Aus der Forschung: Intelligente Fenster machen Solarthermie

Da haben Forscher der Friedrich-Schiller Uni Jena ja was Spannendes entwickelt: Intelligente Fenster sorgen für Schatten und machen aus der Sonnenenergie Sonnenwärme. Wir erklären euch hier, wie die schlauen Fenster Solarthermie auf Knopfdruck erzeugen.

Fenster im Fokus der Energiewissenschaft

Dass Fenster ein nicht nur aus energetischer Sicht spannender Bereich der Gebäudehülle sind, weiß jeder aus eigener Erfahrung: Als Schnittstelle zwischen Innenraum und Außenwelt sollen sie Lichtenergie von der Sonne einfallen lassen. Ob wir von der mit den Sonnenstrahlen mitgelieferten Wärme angetan sind oder nicht, hängt von vielen Faktoren ab. In Abhängigkeit von den isolierenden Fähigkeiten von Fensterglas und -Rahmen dringen auch mehr oder weniger Temperatur und gegebenenfalls Feuchtigkeit von draußen nach drinnen und umgekehrt. Wir Menschen nutzen unsere Fenster bewusst (händisch oder automatisiert) zur Regelung des Innenraumklimas (Stichwort: Lüften). Sie sollen uns aber auch Ausblick erlauben, was mitunter mit unserem Sicherungsanspruch an unseren Privatraum kollidiert: Wer sehen will, wird auch gesehen. Damit sind wir dann auch schon bei der Sicherheit, die Fenster uns zudem bereits Genannten auch noch gewähren sollen. Eine Menge Funktionen, oder? Von denen die, die energetisches Potential besitzen, immer mehr ins Augenmerk der Energieforscher rücken.

Ein schönes Beispiel dafür kommt dieser Tage aus Jena, der sogenannten Lichtstadt. Nicht ohne Grund trägt sie diesen Namen: Aus der thüringischen Stadt kommen überdurchschnittlich viele Patente, ist hier zu lesen: Jährlich würden um die 250 Patente pro 100.000 Einwohner aus Jena angemeldet werden, heißt es, der deutsche Durchschnitt liege bei 59.  Und mit rund 1.000 Forschern im Bereich Optik und Photonik und über 9.000 Beschäftigten in der High-Tech-Industrie sei Jena demnach ein europäisches Zentrum im Bereich lichtbasierter Technologien. Nicht zu vergessen: In Jena seien über 100 Unternehmen der optoelektronischen Industrie und der Präzisionstechnik vertreten, darunter traditionsreiche Unternehmen wie die Carl Zeiss AG, JENOPTIK AG und SCHOTT AG.

Schauen wir doch mal, was für intelligente Fenster die Materialforscher der Friedrich-Schiller-Universität Jena entwickelt haben:

Intelligente Fenster und Fassaden mit Kanälen für zirkulierende Flüssigkeiten

“Kernthema unseres Projektes ist die Nutzung von Flüssigkeiten in Gebäudehüllen, zum Beispiel als Wärmeträger oder um zusätzliche Funktionen in Fenster und Fassaden zu integrieren.” Das erläutert Prof. Dr. Lothar Wondraczek, der das Projekt koordiniert. “Dafür entwickeln wir neuartige Glaswerkstoffe, in die sich großflächige Kanalstrukturen integrieren lassen. In diesen Kanälen zirkuliert dann eine für die jeweilige Anwendung geeignete Flüssigkeit.”

Im neusten Prototypen sei die Flüssigkeit mit kleinsten magnetischen Eisenpartikeln angereichert worden, die sich mit Hilfe eines Magneten herausziehen oder, mit dem Abschalten desselben, wieder zuführen ließen. “Abhängig von der Menge der in der Flüssigkeit enthaltenen Eisenpartikel nimmt die Flüssigkeit einen unterschiedlich starken Grauton an oder färbt sich komplett schwarz“, erklärt Wondraczek, der an der Uni Jena den Lehrstuhl für Glaschemie innehat. “So wird das Fluidikfenster unterschiedlich stark abgedunkelt. Zusätzlich wird einfallendes Sonnenlicht zunehmend stark absorbiert, wodurch sich die Flüssigkeit erwärmt.” Der erzielbare Wärmegewinn pro Fläche sei vergleichbar mit dem üblicher solarthermischer Anlagen. “Und im Gegensatz zu herkömmlichen Solarthermie-Anlagen können diese Systeme sehr einfach in die vertikale Fassade integriert werden“, sagt der Materialforscher gegenüber der Presse. Das An- und Abschalten des Magneten und damit das Zu- und Abführen der Partikel in die Flüssigkeit erfolge dabei in einem separaten Tank. Ein elektrischer Anschluss am Fenster sei damit – anders als in bisherigen Technologien – nicht nötig.

