Energie sparen mit smarten Beschichtungen

Unter anderem gelang es den Wissenschaftlern, die weltweit erste thermochrome Schicht auf Dünnstglas in einem Rolle-zu-Rolle Verfahren zu fertigen. Ergebnisse, die künftig mechanische Jalousien überflüssig machen und gleichzeitig den Kühl- und Heizenergiebedarf eines Gebäudes reduzieren können. Im Artikel werden die verschiedenen Technologieentwicklungen vorgestellt.

Fenstereffizienz wird seit den 1970ern optimiert

Innerhalb der Europäischen Union trägt der der Gebäudesektor gegenwärtig zu etwa 40 % zum Primärenergieverbrauch bei [1]. Vor diesem Hintergrund wurden zahlreiche Initiativen gestartet, um diese Bilanz zu verbessern. Darunter zählt auch das EU-Projekt Switch2Save, das die Entwicklung von energiesparenden Renovierungslösungen für Fenster beinhaltet und auf dessen Ergebnisse sich dieser Artikel vorrangig bezieht.

Bürokomplexe, öffentliche Gebäude und Neubauten sind zumeist architektonisch geprägt durch große, nach Süden ausgerichtete Fenster und Glasfassaden. Der Energieaustausch zwischen dem Gebäudeinneren und der Umwelt wird durch die Fenster stark beeinflusst und ist von entscheidender Bedeutung für die Energiebilanz. Seit der ersten Ölkrise in den 1970er Jahren wurden die Bemühungen intensiviert, diesen Energiefluss im Sinne einer verbesserten Effizienz zu gestalten und zu steuern. Meilensteine auf diesem Weg waren die integrierte Glaseinheit (IGU; integrated glass unit) sowie die Low-e- und Solar Control-Beschichtungen (Abb. 1). Diese bestehen aus mehreren Lagen dünner Schichten, die kombiniert dazu führen, dass die Scheiben für sichtbares Licht transparent bleiben, im infraroten (IR) Spektralbereich dagegen wie ein Spiegel wirken.

Damit wird sowohl die Wärmestrahlung beeinflusst, die im Winter zum Abkühlen des Gebäudeinneren führt (mittlerer Infrarotbereich – MIR), als auch der Spektralbereich des Sonnenlichts, der bei starker Einstrahlung speziell in den Sommermonaten zu einer unerwünschten Aufheizung des Gebäudes führt (naher Infrarotbereich – NIR). Mit derartigen Lösungen kann eine Optimierung für einen bestimmten Ort mit typischer Wetterlage oder für eine Jahreszeit erzielt werden.

... das Nikaia-Krankenhaus in Athen. An beiden Gebäuden soll das Potenzial der smarten Schichten demonstriert und ausgewertet werdenFür eine weitere Verbesserung der Energiebilanz ist es wünschenswert, über eine Verglasung mit veränderlichen optischen Eigenschaften zu verfügen. Denn während im Winter die Sonneneinstrahlung zur Unterstützung der Heizung dient, heizt sich im Sommer das Gebäudeinnere auf und erfordert eine aktive Kühlung. Gängige Verschattungen sind z. B. Sonnenschutzlamellen und Jalousien. Diese senken allerdings den Komfort und tragen im Winter nur bedingt zur Nutzung des Wärmeeintrages in das Gebäude bei. Um diesen Nachteilen entgegenzuwirken ist es nötig, dass Fenster- oder Glasfassaden einander widersprechende Anforderungen erfüllen können: auf der einen Seite soll eine ungestörte Sichtverbindung nach außen bestehen, auf der anderen Seite ist ein möglichst niedriger Gesamtenergiedurchlassgrad (g-Wert) gewünscht.

