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Baustoffe

Kugeln gegen den Klimawandel

Latentwärmespeicher klimatisieren Gebäude auf energiesparende Weise.

Kugeln gegen den Klimawandel Kugeln gegen den Klimawandel
ENERGLOBE.DE, Denny Rosenthal

Wer Energie sparen will, kommt am Gebäude nicht vorbei – egal ob fürs Heizen im Winter oder fürs Kühlen im Sommer. Wissenschaftler um den Forscher Volker Wittwer vom Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme in Freiburg (ISE) haben ein neues Material entwickelt, das Gebäude energiesparend klimatisiert.

Wittwer ist einer von drei Wissenschaftlern, die mit kleinen Kugeln gegen den Klimawandel vorgehen. Zusammen mit seinen beiden Mitstreitern Peter Schossig, ebenfalls vom ISE, und Ekkehard Jahns, Manager für die weltweite Produktentwicklung von Polymeren für Architectural Coatings bei der BASF SE, wurde er für diese Entwicklung mit der Nominierung für den Deutschen Zukunftspreis für Technik und Innovation 2009 geehrt.

Wärme wird in ihrem Inneren „versteckt“

Mit ihren kleinen Kugeln fanden Wittwer, Jahns und Schossig einen Weg, um hohen Wohnkomfort ohne Bedarf an elektrischer Energie und damit Klimabeeinflussung schonend zu gewährleisten. Die Grundlage ihrer Innovation bilden sogenannte Latentwärmespeicher oder Phasenwechsel-Materialien (Phase Change Materials, PCM).

Der Nutzen dieser Werkstoffe basiert auf einem physikalischen Effekt: Beim Übergang vom festen in den flüssigen Zustand nimmt ein PCM große Mengen an Energie aus der Umgebung auf, ohne sich selbst zu erwärmen. Die aufgenommene Wärme wird in ihrem Inneren „versteckt“.

Die Kälte der Nacht nutzen

Wenn dies bei einer bestimmten Temperatur, etwa zwischen 21 und 26 Grad Celsius geschieht, lässt sich mit Hilfe von Latentwärmespeichern verhindern, dass sich Wohn- oder Büroräume im Sommer über diesen angenehmen Temperaturbereich hinaus aufheizen. „Unsere Materialien arbeiten mit der nachhaltigsten Form von Umweltenergie, indem sie die Kälte der Nacht nutzen, um das Gebäude für den nächsten Tag vorzubereiten“, so Wittwer.

Um Latentwärmespeicher als Bestandteil von Baustoffen nutzbar zu machen, ersannen Wittwer und Schossig am Fraunhofer ISE einen Trick. Der besteht darin, einzelne Tröpfchen des Speichermaterials in winzige Hülsen zu verpacken – Experten sprechen von Mikroverkapselung. Jahns wiederum entwickelte bei der BASF die dafür nötige Technologie und stieß auf Paraffinwachs als geeigneten Latentwärmespeicher. Die Wachströpfchen werden in wenige Mikrometer kleinen Kügelchen aus Acrylglas eingeschlossen.

Halb so dick wie ein menschliches Haar

Baustoffe, denen solche Mikrokapseln beigemischt sind, unterscheiden sich äußerlich überhaupt nicht von den bisherigen Materialien. Die Mikrokapseln, die weniger als halb so dick sind wie ein menschliches Haar, lassen sich leicht in Baustoffe wie Mörtel, Gips und Holz integrieren und sind sehr robust. Selbst Bohren oder Nageln kann ihnen nichts anhaben.

Durch ihre insgesamt große Oberfläche bewirken sie einen raschen Wärmeaustausch. Da sie die Wärme, die sie tagsüber aufnehmen, nachts wieder abgeben, dämpfen sie Temperaturschwankungen und schaffen ein ausgeglichenes Raumklima.

Jahns erklärt den Effekt der Latentwärmespeicher am Beispiel eines Eiswürfels, der in einem Glas schmilzt: „Solange der Eiswürfel schmilzt, bleibt die Temperatur bei 0 Grad Celsius. Erst wenn alles geschmolzen ist, wird die Temperatur über 0 Grad Celsius ansteigen.“

Wohnkomfort: Klimatisierte Flächen werden sich bis 2020 verdoppeln

Genauso funktionieren die Latentwärmespeicher, die die drei Forscher für die Gebäudekühlung einsetzen. Hierzu verwenden sie Paraffine, also wachsartige Materialien, bei denen die Schmelztemperatur im Vorfeld festgelegt wird. Sie schmelzen im Bereich der angenehmen Raumtemperaturen zwischen 20 und 26 Grad Celsius. „Dabei absorbieren sie große Wärmemengen aus der Umgebung und bremsen so einen Temperaturanstieg“, so Jahns weiter. „Nachts, wenn die Umgebungstemperatur wieder fällt, verfestigt sich das Wachs, die Kapseln geben die aufgenommene Wärme wieder ab und sind bereit für den nächsten Tag.“

Wie zukunftsträchtig diese Entwicklung tatsächlich ist, belegen folgende Zahlen: 2008 wurden etwa 15 Prozent des Primärenergieeinsatzes in Deutschland für Kälteerzeugung aufgewendet. Jüngsten Studien zufolge ist davon auszugehen, dass es bis 2020 zu einer Verdoppelung der klimatisierten Flächen gegenüber 2000 kommt.

Gründe dafür liegen laut Peter Schossig zum einen an der veränderten Architektur, die immer leichter wird, mit sehr viel Glas baut und mehr Energieerzeugung für Kälte voraussetzt. Zum anderen sieht der Wissenschaftlicher ein erhöhtes Komfortempfinden der Menschen. „Hier setzen wir an: Mit den Latentwärmespeichern geben wir den Architekten und Planern Werkzeuge an die Hand, die den gleichen Komfort mit reduziertem Energieeinsatz ermöglichen.“

Weitere Informationen:

Die Website des Fraunhofer-Instituts für Solare Energiesysteme (ISE) mit aktuellen Forschungsergebnissen zu PCM: www.fraunhofer.de

Einen guten Überblick über die liefert der BINE Informationsdienst auf www.bine.info

Ausgewählte Veröffentlichungen, Links sowie Produktinformationen hat die Gütegemeinschaft Phase Change Material online gestellt: www.pcm-ral.de

»DIE KRISE DER IDEE VON EINER WELTORDNUNG

(IST) DAS ULTIMATIVE INTERNATIONALE

PROBLEM VON HEUTE«

Henry Kissinger,„World Order”, August 2014