Intelligente Scheiben - Die Zukunft an der Fensterfront

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Schlaue Fenster werden cool - was bereits vor zwei Jahren als Überschrift für innovative Fenstermodelle tituliert wurde, die neben dem sichtbaren Licht auch die Wärme produzierende Komponente filtern konnten, ist nun mit großen Schritten auf dem Weg in die nächste Realisationsstufe. An vielen Stellen existieren bereits aussichtsreiche Ansätze, um mit Hilfe von Fenstern Energie zu sparen, indem perfekte Dämmungen eingesetzt werden und Wärme effektiv reguliert und genutzt wird. 

Nun soll „Smart Home“ endgültig auch bei den Fenstern Einzug erhalten: Smarte Photovoltaik-Fenster stellen eine vielversprechende neue und nachhaltige Technologie dar, bei der mit transparenten Photovoltaik-Zellen Energie gewonnen werden kann. Dabei wird über die Zellen unsichtbares Licht aufgenommen und in Strom umgewandelt. So sieht zumindest die Zukunftsmusik in der Fensterwelt aus. Aktuell werden bereits semi-transparente Photovoltaik-Zellen für die Herstellung Energie gewinnender Fenster genutzt, die Schatten, Licht und Energie erzeugen, aber aktuell ihre Farbe noch nicht adäquat verändern und anpassen können. Was also kann die Kombination aus Fenstern und  Photovoltaik im Moment bereits leisten, welche smarten Technologien sind bereits auf dem Markt erhältlich und welche werden zukünftig die Häuser erobern?

 

Status Quo: so viel können Fenster jetzt schon in Sachen Energiegewinn und intelligenter Integration für das Gesamtkonzept Wohnen leisten

 

Fest steht, dass im Bereich der Fenster schon jetzt viel Energie gespart werden kann, indem die richtigen Fenster an der richtigen Stelle eingesetzt werden, je nach Ausrichtung in die entsprechenden Himmelsrichtungen und die Art der Nutzung des Raumes. Während man bei der Südseite oft mit großen Fenstern und Fenstertüren bei gleichzeitigem Sonnenschutz arbeitet, kommen auf der Ost- und Westseite häufiger bodentiefe Fenster zum Einsatz. Dadurch gelangt mehr Licht ins Haus und die Räume eignen sich ideal als Arbeits- oder Schlafzimmer. Kleinere Fenster hingegen befinden sich auf der Nordseite, auf der häufig auch Bäder, Stau- oder Büroräume angesiedelt sind. Hier ist auf besonders gute Wärmedämmung zu achten, damit im Winter keine Kälte nach innen dringen kann. Bei Dachfenstern generell gilt, Fenster mit hohem Wärmedämmwert und Emissionsgrad einzubauen, damit im Sommer möglichst wenig Hitze über die Fenster in die Räume gelangt.

 

Das Verhältnis Fenster – Energie steht allgemein in positiver Relation: Fenster können inzwischen mehr Energie ins Haus bringen, als sie nach außen durchlassen. Eine erste Reihe von „smart Windows“, also intelligente Fensterscheiben helfen beispielsweise dabei, die Wärmeaufnahme und Kältedurchlässigkeit bei großflächiger Verglasung zu regulieren. Die mitdenkenden Fenster können die Durchlässigkeit für Sonnenlicht von 77 auf 8 Prozent und für Wärme von 56 auf 6 Prozent verringern. Insgesamt lässt sich dadurch der Energieverbrauch eines Gebäudes um mehr als 30 Prozent senken.

 

Bereits 2013 präsentierte Sharp auf der japanischen Solarmesse PV Japan Fenster, die sich an die Lichtverhältnisse anpassen und sogar Strom erzeugen können. Die Zellen bestehen aus porösem Titanoxid, das mit einer Farbschicht versehen ist. Bei Lichteinfall werden durch die dabei entstehende Energie in der Farbschicht Elektronen aus dem Molekülverbund gelöst, die in das Titanoxid abgegeben werden und zur Elektrode wandern, wodurch schlussendlich Strom gewonnen wird. Diese Beschichtung gibt es auch mit einem Siliciumfilm, der ähnliche Effekte aufweist. Ein weiteres innovatives Modell nennt sich „ClimaWin“, das die Heizungskosten um bis zu 25 Prozent reduzieren soll und mit einem speziellen Lüftungssystem arbeitet. Sensoren im Fensterrahmen sowie Fühler in der zentralen Steuereinheit messen Innen- und Außentemperatur, Luftfeuchtigkeit und Kohlendioxid-Konzentration.

