Sonnenwärme in Beton speichern

  • 16. January 2017

Mit Kanälen durchzogene Bauteile dienen als solarthermische Kollektoren. 

Bei der Integration erneuer­barer Energien in die Gebäude­hülle kann Solar­thermie eine wesentliche Rolle spielen. Bislang basieren solar­thermische Produkte in der Regel auf durch­strömten Bauteilen aus Metall, die einen hohen Anteil der Solar­strahlung aufnehmen und zur Vermeidung ther­mischer Verluste wenig Infrarot­strahlung abgeben. Mit diesem Stand der Technik wird der Gebäude­integration und architek­tonischen Aspekten jedoch oft wenig Rechnung getragen. Im Projekt TABSOLAR II verfolgt das Fraunhofer ISE gemeinsam mit Industrie­partnern den neuartigen Ansatz, solar­thermische Kollektoren aus Ultrahoch­leistungsbeton herzu­stellen.

Abb.: Sonnenwärme speicherndes Element aus Ultrahochleistungsbeton (UHPC), das im Membran-Vakuumtiefziehverfahren hergestellt wurde. (Bild:G.tecz Engineering GmbH)

Abb.: Sonnenwärme speicherndes Element aus Ultrahochleistungsbeton (UHPC), das im Membran-Vakuumtiefziehverfahren hergestellt wurde. (Bild:G.tecz Engineering GmbH)

Im Projekt TABSOLAR II forscht das Fraunhofer ISE gemeinsam mit fünf Partnern aus Industrie und Forschung daran, auf Basis durch­strömter Bau­elemente aus Ultrahoch­leistungsbeton (UHPC) ressourcen- und kosten­effiziente Produkte zu entwickeln, die in der Fassade verbaut werden und so Gebäude­hüllen für den Einsatz erneuer­barer Energien nutzbar machen. Für die neuartigen Bauteile wurden spezielle Rezepturen entwickelt. Aus diesem können sehr filigrane, material­sparende und gleich­zeitig hochfeste Beton­fertig­bauteile gegossen werden. Die Kanalstrukturen der UHPC-Kollektoren werden im vom Fraunhofer ISE entwickelten und paten­tierten bionischen FracTherm-Verfahren realisiert. Dieses erzeugt auf Basis eines Algo­rithmus mehrfach verzweigte Strukturen wie etwa in Blättern. Mit dem Verfahren können nahezu beliebige Formen mit einem gleichmäßig durch­strömten Kanal­netzwerk versehen werden. Es wurde bereits in anderen Konzepten und Fertigungs­verfahren für Solar­absorber oder für die Kühlung von Werkzeugen erfolgreich eingesetzt.

„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“, so Michael Hermann, zuständiger Projekt­leiter und Koordinator Innovations­prozesse Wärme- und Kälte­technik. „In TABSOLAR II liegt unser Fokus auf der Fassaden­anwendung von UHPC-Kollektoren.“ Die Fraunhofer-Forscher und ihre Projekt­partner konzen­trieren sich aktuell auf zwei wesent­liche Aspekte. Zum einen ist es Ziel, das vom Fraunhofer ISE entwickelte und erprobte Membran-Vakuum­tiefzieh­verfahren (MVT-Verfahren) auf praxis­taugliche Größen zu skalieren und auf produktions­nahen Anlagen zu realisieren. Bei diesem Verfahren werden die Außen­konturen der späteren Fluidkanäle in einen Werkzeug­block gefräst. Der Block wird mit Bohrungen versehen und mit einer Membran überdeckt. Im Vakuum wird dann eine Halbschale des UHPC-Bauteils tief­gezogen und noch vor Aushärtung mit einer Platte aus frischem UHPC zusammen­gebracht. Die Herstellung von Bau­elementen im MVT-Verfahren wurde für kleinere Formate bereits erfolg­reich im Labor umgesetzt. Jetzt geht es darum, für die Baubranche praxis­taugliche Formate zu realisieren.

Zum anderen verfolgt das Projektteam das Ziel, je nach Anfor­derungen der Zielmärkte für UHPC-Kollektoren unter­schiedliche Aus­führungen anzubieten. Die Ausführung TABSOLAR Premium soll mit einer spektral­selektiven Beschichtung sowie Anti­reflexglas versehen und hin­sichtlich Effizienz mit markt­gängigen Solar­kollektoren vergleichbar werden. TABSOLAR Economy steht für lackierte oder durch­gefärbte UHPC-Kollektoren mit Low-E-Verglasung und etwas geringeren Erträgen. In der Kategorie TABSOLAR Design liegt der Fokus auf der gestal­terischen Ausführung. Diese Kollek­toren sind unverglast und können mit ver­schiedensten Strukturen und Farben versehen werden. Die ersten beiden Kategorien werden für direkte solare Anwendungen, etwa zur Trinkwarmwasserbereitung oder für die Nutzung in Solar-Kombi­systemen, konzipiert. Die dritte Kategorie zeichnet sich durch viel­fältige architek­tonische Gestaltungs­möglich­keiten aus. Da sie deutlich geringere Temperatur­niveaus und Wirkungsgrade erreicht, ist sie als Nieder­temperatur-Wärme­quelle für Wärme­pumpen geeignet. „Für alle drei Kollektor­varianten werden System­simulationen, Wirt­schaftlichkeits­berechnungen und Lebens­zyklusbetrach­tungen durchgeführt“, so Hermann. „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.“

Um die späteren Produkte für Fachleute, Architekten oder Installa­teure zu veran­schaulichen, soll zum Projektende ein Demonstrations­gebäude entstehen, dessen Fassade UHPC-Fertig­elemente 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“, so Hermann. „Außerdem gibt es uns die Möglichkeit, unsere Ergebnisse vor Ort zu präsentieren und direkte Reaktionen von poten­ziellen Interes­senten einzuholen.“ Die beteiligten Partner möchten das Demogebäude auch nutzen, um erste Anwendungen von UHPC-Bau­elementen im Innenraum zu evaluieren und damit weitere Potenziale der entwickelten Techno­logie aufzuzeigen.

ISE / JOL

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