Energiebedarf in Gebäuden senken

Dünnschichttechnologien für die Energiewende

30. September 2022, 10:44 Uhr | Ralf Higgelke
Fraunhofer FEP
Visueller Vergleich zwischen einer thermochromen Beschichtung (mittig) und unbeschichtetem Glas.
© Fraunhofer FEP

Glasfassaden entlasten im Winter die Heizung, im Sommer ist deswegen jedoch eine aktive Kühlung nötig. Am Fraunhofer FEP ist es nun gelungen, thermochrome Schichten auf einem 100 µm dicken Glassubstrat in einem Rolle-zu-Rolle Verfahren zu fertigen, um den Wärmeeintrag genauer regulieren zu können.

Bürokomplexe, öffentliche Gebäude und Neubauten sind architektonisch zumeist geprägt durch große, nach Süden ausgerichtete Fenster und Glasfassaden. Während im Winter die Sonneneinstrahlung zur Unterstützung der Heizung dient, heizt sich im Sommer das Gebäudeinnere auf und erfordert eine aktive Kühlung. Verschattungen beispielsweise durch Jalousien senken jedoch den Komfort und tragen im Winter nicht zur Nutzung des Wärmeeintrages im Gebäude bei.

Besonders mit Blick auf die aktuellen staatlichen Vorgaben zur Energieeinsparung und der Energiekrise können smarte Fenster hier eine attraktive Lösung bieten, denn sie können den Wärmeeintrag der Sonnenstrahlung entsprechend der Wettersituation regulieren. Dies kann künftig mechanische Jalousien überflüssig machen und den Kühl- und Heizenergiebedarf eines Gebäudes zwischen zehn und in Extremfällen bis zu 60 Prozent reduzieren.

Nachteile bestehender Technologien

Aktuell sind einige passive Technologien bereits kommerziell am Markt erhältlich. Diese dünnen, auf Folie oder Glas hergestellten Schichten passen den Energiedurchlassgrad jedoch permanent an und funktionieren damit nur in einer Einstellung. Damit verhindern sie zum Beispiel Wärmeeinstrahlung im Sommer, aber auch im Winter. Zudem greifen sie im Herstellprozess unter anderem auch auf wertvolle Ressourcen wie Silber zurück.

Bei allen Technologien – ob passiv (low-E; SolarControl) oder aktiv (elektrochrom; thermochrom) – besteht die Herausforderung darin, den Spagat zwischen den verschiedenen Eigenschaften zu meistern, die gleichzeitig wirksam sein sollen: Spielen der optische Eindruck und die optische Wirksamkeit in unterschiedlichen Wellenlängenbereichen die größere Rolle oder ist dies vernachlässigbar gegenüber einem großen Energiedurchlassgrad?

Ebenso sind die Spanne der Schalttemperaturen bei thermochromen Schichten und auch die Herstellkosten zu berücksichtigen. Glas als Substratmaterial stellt hohe Anforderungen an das Handling. Auch die Skalierung auf größere Flächen gestaltete sich bislang als sehr schwierig. Gleichzeitig ist Polymerfolie als alternatives Substrat, die das Handling erleichtern könnte, nicht ohne weiteres einsetzbar, denn im Herstellungsprozess sind Temperaturen von einigen hundert Grad Celsius nötig.

Thermochrome Schichten auf Dünnstglas

Anfang 2022 ist es Forschenden am Fraunhofer FEP gelungen, eine thermochrome Schicht basierend auf Vanadiumdioxid auf etwa 100 µm dünnem Glassubstrat in einem Rolle-zu-Rolle-Verfahren zu fertigen. »Damit haben wir einen wichtigen Schritt geschafft, um die Technologie vom Labor- auf einen Pilotmaßstab zu skalieren«, freut sich Gruppenleiterin Dr. Cindy Steiner.

Das thermochrome Dünnstglas schaltet vom transmittiven in den reflektiven Zustand um, wenn es über +20 °C warm wird. Über dieser Temperaturschwelle wird selektiv nur der Infrarotbereich reflektiert, während die Transmission im sichtbaren Bereich unverändert bleibt. Der Nutzer bemerkt so keine optische Veränderung am Fenster und hat keine Einschränkungen im Lichtkomfort oder der Sicht. »Diese Schalttemperatur lässt sich entsprechend der klimatischen Anforderungen einstellen, indem man die Zusammensetzung, die Prozessführung und den Aufbau des Schichtsystems verändert«, ergänzt Dr. Steiner.

Im nächsten Schritt soll die Technologie skaliert und zur Marktreife geführt werden. Forschungsgegenstand sind insbesondere die Optimierung des Substrathandlings, die Langzeitstabilität und die Einstellung der erforderlichen Schalttemperatur.


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