Solarthermie geht auch mit Betonkollektoren

Wer bei Solarthermie an mit Luft, Wasser-Frostschutzmittel oder Wasser durchströmte Kollektorröhren denkt, die die Solarwärme sammeln und absorbieren, um sie in brauchbare Heizwärme umzuwandeln, der weiß Bescheid. Neu sind aber Betonkollektoren – schaut selbst!

TABSOLAR II – Kollektoren aus Beton

Zugegeben, es geht bei dem Projekt „TABSOLAR II“ des Fraunhofer ISE und Partnern aus der Industrie und Forschung nicht um einen herkömmlichen Beton, wie er uns als künstlicher Stein vielerorts als Baustoff dient und grundsätzlich aus Zement (als Bindemittel), einer Gesteinskörnung aus Kies und Sand sowie Wasser besteht. Nein, bei TABSOLAR II geht es darum, auf Basis durchströmter Bauelemente aus Ultrahochleistungsbeton (UHPC steht für: Ultra High Performance Concrete) ressourcen- und kosteneffiziente Produkte zu entwickeln, die in der Fassade verbaut werden. Mit solchen Betonkollektoren werden zukünftige Gebäudehüllen für den Einsatz erneuerbarer Energien nutzbar gemacht. Stichwort: Bauteilaktivierung anstelle klassischer Solarkollektoren.

Den verwendeten UHPC habe man laut Pressemitteilung nach eigens entwickelten, speziellen Rezepturen gemischt. Wie das Titelfoto zeigt, kann man daraus sehr filigrane, materialsparende und gleichzeitig hochfeste Betonfertigbauteile gießen. Die Kanalstrukturen der UHPC-Kollektoren werden mittels des vom Fraunhofer ISE entwickelten und patentierten bionischen FracTherm®-Verfahren realisiert.

Dieses erzeuge laut Fraunhofer ISE auf Basis eines Algorithmus mehrfach verzweigte Strukturen – ähnlich den Adern in Blättern von Bäumen. Mit dem Verfahren könne man nahezu beliebige Formen mit einem gleichmäßig durchströmten Kanalnetzwerk versehen. Es sei demnach schon in anderen Konzepten und Fertigungsverfahren, unter anderem für Solarabsorber oder für die Kühlung von Werkzeugen, erfolgreich eingesetzt worden.

Kollektoren aus Beton für Fassaden

Dr.-Ing. Michael Hermann, zuständiger Projektleiter und Koordinator Innovationsprozesse Wärme- und Kältetechnik, sagt: „Nachdem wir in einem ersten Projekt ein Herstellungsverfahren für UHPC-Kollektoren im Labormaßstab entwickelt haben, verfolgen wir nun die notwendigen Schritte in Hinblick auf spätere Produkte. In TABSOLAR II liegt unser Fokus auf der Fassadenanwendung von UHPC-Kollektoren.“

Auf der Internetseite des Projekts heißt es: Als Vision eines späteren Produkts sei somit beispielsweise eine vollständig vorgefertigte tragende Wand vorstellbar, die auf der Außenseite einen spektralselektiv beschichteten, vor Ort zu verglasenden durchströmten Absorber aufweise, in ihrem Kern wärmegedämmt sei und auf der Innenseite eine weitere Kanalstruktur enthalte und damit als Wandflächenheizung fungieren könne (siehe Abbildung).

Die Fraunhofer-Forscher und ihre Projektpartner konzentrieren sich der Pressemitteilung zufolge derzeit auf zwei wesentliche Aspekte:

• Zum einen sei es Ziel, das vom Fraunhofer ISE entwickelte und erprobte Membran-Vakuumtiefziehverfahren (sogenanntes MVT-Verfahren) auf praxistaugliche Größen zu skalieren und auf produktionsnahen Anlagen zu realisieren. Bei diesem Verfahren fräse man die Außenkonturen der späteren Fluidkanäle in einen Werkzeugblock. Der Block werde dann mit Bohrungen versehen und mit einer Membran überdeckt. Unter Zuhilfenahme von Vakuum werde anschließend eine Halbschale des UHPC-Bauteils tiefgezogen und noch vor Aushärtung mit einer Platte aus frischem UHPC zusammengebracht. Die Herstellung von Bauelementen im MVT-Verfahren sei bislang für Formate von 34 Zentimetern mal 46 Zentimetern erfolgreich im Labor umgesetzt worden. Jetzt gehe es darum, für die Baubranche praxistaugliche Formate zu realisieren.

