Gebäude als Kraftwerke

Nachhaltiges Bauen liegt bei Architekten im Trend. Doch die meisten von uns leben in Häusern, die vor Jahrzehnten gebaut wurden und bisher weit entfernt sind von futuristischen Designs. Unsere Häuser sind Energiefresser, häufig verschwenderisch und ineffizient. Das könnte sich schon bald ändern, denn die Geschäftswelt und die Wissenschaft ziehen an einem Strang, um eine neue Städtelandschaft zu erschaffen, in der Gebäude die Kraftwerke der Zukunft werden.

Bittet man führende Wissenschaftler aus der modernen Umwelttechnologie, das Haus der Zukunft zu beschreiben, wird man in eine faszinierende Welt entführt, wo Materialtechnik und Biologie Hand in Hand arbeiten, um eine lebendige, gebaute Umgebung zu schaffen.

Es ist eine Welt, in der unzählige Technologien fossile Brennstoffe und Kernkraft ersetzen. Eine Zukunft, in der Chemie, Biologie, Nanotechnologie, Materialwissenschaft und Bionik zu einer lebenden, vernetzten Stadt verschmelzen. Ein Ort, an dem Solarenergie in verschiedenen Formen aus jeder Fassade gewonnen und über die Jahreszeiten hinweg gespeichert wird, wo intelligente Dämmung die Umgebung reguliert und wo lebendige Algenwände auf Sonnenlicht reagieren, um Schatten und Licht zu schaffen. Eine vernetzte Welt, in der das Zuhause, der Arbeitsplatz, das Auto und die Schule einen lebenden Organismus nachahmen, indem sie auf natürliche Weise mit der Umgebung interagieren, um Energie aufzunehmen, die tagsüber zu Hause und nachts am Arbeitsplatz gespeichert wird, um dort eingesetzt zu werden, wo sie am dringendsten benötigt wird.

Die meisten der aktuellen Innovationen sind durch den drohenden Klimawandel vorangetrieben worden. Forschungen im Rahmen des Umweltprogramms der Vereinten Nationen haben gezeigt, dass intelligenterer Gebäudebau die beste Chance ist, die umweltschädlichen Treibhausgasemissionen kosteneffektiv zu senken. Gebäude verbrauchen weltweit 40 % unserer Energieressourcen und sind für ein Drittel der Treibhausgasemissionen verantwortlich – Tendenz steigend, da die energiehungrige Bevölkerung in die Städte zieht.

"Wir können Solarzellen auf jedem Untergrund herstellen, sogar auf Papier."

Dr. Trisha Andrew, Assistenzprofessorin für Chemie an der University of Wisconsin-Madison

Das Problem mit den verlockenden Zukunftsvisionen der Wissenschaftler ist, dass sie für die meisten von uns wenig mit der bebauten Umwelt zu tun haben, die wir aktuell erleben. Ob Berlin, Schanghai, Rio oder Milwaukee – man ist vermutlich von Gebäuden umgeben, an deren Optik sich in den vergangenen 100 Jahren wenig geändert hat und die auf eine Technologie zurückgreifen, die sich in den vergangenen 50 Jahren kaum entwickelt hat. In der Regel beschränken sich unsere Erfahrungen mit Zukunftstechnik im Alltag auf schwere Solarzellenmodule aus kristallinem Silizium und auf Windräder.

Das könnte sich bald ändern. Motor des Wandels ist eine stille Revolution in den Vorstandsetagen großer Firmen und in den Laboren wissenschaftlicher Institute. Die Menschen begreifen, dass es zwar an brillanten Innovationen beim Gebäudedesign nicht mangelt, der Fokus bislang aber nicht genug darauf lag, diese neuen Technologien für einen breiten Markt zugänglich zu machen. Diese Erkenntnis führt dazu, dass sich einige der weltweit klügsten Köpfe der Wissenschaft nicht länger mit abgehobenen Ideen befassen, sondern der Frage nachgehen, wie auf derartige technologische Herausforderungen reagiert werden kann. Die Frage ist, wie man diese Technik sowohl erschwinglich als auch profitabel machen kann und wie sie sich gleichzeitig in ausreichend großem Maßstab einsetzen lässt, um etwas zu bewegen.