Eine tages- und jahreszeitliche Schaltung des g-Wertes ist beispielsweise unter Ausnutzung einer Vielzahl intrinsischer Materialeigenschaften wie photo- und thermochromer (TC) Materialen möglich. Solche Materialen verändern ihre Transparenz – und somit ihren g-Wert – bei Erreichen einer bestimmten Temperatur oder Lichteinstrahlung. Eine aktive g-Wert Schaltung ist z. B. mittels elektrochromer (EC) Systeme durch Änderung der angelegten Spannung möglich. Der Einsatz dieser Systeme erlaubt es, dass sowohl in klarem als auch getöntem Zustand die Sichtverbindung nach außen erhalten bleibt.

Elektrochromie

Elektrochrome Materialien und Elemente verändern ihre Transmissions- und/oder Reflexionseigenschaften durch Anlegen einer elektrischen Spannung bzw. eines Stroms. Dieses Phänomen kann unter anderem für die Lichtsteuerung und damit Verschattung/Verdunklung von Fenstern eingesetzt werden. Es gibt eine Vielzahl anorganischer, organischer und hybrider Materialien, die mittels physikalischer und chemischer Beschichtungsmethoden als dünne Schichten auf transparenten, leitfähigen Glas- und Foliensubstraten aufgebracht werden. Als Materialklassen sind vor allem Metalloxide, Metall-Komplexe, Viologene, konjugierte und supramolekulare Polymere bekannt [3]. In kommerziell erhältlichen elektrochromen Verglasungen werden vor allem Wolframoxid und Nickeloxid als farbgebende Materialien eingesetzt. Für die transparenten, leitfähigen Schichten werden häufig dotierte Metalloxide, wie z. B. ITO (tin-doped indium oxide) oder FTO (fluorine-doped tin oxide), aber auch Metallstrukturen, Graphene oder leitfähige Polymerschichten verwendet. ITO oder FTO zeigen jedoch bis heute das günstigste Eigenschaftsprofil (hohe Transmission und hohe Leitfähigkeit) für einen Einsatz in elektrochromen Fenstern. Das Schalten elektrochromer Materialien basiert auf Redoxprozessen, wobei ein reversibler Ladungs- und Ionenaustausch stattfindet, der für die Ent- bzw. Einfärbung der Schichten sorgt [4].

Abb. 2: Wirkung einer elektrochromen Verglasung im klaren und getönten Zustand (VLT: Visible Light Transmission; TDS: Direct Solar Transmission) in Anlehnung an Ref. [M. Casini, Actice dynamic windows for buildings: A review, Renewable Energy 2018, 119, 923-934] erstellt

Abbildung 2 zeigt die Wirkung einer elektrochromen Verglasung auf die Strahlungsenergie und das sichtbare Spektrum des einfallenden Sonnenlichts.

Abb. 3: (Links) Aufbau einer elektrochromen Zelle und (rechts) Implementierung in ein Fenster

Abbildung 3 zeigt den prinzipiellen Aufbau eines elektrochromen Elements und dessen Applikation in ein Fenster nach dem Konzept des Projektes Switch2Save.

Abb. 4: Transmissionsspektren einer elektrochromen Zelle im Hell- und DunkelzustandDie Halbzellenkomponenten (Elektroden) bestehen aus dem Kunststoffsubstrat, der leitfähigen Schicht und einer elektrochromen Schicht (Halbzelle 1) bzw. einer komplementär färbenden elektrochromen Schicht oder Ionenspeicherschicht (ISL; ion storage layer) (Halbzelle 2). Ein hochtransparenter und ionenleitender Elektrolyt, welcher die beiden Halbzellen (Substrat/leitfähige Schicht/EC bzw. ISL) miteinander verbindet, ist ein weiterer wichtiger Bestandteil einer funktionsfähigen elektrochromen Zelle (Abb. 3). Nach außen hin wird die elektrochrome Zelle generell durch einen Randverbund versiegelt, um vor allem den Elektrolyten vor Feuchtigkeit zu schützen. Die Kontaktierung der leitfähigen Schichten gewährleistet die Ansteuerung der elektrochromen Zelle über eine externe Steuerungseinheit, die je nach Anwendungszweck auch automatisiert werden kann. Die Funktionsweise einer elektrochromen (dimmbaren) Verglasung beruht auf dem wechselseitigen Aufhellen bzw. Abdunkeln der elektrochromen Zelle, wodurch der Licht- und Wärmeeintrag ins Gebäude reguliert werden kann (Abb. 2). Auch das Einstellen von Zwischenzuständen ist prinzipiell möglich.