• Zum anderen verfolge das Projektteam das Ziel, je nach Anforderungen der Zielmärkte für UHPC-Kollektoren unterschiedliche Ausführungen anzubieten:

1. Die Ausführung „TABSOLAR Premium“ soll demnach mit einer spektralselektiven Beschichtung sowie Antireflexglas versehen und hinsichtlich Effizienz mit marktgängigen Solarkollektoren vergleichbar werden.
2. „TABSOLAR Economy“ stehe für lackierte oder durchgefärbte UHPC-Kollektoren mit Low-E-Verglasung und etwas geringeren Erträgen.
3. In der Kategorie „TABSOLAR Design“ liege der Fokus – wie der Name schon vermuten lässt – auf der gestalterischen Ausführung.

Drei Betonkollektortypen für unterschiedliche Heizjobs

Diese drei Beton-Kollektortypen seien laut dem Fraunhofer ISE unverglast und könnten mit verschiedensten Strukturen und Farben versehen werden. Die ersten beiden Kategorien würden für direkte solare Anwendungen konzipiert, darunter zur Warmwasserbereitung oder für die Nutzung der Betonkollektoren in Solar-Kombisystemen. Die dritte Kategorie zeichne sich demnach durch vielfältige architektonische Gestaltungsmöglichkeiten aus. Da sie deutlich geringere Temperaturniveaus und Wirkungsgrade erreiche, sei sie zum Beispiel als Niedertemperatur-Wärmequelle für Wärmepumpen geeignet.

„Für alle drei Kollektorvarianten werden Systemsimulationen, Wirtschaftlichkeitsberechnungen und Lebenszyklusbetrachtungen durchgeführt«, dagt Michael Hermann. Und weiter: „Nur so können diese für die spätere Integration in die Gebäudehülle von uns optimiert und zielgerichtet zu einem wettbewerbsfähigen Produkt auf dem Markt weiterentwickelt werden.“

Zum Projektende soll`s ein Demohaus geben

Um die späteren Produkte für Fachleute, Architekten oder Installateure zu veranschaulichen, soll zum Projektende ein Demonstrationsgebäude entstehen, dessen Fassade UHPC-Fertigelemente in Form von Betonkollektoren enthält. Das Anschauungsobjekt soll mit einfacher Messtechnik ausgestattet sein und so eine Visualisierung des thermischen Verhaltens der Elemente ermöglichen. „Ein Demogebäude im realen Betrieb liefert uns wichtige Erkenntnisse für die Weiterentwicklung der Produktkategorien“, erklärt Michael Hermann das Vorhaben. „Außerdem gibt es uns die Möglichkeit, unsere Ergebnisse vor Ort zu präsentieren und direkte Reaktionen von potenziellen Interessenten einzuholen.“ Die beteiligten Partner würden außerdem bereits weiter in die Zukunft denken: Sie möchten demnach das Demogebäude auch nutzen, um erste Anwendungen von UHPC-Bauelementen im Innenraum, zum Beispiel thermoaktive Bauteilsysteme (TABS), zu evaluieren und damit weitere Potenziale der entwickelten Technologie aufzuzeigen.

Über das Projekt TABSOLAR II

Das Projekt „TABSOLAR II – Solarabsorber und andere thermisch aktive Bauteile aus Ultrahochleistungsbeton (UHPC)“ wird vom Fraunhofer ISE koordiniert. Projekt-Partner für die Entwicklung von Betonkollektoren sind die Firmen:

• tecz Engineering UG (haftungsbeschränkt),
• Betonfertigteile Spürgin GmbH & Co. KG,
• Facade-Lab und Priedemann Fassadenberatung GmbH
• sowie das Karlsruher Institut für Technologie (KIT).

TABSOLAR II wird vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWi) gefördert. Weitere Infos zum Projekt und zu den bisherigen Ergebnissen findet ihr hier:

• https://www.tabsolar.de/
• http://www.enob.info/de/neue-technologien/projekt/details/thermoaktive-bauteile-aus-uhpc-beton/

Foto und Grafik: Fraunhofer ISE