 

Angepasst an die Außentemperatur und die gemessenen Werte im Innenraum, öffnen sich Klappen unterhalb des Rahmens. Im Winter entströmt die Luft aus einem Spalt oberhalb des Rahmens, damit sich diese beim Aufsteigen noch erwärmt, während im Sommer die Luftzufuhr über zwei Spalten geregelt wird, um einen zusätzlichen kühlenden Effekt zu erzeugen. Außerdem sorgt die Dreifach-Verglasung für eine optimale Dämmung. Integrierte Solarzellen in den Fenster-Sensoren und in der Jalousie versorgen das System zusätzlich mit Strom - dadurch wird kein zusätzlicher Energieverbrauch benötigt und Wärme- und Kälteverlust werden bestmöglich automatisch reguliert. Auch Flüssigkristallfenster können die Energie, die sie benötigen, selbst generieren: sie bestehen aus zwei Glasscheiben, deren mikrometer-weiter Abstand mit Flüssigkristallen gefüllt ist. Ihre jeweiligen Innenseiten bedeckt eine durchsichtige, aber elektrisch leitende Schicht. Beim Anlegen einer geringen elektrischen Spannung lässt sich so die Lichtdurchlässigkeit des Fensters steuern; auf Knopfdruck, sekundenschnell und im Farbton der Wahl. Ebenso vielversprechend ist die Verwendung von Jalousien für die Produktion von Elektrizität.

 

Vision Zukunft: Fenster aus transparenten Zellen können selbst Solarenergie erzeugen und somit den nachhaltigen Fensterbau revolutionieren

 

Standardfenster für das gesamte Haus gehören zukünftig also der Vergangenheit an. Heutzutage werden, wie die restlichen Komponenten des Hauses, auch die Fenster passend für jeden Raum und jeder Art der Nutzung ausgewählt. Die einen Modelle halten Kälte besser ab, andere lassen Sonnenwärme besser durch. Gerade hier setzen Wissenschaftler an, um diese Situation noch auszubauen und die Sonnenenergie auch durch Fenster optimal zu nutzen. Die Idee hinter den neuen, intelligenten Photovoltaik-Fenstern, die ihre Transparenz entsprechend anpassen können, besteht darin, dass die aufgenommene Sonnenenergie verarbeitet wird, während die Fenster gleichzeitig ihre klassische Funktion im Gebäudebau beibehalten sollen.

 

Dies ist bis dato nur mit einer Kombination aus semi-transparenten Solarzellen mit zusätzlichen Chromkomponenten gelungen. Der Entwicklungsstatus befindet sich zwar noch in den Kinderschuhen, dennoch bekräftigt das Team um Solarexperte Richard Lunt in einer wissenschaftlichen Studie zum Thema, dass bereits in einigen Jahren der flächendeckende Einsatz und die Effizienzsteigerung bei der Umwandlung in den USA bis zu 40 Prozent des Energiebedarfs abdecken können.

 

Neben dem Einsatz in Fenster- und Glasfronten sehen die Experten, die als Vorreiter in der transparenten Solartechnologie gelten, die Technologie auch in den Bereichen Elektro-Autos oder Smartphone-Bildschirmen als erfolgsvorsprechend. Die entwickelte Solarzelle zeichnet sich unter anderem durch hohe thermische Stabilität und voll reversible Farbe und Leistung aus, die eine erfolgreiche Integration in diversen Anwendungsbereichen verspricht. Die Phasenübergangs-Technik sorgt für eine hohe Ausgangsleistung und niedrigere Übergangstemperaturen zwischen den Phasen, die eine selbstadaptive Transparenz ermöglichen.

 

Des Weiteren arbeiten die Wissenschaftler mit robusteren Bauelementen, die ein hohes Maß an Langzeitstabilität aufweisen. „Unsere Ergebnisse zeigen, dass die auf  Perowskit-basierten  und aus Halogeniden bestehenden Solarzellen nicht nur ideal für kostengünstige Solarzellen mit hohem Wirkungsgrad sind, sondern auch ein reichhaltiges Wechselverhalten der einzelnen Phasen für schaltbare Optoelektronik aufweisen,“ resümieren die Wissenschaftler in ihrer Arbeit, die im Zusammenschluss mehrerer kalifornischer Universitäten entstanden ist.

Im Vergleich sehen Experten die Effizienzausbeute bei den transparenten Zellen zwar etwas geringer als bei herkömmlichen Solar-Lösungen, allerdings erscheint der Einsatzbereich wesentlich weitreichender. Zudem forschen Wissenschaftler seit lediglich fünf Jahren an der Weiterentwicklung und Marktfähigkeit der transparenten Solarzellen-Fenster. Ein nächster Schritt ist nun, eine ausreichend robuste Architektur für die Solarzellen-Fenster zu entwerfen, die der Feuchtigkeits- oder Wärmebehandlung standhalten kann.

 

© Autorin: Jessica Schmucker

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