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Mit kleinen Kugeln gegen den Klimawandel – Energieeffizienz mit Komfort durch intelligente Baustoffe

Beschreibung der Institute und Unternehmen zu ihren nominierten Projekten

Energieeffizienz hat in den vergangenen Jahren in Zusammenhang mit dem Klimawandel und den politischen Vorgaben zur Reduktion des CO2-Ausstoßes stark an Bedeutung gewonnen. Studien belegen, dass in Deutschland über 60 Millionen Tonnen CO2 allein durch nachhaltiges Bauen und Sanieren eingespart werden können. Diesem Potenzial steht der stark steigende Einsatz von Klimaanlagen in Gebäuden gegenüber. Eine Alternative zu dieser energieintensiven Raumkühlung bietet das von BASF entwickelte Micronal® PCM – ein mikroverkapselter Latentwärmespeicher.

Intelligente Bauweise
Sowohl beim Neubau als auch in der Sanierung werden Gebäude vor allem durch aufeinander abgestimmte Maßnahmen energieeffizient. Für den Winter gehören hierzu eine gute Dämmung sowie moderne Heizsysteme. Verschattung der Fenster sowie Nachtlüftung schützen dagegen im Sommer vor Hitze. Neuartige Baustoffe mit integrierten Latentwärmespeichern – auch PCM (Phase Change Material) genannt – können zusätzlich einen schnellen Temperaturanstieg bremsen oder sogar stoppen. Diese intelligenten Materialien speichern Nachtkälte und ermöglichen auf diese Weise komfortable Innenraumtemperaturen ohne Strom und Wartung.

Der Eiswürfel-Effekt
Entscheidend für die Wirkung von Latentwärmespeichern sind die physikalischen Phänomene beim Übergang vom festen in den flüssigen Zustand. Bei diesem Phasenübergang wird sehr viel Wärmeenergie aufgenommen, ohne dass sich dabei die Temperatur des Materials verändert. Die Energiemenge, die ein Stoff beim Übergang von einer Phase zur nächsten benötigt – etwa von Eis zu Wasser – wird daher als versteckte oder latente Wärme bezeichnet. Dank ihr entzieht beispielsweise der schmelzende Eiswürfel der ihn umgebenden Flüssigkeit große Wärmemengen und hält das Getränk auch im Sommer angenehm kühl. Wie groß dieser Effekt ist, verdeutlicht der folgenden Vergleich: Um ein Kilo Eis zu schmelzen, wird die gleiche Menge an Energie benötigt, wie zum Aufheizen von einem Liter Wasser von 0°C auf 80°C.

Die richtige Verpackung
Den positiven Effekt von Latentwärmespeichern für Gebäude erforschen Wissenschaftler bereits seit Mitte des vergangenen Jahrhunderts. Eine Idee bestand darin, Baustoffe einfach mit Latentwärmespeichern zu tränken. Da diese jedoch während der Energieaufnahme flüssig werden und auslaufen, scheiterte dieser Ansatz. Später wurde unter anderem versucht, Latentwärmespeicher in tennisballgroße Kugeln oder in Tüten zu verpacken. Die Größe bereitet jedoch viele Probleme in der Nutzung der PCM. Sie können mechanisch sehr leicht beschädigt werden. Darüber hinaus ist der Wärmeaustausch mit der Umwelt eingeschränkt – speziell beim Regenerieren, das heißt beim Erstarren des Materials. Bisher scheiterte also die breite Nutzung von Latentwärmespeichern vor allem an der geeigneten Verpackung.

Zusammenarbeit von Wissenschaft und Industrie
Möglichst klein und dicht muss sie sein – die Lösung für das Problem der Verpackung von Latentwärmespeichern stammt von dem Fraunhofer Institut für Solare Energiesysteme (ISE). In der BASF fand das Institut den richtigen Partner für die Umsetzung der Idee. Das Chemieunternehmen identifizierte Paraffinwachs als geeigneten Latentwärmespeicher und entwickelte eine spezielle Mikroverkapselungstechnik. Während BASF das Verfahren im Labor optimierte und auf Großanlagen übertrug, untersuchte das ISE die thermische Leistung der Kapseln und berechnete in Simulationen die konkreten Anforderungen für die bestmögliche Wirkung des Materials in Gebäuden. Das vom ISE erdachte und von der BASF entwickelte Produkt ermöglicht jetzt eine umkomplizierte großtechnische Einbringung von Latentwärmespeichern in praktisch alle bekannten Baustoffe wie Mörtel, Gips oder Holz.

Mikroverkapselte Wärmespeicher
Micronal PCM besteht aus winzigen mit Acrylglas ummantelten Wachströpfchen. Ihr Durchmesser ist fünfmal kleiner als das menschliche Haar, weshalb sie nur unter dem Mikroskop sichtbar sind. Durch die besondere Hülle und die Partikelgröße von wenigen Mikrometern sind die Kapseln praktisch unzerstörbar. Baustoffe, die den BASF-Latentwärmespeicher enthalten, lassen sich problemlos bohren oder schneiden. Selbst wenn Kapseln beschädigt werden, treten nur unwesentliche Mengen von Wachs aus. Die mikroskopisch kleinen Kapseln bieten eine sehr große Oberfläche, durch die sie einen raschen Wärmeaustausch mit der Umgebung gewährleisten. Die Wachse in Micronal PCM verflüssigen sich je nach Anwendung zwischen 21 °C und 26 °C. Dabei absorbieren sie große Wärmemengen aus der Umgebung und bremsen so einen Temperaturanstieg. Nachts, wenn die Umgebungstemperatur wieder fällt, verfestigt sich das Wachs und die Kapseln geben die aufgenommene Wärme wieder frei.