Innerhalb von Switch2Save haben zwei Partner, das Fraunhofer-Institut für Silicatforschung ISC und die schwedische Firma ChromoGenics ihre Technologien miteinander kombiniert. Im Ergebnis konnten optimierte Transmissionseigenschaften erreicht werden.

Elektrochrome Elemente sind insbesondere für die Anwendung im Architektur-, Automobil- und Transportbereich interessant und bieten viele Vorteile wie Blendschutz, Steuerung von Lichtverhältnissen und Innenraumtemperatur sowie Energieeinsparung für Klimatisierung [5].

Im EU-Projekt Switch2Save werden neben elektrochromen (Abb. 4) auch thermochrome Systeme sowie die Kombination beider Systeme im Hinblick auf energieeffiziente Glasfassaden untersucht.

Thermochromie

visueller Eindruck eines elektrochromen Fensters von ChromoGenics Thermochrome Beschichtungen ermöglichen einen weiteren Typ von Fenstern mit variablen optischen Eigenschaften. Die Änderung der optischen Eigenschaften erfolgt in diesem Falle als Reaktion auf eine Änderung der Temperatur des Fensters, beziehungsweise von einer im Fenster verbauten Scheibe. Dieses Prinzip hat den großen Vorteil, dass es die Installation wesentlich vereinfacht. Es sind keinerlei elektrische Installationen notwendig. Speziell bei Nachrüstlösungen im Rahmen von Renovierungen ist dies vorteilhaft. Auf der anderen Seite ist genau mit dieser Eigenschaft auch ein entscheidender Nachteil verbunden. Einmal eingebaut, entziehen sich die thermochromen Scheiben der menschlichen Kontrolle. Daraus folgt, dass ihre Eigenschaften genau auf den jeweiligen Einsatzfall abgestimmt sein müssen, damit die Fenster tatsächlich die angestrebte Energieeinsparung erzielen können. Letztlich ist eine Art „property on demand“-Herangehensweise erforderlich. Das gilt speziell, wenn man den breiten Einsatz in verschiedenen Klimazonen im Auge hat.

Es gibt verschiedene Klassen von thermochromen Materialien. Die am besten erforschte Verbindung, und nur um die soll es in diesem Artikel gehen, ist Vanadiumdioxid [6]. Diese Substanz weist einen strukturellen Phasenübergang auf, bei dem die tetragonale Hochtemperaturphase in eine Tieftemperatur mit monokliner Kristallstruktur übergeht. Das findet bei 63 °C statt, wobei man diese Temperatur durch Dotierungen zu niedrigeren Werten verschieben kann. Mit diesem Übergang ist eine Änderung der optischen Eigenschaften verbunden.

Hervorstechend und prinzipiell verschieden von den zuvor betrachteten elektrochromen Schichten ist dabei, dass diese Änderung nur im infraroten Spektralbereich stattfindet, für das menschliche Auge also nahezu unbemerkt bleibt. In der Tieftemperaturphase verhält sich Vanadiumdioxid ähnlich wie viele andere transparente Oxide. Es lässt das Sonnenlicht weitgehend passieren, wobei es im sichtbaren Spektralbereich eine gewisse Absorption aufweist, die zu einer gelblichen Färbung führt. In der Hochtemperaturphase treten dagegen Eigenschaften auf, die für Metalle typisch sind. In dem Material existieren dann frei bewegliche Elektronen, die nicht nur zu einer elektrischen Leitfähigkeit führen, sondern auch die Reflektivität der Schicht im infraroten Spektralbereich erhöhen. Die Wirkung der thermochromen Schicht ist in Abbildung 5 zu sehen.

