrieren und die Technologie für verschiedene Klimazonen weiter testen und weiterentwickeln“, sagt Fahlteich.

Die Forscher haben auch Herausforderungen für die Fertigung gelöst. Die elektrochrome Beschichtung wird auf ein polymerbasiertes Foliensubstrat aufgetragen. Die thermochrome Beschichtung hingegen nutzt ein dünnes Glassubstrat. In einem kostengünstigen Rolle-zu-Rolle-Fertigungssystem kommen nasschemische und Vakuumbeschichtungsverfahren zum Einsatz. Anschließend werden die schaltbaren Bauteile unter Vakuum auf eine 4 mm dicke Fensterglasscheibe laminiert, die anschließend zu einer Isolierglaseinheit integriert wird. Der Beschichtungsprozess ist auch im industriellen Maßstab wirtschaftlich realisierbar. Die elektrochromen und thermochromen schaltbaren Elemente sind nur wenige 100 µm dick und wiegen weniger als 500 g pro Quadratmeter. Dadurch belasten sie die Fenster kaum und können daher auch in bestehenden Gebäuden nachgerüstet werden, ohne dass die Gebäudestruktur verändert werden muss.

Das Projektkonsortium arbeitet derzeit daran, die Technologie weiter zu verbessern. Das Expertenteam erforscht beispielsweise, wie elektrochrome und thermochrome Elemente in einem Verbundfenster kombiniert werden können, um das Potenzial der Technologie noch besser zu nutzen. Weitere Forschungsziele sind die Anpassung der Beschichtung an gebogene Glasformen und die Erweiterung der bestehenden Farboptionen Blau und Grau um weitere Farben.

Die globale Erwärmung und die Ziele des europäischen Green Deals werden die Nachfrage nach energieeffizienter Gebäudetechnik in den nächsten Jahren deutlich erhöhen – und bis 2050 sollen alle Gebäude in der EU CO2-neutral sein. Die elektrochromen und thermochromen Fenster der EU Das Projekt Switch2Save kann dazu einen wichtigen Beitrag leisten.