Wissenschaftler bei BASF und am Fraunhofer-Institut haben einen Zusatzstoff für Baumaterialien entwickelt, der Klimaanlagen ersetzen könnte.
Baumaterialien, die Wärme während des Tages aufnehmen und während der Nacht wieder abgeben, sollen bald in den USA auf den Markt kommen – und in manchen Regionen gar Klimaanlagen überflüssig machen. National Gypsum, ein Unternehmen aus North Carolina, testet Gipskartonplatten, die Mikrokapseln enthalten, die Hitze absorbieren, um ein Gebäude passiv zu kühlen. Die Technik stammt vom deutschen Chemiegiganten BASF, der sie zusammen mit dem Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE in München entwickelt hat und die Integration in unterschiedliche Baustoffe plant.
Die Phasenübergangs-Materialien in den BASF-Kapseln kühlen einen Raum ähnlich wie Eiswürfel ein Getränk: Sie nehmen während eines Schmelzvorgangs Wärme auf, die sich in ihrer Umgebung befindet. Das Geheimnis ist ein spezielles Paraffinwachs, das bei Raumtemperatur schmilzt – so bleibt die Temperatur den Tag über konstant. Das System arbeitet am besten in Klimazonen, in denen es in der Nacht kühl wird – dort kann das Material in den Kapseln wieder fest werden und die aufgenommene Wärme dann abgeben.
In südeuropäischen Regionen soll das Material genügend Hitze absorbieren, um bis zu 20 Prozent des Stroms für Klimaanlagen zu sparen. In Nord- und Mitteleuropa, wo es in der Nacht kühler wird, müsste ein Gebäude mit dem Material überhaupt keine Klimaanlage mehr haben, meint Peter Schossig, Ingenieur am Fraunhofer-Institut in München, das die Kapseln zusammen mit BASF entwickelt hat.
Ziel dabei: Umweltfreundliche Baumaterialien sollen künftig ohne Energieaufwand angenehme Temperaturen erzielen. In den USA verbrauchen derzeit Gebäude rund 70 Prozent der erzeugten Elektrizität – 8 Prozent davon gehen allein in Klimaanlagen in Häusern und Wohnungen. Leichte Baustoffe wie Holzrahmen und Gipskartonplatten erlauben zwar das schnelle Hochziehen von Gebäuden, doch sie speichern nicht viel Wärme, so dass die Temperaturen innerhalb der Räume stark fluktuieren.
Phasenübergangs-Materialien bieten die Chance, solche Gebäude besser zu dämmen, glaubt Leon Glicksman, Professor für Bautechnik am MIT. Seit den Fünfzigerjahren arbeiten verschiedene Firmen an solchen passiven Kühlsystemen. Das Problem war dabei stets, die Technik in bestehende Baumaterialien zu integrieren.
BASF produziert seine Mikrokapseln, indem geschmolzenes Wachs mit hoher Geschwindigkeit in heißes Wasser geschlagen wird. Da Wachs und Wasser sich abstoßen, entstehen kleine Wachstropfen. Wird dann noch ein Acrylvorläuferstoff beigemischt, sorgt die Abstoßung zwischen Wachs und Wasser dafür, dass die Tropfen damit überzogen werden. Schließlich kommt noch ein Katalysator hinzu, der dann eine Acrylpolymerhülle um das Wachs bildet. Das Ergebnis ist eine feuchte Mixtur, die dann in das Pulver gegeben werden kann, das zur Herstellung von Gipskartonplatten verwendet wird. Alternativ sind auch Trocknung und der Einbau in andere Baumaterialien vorstellbar, etwa Beton oder Putz.
Der Chemiegigant DuPont stellt ebenfalls kapselförmige Phasenübergangs-Materialien her und integriert es in wärmeabsorbierende Platten für europäische Märkte. BASFs Strategie ist eine etwas andere: Die Firma verkauft ihre Kapseln an Baustoffhersteller, die sie dann breit verwenden können – von Deckenplatten über Betonblöcke bis hin zu Gipskarton. Basierend auf den deutschen Strompreisen und Klimabedingungen errechnet BASF, dass sich ein Putz mit den Kapseln bereits nach fünf Jahren rentiert.
Um diese Zahlen zu verifizieren, arbeitet National Gypsum derzeit mit dem US-Nationallabor für erneuerbare Energien und einem Forschungsrat in Kalifornien an Feldtests.Die dabei verwendeten Platten bestehen aus einer Mischung aus BASF-Mikrokapseln und einer Wasserlösung mit Gips. Das Paraffin, das BASF einsetzt, kann temperaturmäßig verändert werden – aktuell reagiert es bei 22,8 Grad.
National Gypsum will mindestens ein Jahr lang Untersuchungen mit dem Material durchführen – zu allen Jahreszeiten. Dabei soll die Zusammensetzung zwischen Kapseln und Gips geprüft und eine Anpassung an das Klima der USA vorgenommen werden. Anschließend wird ein Computermodell errechnet, wie viel Energie die Platten tatsächlich sparen.
Bis jetzt wurde die Idee nur in passiven Systemen getestet. MIT-Experte Glicksman glaubt allerdings, dass sie sich auch für aktive Anwendungen in wärmeren Regionen eignet. "In Bürogebäuden könnte man dann die Klimaanlage in der Nacht laufenlassen, wenn der Strom billiger ist. Das Baumaterial würde niedrigere Temperaturen am Tag sicherstellen." Schossig zufolge sammelt auch das BASF-Team zusammen mit den Fraunhofer-Leuten inzwischen Daten aus experimentellen aktiven Systemen.
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