In der Tieftemperaturphase werden die sichtbare und die infrarote Strahlung des einfallenden Sonnenlichts gleichermaßen leicht abgeschwächt. In der Hochtemperaturphase ist die Abschwächung der infraroten Strahlung wesentlich verstärkt, was nahezu ausschließlich auf eine erhöhte Reflexion zurückgeht. Im sichtbaren Spektralbereich bleiben die Eigenschaften dagegen unverändert.

Abb. 5: Wirkung eines thermochromen Fensters im kalten und warmen Zustand

Es sind viele Bemühungen unternommen worden, um das Verhalten des thermochromen Vanadiumdioxids zu optimieren. Eine der wichtigsten ist die Einbettung in zwei andere Oxidschichten, was zu einer Struktur wie in Abbildung 6 führt.

Abb. 6: (Links) Aufbau einer thermochromen Zelle und (rechts) Implementierung in ein Fenster

Dadurch können die Eigenschaften des aktiven Materials verbessert werden. Ferner bewirkt die Einbettung eine Erhöhung des Lichtdurchlasses, was für Anwendungen im Architekturbereich generell wichtig ist. Das gleiche trifft für die Anpassung der Übergangstemperatur zu. Der Wert von 68 °C ist zu hoch, um positive Effekte für die Energiebilanz zu erreichen. Die notwendige Absenkung wird durch eine Dotierung der Schicht mit Atomen anderer Elemente, beispielsweise des Wolframs, erreicht. Für dünne Schichten erfolgt der Übergang nicht abrupt, sondern erstreckt sich über einen Temperaturbereich von einigen zehn Kelvin. Darüber hinaus zeigt sich eine Hysterese, also eine Änderung der Wirkung, die verzögert gegenüber einer Änderung der Ursache auftritt (Abb. 7).

Abb. 7: Hysterese einer thermochromen Schicht. Die eingezeichneten Bereiche kennzeichnen die Tag-Nacht-Modulation am Beispiel von Athen. Es wird deutlich, dass für die Schichten eine spezielle Anpassung an das Klima des Einsatzortes notwendig ist

Die exakte Form der Kurve in Abbildung 7 hängt von vielen Faktoren ab. Neben den bereits genannten Parametern haben auch die Schichtdicke selbst, die Reinheit der thermochromen Struktur oder die Schichtspannung Einfluss auf das Verhalten. Das Verständnis dieser Zusammenhänge ist im Sinne des anfangs formulierten Anspruchs der Fertigung „property on demand“ der aktuelle Forschungsgegenstand.

Auch für die thermochromen Schichten wurde die Expertise von zwei Partnern kombiniert, in diesem Fall des Fraunhofer FEP und der Westböhmischen Universität in Pilsen. Das gemeinsam erzielte Resultat [7] ist in Abbildung 8 zu sehen.

Einbindung in Gebäude

Abb. 8: Grafische Darstellung des Spektrums eines TC-Glases im kalten und warmen ZustandInnerhalb des Projektes Switch2Save wurden nicht nur die dargestellten Schichten weiterentwickelt und in Fensterkomponenten integriert, sondern es soll auch deren Wirkung in realen Gebäuden demonstriert werden. Im Fokus steht dabei vor allem die Elektrochromie und deren Kombination mit Thermochromie.

Der Test startete mit einer Simulation der maximal möglichen Energieeinsparung. Dazu wurden die klimatischen Daten zweier grundverschiedener Standorte in Europa gewählt: Stockholm als Beispiel für eine Installation in Nordeuropa und Athen als das entsprechende Gegenstück in Südeuropa. Es wurde eine maximal mögliche Einsparung im zweistelligen Prozentbereich berechnet. Der exakte Wert hängt stark von dem WWR (window-to-wall-ratio) ab. Es ist anzumerken, dass der geringere Anteil an künstlicher Beleuchtung einen wesentlichen Einfluss auf die Energiebilanz des Gebäudes hat. Für den realen Test wurden zwei existierende Gebäude ausgewählt (Titelbild und Abb. Seite 151). In beiden Gebäuden werden gegenwärtig konventionelle Fenster durch modernisierte ersetzt. Diese modernisierten Fenster beinhalten eine elektrochrome Funktionalität, die mit konventionellen Low-e-Schichten in einer verbaufertigen Einheit (IGU) zusammengefasst ist.