Effiziente Raumkühlung
Der Kühleffekt von PCM-Produkten in modernen Gebäuden liegt in der Größenordnung herkömmlicher Gebäudekühlung. Damit können Kühlgeräte tagsüber die meiste Zeit abgestellt werden oder sie laufen nur nachts. Auf diese Weise lassen sich Zugluft und Lärm, die durch diese Geräte verursacht werden, vermeiden – ohne Einbußen bei der Raumtemperatur. Im besten Fall kann man mit PCM gänzlich auf Kühlgeräte verzichten oder sie können wesentlich kleiner dimensioniert werden. Anders als eine Kühlanlage ist das Material zudem komplett wartungsfrei. Die mit Micronal PCM modifizierten Baustoffe behalten jahrzehntelang ihre Funktion. Das Fraunhofer ISE prüfte Baustoffe aus Micronal PCM bereits ausführlich in Belastungstests und simulierte einen Dauereinsatz von über 30 Jahren. Dabei wurden die Latentwärmespeicher rund 10.000 Mal erhitzt und wieder abgekühlt ohne Leistungsverluste aufzuzeigen. Hierfür erhielten der Rohstoff Micronal PCM und damit hergestellte Baustoffe das RAL-Gütezeichen PCM.

Einsatzmöglichkeiten weltweit
Den Sprung vom Labor in die praktische Anwendung hat Micronal PCM bereits bei den unterschiedlichsten Bauprojekten vollzogen. Die Ressourcen schonende Raumkühlung findet weltweit Interesse: In ganz Europa, Japan, Korea, Australien, Argentinien und den USA werden bereits Gebäude errichtet und genutzt, die auf die jeweiligen lokalen klimatischen Bedingungen eingestellt sind. Dabei kann Micronal PCM vielfältig eingesetzt werden – von Neubauten über Sanierungen bis hin zu Erweiterungsmaßnahmen. Moderne Bürogebäude bleiben durch den Innenausbau mit PCM-Baumaterialien flexibel, ohne auf eine angenehme Raumtemperatur verzichten zu müssen. Sie sind damit massiven Gebäuden, deren Innenwände aus Beton oder Stein sind, überlegen. Auch bei der Sanierung von Schulen, Krankenhäusern oder Hotels kann der Einsatz von PCM große Komfortsteigerungen bringen und den Stromverbrauch senken.

Trends bei Bauen und Wohnen
Die von der Europäischen Union angestrebten Klimaziele zur Reduktion des CO2-Ausstoßes erfordern in Zukunft besonders energieeffiziente Bau- und Wohnformen. Für die Raumklimatisierung werden heute europaweit bereits etwa 15 Prozent des Gesamtstrombedarfs eingesetzt – mit stark steigender Tendenz. Verglichen mit dem Jahr 2000 wird sich bis 2020 die zu kühlende Gebäudefläche in Europa verdoppeln. Dieser kontinuierliche Anstieg ist besonders problematisch, da sich ein Großteil der hierzu benötigten Energie auf wenige Stunden am Tag konzentriert. Dies belastet die Stromnetze und erschwert es, den Energiebedarf durch alternative Energien abzudecken. Denn anders als in Kraftwerken kann die Stromerzeugung bei regenerativen Energiequellen nicht nach Bedarf gesteuert werden. Deshalb müssen künftig Gebäude diese zeitliche Lücke schließen und in der Lage sein, CO2-freie Umweltenergie zwischenzuspeichern. Als Teil von intelligenten Baukonzepten ermöglicht dies Micronal PCM – und das in modernen, architektonisch ansprechenden und hochkomfortablen Gebäuden.

Über das Fraunhofer ISE
Das Fraunhofer Institut für Solare Energiesysteme (ISE) in Freiburg ist mit 880 Mitarbeitern das größte Solarforschungsinstitut Europas. Die Arbeit des Instituts reicht von der Erforschung der naturwissenschaftlich-technischen Grundlagen der Solarenergienutzung über die Entwicklung von Prototypen bis hin zur Ausführung von Demonstrationsanlagen. Energieeffizientes und solares Bauen, Photovoltaik, Solarthermie und Wasserstofftechnologie stehen dabei im Mittelpunkt. Ein entscheidender Fokus liegt auf der Berücksichtigung vorhandener Energiesparpotenziale sowie der intelligenten Nutzung von Energien. Dabei spielen effiziente Wandlungs- und Speichertechniken eine zunehmend wichtige Rolle.

Über BASF
BASF ist das führende Chemie-Unternehmen der Welt: The Chemical Company. Das Portfolio reicht von Chemikalien, Kunststoffen und Veredlungsprodukten bis hin zu Pflanzenschutzmitteln, Feinchemikalien sowie Öl und Gas. Als zuverlässiger Partner hilft die BASF mit ihren rund 97.000 Mitarbeitern ihren Kunden in nahezu allen Branchen, erfolgreicher zu sein. Mit hochwertigen Produkten und intelligenten Lösungen trägt die BASF dazu bei, Antworten auf globale Herausforderungen wie Klimaschutz, Energieeffizienz, Ernährung und Mobilität zu finden.

Das Vorschlagsrecht zum Deutschen Zukunftspreis obliegt den führenden deutschen Einrichtungen aus Wissenschaft und Wirtschaft sowie Stiftungen.

Das Projekt „Mit kleinen Kugeln gegen den Klimawandel -Energieeffizienz und Komfort durch intelligente Baustoffe “ wurde von der Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. vorgeschlagen.