Intelligente Fenster mit Multifunktionalität: Klimaanlage, Verschattung und Warmwasserbereitstellung

Der Vorteil großflächiger Fluidikfenster bestehe laut Lothar Wondraczek vor allem darin, dass sie

1. Klimaanlagen,
2. Verschattungssysteme und
3. die Warmwasserbereitstellung

in einem ersetzen könnten. Hierfür sei dem Wissenschaftler zufolge die Entwicklung entsprechender großformatiger Glasbauteile zu möglichst niedrigen Kosten der Schlüssel. Die Gläser müssten

• die Kanäle enthalten,
• über die gesamte Lebensdauer eines Gebäudes unverändert stabil bleiben
• und sich zudem mit geringem Aufwand in herkömmliche Rahmen von 2- oder 3fach-Verglasungen

integrieren lassen. Dass die drei Aspekte erfüllt würden, konnte das Forschungskonsortium anhand von Prototypen mit einer Gesamtfläche von rund 200 Quadratmetern demonstrieren.

Über das Jenaer Forschungsprojekt

Klimaschutz und die Verringerung von Kohlendioxid-Emissionen (kurz: CO2-Emissionen) stünden seit Jahren weltweit ganz oben auf der politischen Agenda. National wie international würden deshalb Forschungs- und Entwicklungsprojekte durchgeführt, die auf die Verbesserung der CO2-Bilanz unterschiedlichster Prozesse abzielten. Neben besonders energieintensiven Industriezweigen gehöre dabei vor allem der Gebäudesektor – vom Einfamilienhaus über Produktions- und Lagerhallen bis zu kommerziell genutzten Gebäuden – zu den größten Schadstoffemittenten, erklärt die Uni. Rund 40 Prozent des Energiebedarfs innerhalb der EU schreibt sie dem Heizen, Kühlen, Belüften und Beleuchten von Gebäuden zu.

Diesem Problem widme sich auch das an der Friedrich-Schiller-Universität Jena beheimatete Forschungsprojekt LaWin (Large-Area Fluidic Windows), dessen jüngste Ergebnisse in der aktuellen Ausgabe des Fachmagazins “Advanced Sustainable Systems” (siehe unten) vorgestellt werden. In dem Beitrag “A Large-Area Smart Window with Tunable Shading and Solar-Thermal Harvesting Ability Based on Remote Switching of a Magneto-Active Liquid” präsentieren die Jenaer Materialwissenschaftler ihren Prototypen eines schaltbaren Fensters, das sich auf Knopfdruck selbst verschatten und zur solarthermischen Wärmegewinnung nutzen lassen kann (DOI: 10.1002/adsu.201700140). Überdies wurde das Thema für die Gestaltung des Titelblatts des Journals ausgewählt.

Das mit 5,9 Millionen Euro von der Europäischen Union im Rahmen ihres Horizon-2020-Programms über den Zeitraum von 2015 bis Ende 2017 geförderte Projekt widmee sich innovativen Materialien für intelligente Fenster- und Fassadensysteme. Weitere 2,2 Millionen Euro steuerten insgesamt elf beteiligte Industriepartner bei. Nach dem Ende der ersten Förderphase sei laut der zugehörigen Pressemeldung der Jenaer Friedrich-Schiller-Uni in diesem Jahr die Kommerzialisierung erster Anwendungen geplant.

Angaben zur original-Publikation: Heiz, B. P. et al. (2017): A Large-Area Smart Window with Tunable Shading and Solar-Thermal Harvesting Ability Based on Remote Switching of a Magneto-Active Liquid, Advanced Sustainable Systems, DOI: 10.1002/adsu.201700140.

Foto: Jan-Peter Kasper/FSU