Dieser Wechsel wird durch umfangreiche Messungen begleitet. Die Wirkung der Schichten soll über den Zeitraum von mindestens einem Jahr monitoriert werden. Im Fokus stehen dabei nicht nur Messwerte, die für die reine Energiebilanz relevant sind, vielmehr werden auch Parameter erfasst, die wichtig sind für das Wohlbefinden der Personen, die sich in den untersuchten Räumen aufhalten. Dazu zählen beispielsweise die Luftfeuchtigkeit, Temperaturgradienten innerhalb des Raumes, die Luftbewegung oder Angaben zur Ausleuchtung. Für die Erfassung der gesamten relevanten Größen wurde im Rahmen des Projektes Switch2Save ein spezieller Sensor entwickelt.

Neben den Tests in den beiden Demonstrationsgebäuden wurden an der Universität Athen spezielle Laborgebäude errichtet, um die Wirkung von Gebäudekomponenten unter definierten Bedingungen zu testen. Ein ähnlicher Weg wurde auch für den Test der thermochromen Schichten eingeschlagen. Basierend auf den im Projekt ermittelten Eigenschaften, wurde die Implementierung solcher Schichten in transparente Dächer als vielversprechendes Anwendungsszenario identifiziert. Auch dazu wird ein Teststand aufgebaut, mit dessen Hilfe die Forscher Daten gewinnen wollen, die für eine Weiterentwicklung der Technologie genutzt werden können.

Zusammenfassung und Ausblick

visueller Vergleich zwischen einer thermochromen Beschichtung (mittig) und unbeschichtetem Glas Die immer weiter steigenden Anforderungen an die Energieeffizienz von Gebäuden machen es notwendig, die Fenster mit variablen optischen Eigenschaften auszustatten. Im Rahmen des Horizont 2020 Projekts Switch2Save wurden zwei verschiedene Typen solcher anpassungsfähigen Glasscheiben optimiert und getestet. Elektrochrome Schichten sind vom Menschen steuer- und automatisierbar, thermochrome Schichten reagieren auf die Umgebungstemperatur. Für die optimale Installation von Fenstern mit solchen intelligenten Schichten wurde in Modellrechnungen eine Einsparungspotenzial im zweistelligen Prozentbereich prognostiziert. Der Fokus des Projektes lag auf leichten, nachrüstbaren Lösungen. Diese werden gegenwärtig in zwei Demonstrationsgebäuden installiert, eins in Schweden, ein anderes in Griechenland. Die Wirkungen werden umfassend monitoriert. Neben den energetisch bedeutenden Parametern wird auch auf das Wohlbefinden der in den Räumen befindlichen Personen Augenmerk gelegt. Die Forscher hoffen, nach dem Projektende genug Daten für die Einleitung einer breiten Nutzung präsentieren zu können.

Literatur

[1] https://www.irbnet.de/daten/iconda/CIB_DC26383.pdf
[2] https://switch2save.eu
[3] Electrochromic Materials and Devices: Wiley-VCH (Buch), 2015, https://onlinelibrary.wiley.com/doi/book/10.1002/9783527679850
[4] Advanced Materials Technologies (2021), 6, 2000836, https://doi.org/10.1002/admt.202000836
[5] Energies (2020), 13, 1449 (Review) https://doi.org/10.3390/en13061449
[6] X. Wang; S. Narayan: Thermochromic Materials for Smart Windows: A State-of-Art Review, Front. Energy Res., 8 December 2021, https://doi.org/10.3389/fenrg.2021.800382
[7] Surface and Coatings Technology, Volume 442, 25 July 2022, 128273