Greg Keeffe, Professor für nachhaltige Architektur und Forschungsleiter an der Queens University im irischen Belfast, glaubt, dass Architekten und Designer von den Massenproduktionsverfahren der Automobilindustrie lernen könnten. Er behauptet, dass in der heutigen Zeit, wo der wenige verfügbare Raum in den Städten bebaut wird, jedes Gebäude ein individuelles Design braucht. Deshalb fehle es an Möglichkeiten, Innovationen zu entwickeln, die mit der Massenproduktion zu vereinbaren wären.

„Wenn man sich das durchschnittliche Haus mit einem E-Klasse-Mercedes vor der Tür anschaut, ist das Haus gegenüber dem Auto eher blass“, sagt Professor Keeffe. „Ich glaube, wir brauchen ein Produkt, das stärker industrialisiert und gleichzeitig kundenspezifisch ist, was momentan über unsere Möglichkeiten hinausgeht, da Gebäude anders als Autos entworfen werden. Beim Auto hat man sich Hunderte von Mannjahren über das Design jedes Bauteils Gedanken gemacht, während auf die Entwicklung der einzelnen Gebäudeelemente viel weniger Zeit verwandt wurde, weil jeder Bau so einzigartig ist.“

Vom Laborversuch zur industriellen Fertigung

Um genau dieser Herausforderung gerecht zu werden, wurde jüngst das Sustainable Product Engineering Centre for Innovative Functional Industrial Coatings (SPECIFIC) gegründet. Es ist ein Zusammenschluss aus Industrie und Wissenschaft mit der Aufgabe, die Wissenslücke zwischen Innovation und Produktion zu schließen. Das vor vier Jahren ins Leben gerufene Projekt wird von der Universität Swansea in Wales geleitet. Finanziert wird es von den Regierungen Wales und Großbritannien sowie von den Industriepartnern Tata Steel, NSG-Pilkington Glass und BASF.

Ziel von SPECIFIC ist es, Gebäude in die Kraftwerke der Zukunft zu verwandeln. Die Initiative will ein Bindeglied zwischen britischen Universitäten sein, um hochmoderne, globale Entwicklungen im Bereich Baumaterialien und -design nutzbar zu machen, etwa intelligente Beschichtungen, mit denen Wände und Dächer erneuerbare Energie sammeln, speichern und wieder abgeben können. Dabei kommen vor allem Stahl und Glas zum Einsatz. Das Projekt hat bereits außerordentliche Fortschritte verzeichnet, die mindestens einen Bereich im Bauwesen revolutionieren dürften.

Kevin Bygate, Vorstandsvorsitzender von SPECIFIC, leitet ein Team von mehr als 120 hochrangigen Wissenschaftlern, Technologen, Ingenieuren und Geschäftsentwicklern, die sich auf die Frage konzentrieren, wie man die bestehende Technik so ausweiten kann, dass aus dem Labormaßstab für die Massenproduktion geeignete Innovationen werden.

„Viele Universitäten und Forschungseinrichtungen machen den ersten Schritt, die Erfindung. Konkret heißt das: Es wird etwas erschaffen, das auf einen Daumennagel passt, und darauf befindet sich eine stecknadelkopfgroße Sache, die eine interessante Funktion hat“, sagt Bygate. „Hier übernehmen wir, um diese Eigenschaft mit einem reichlich verfügbaren Material nachzubilden – mit einem Verfahren, das sich auf einen größeren Maßstab übertragen lässt. Mit Pilotanlagen produzieren wir Platten in einer Breite von einem Meter. Anschließend wird das Material mit einer Rolle-zu-Rolle-Anlage so vergrößert, dass es auf ein Gebäude passt.“

Ein solches Produkt ist der durchströmte Solarkollektor, der im Schnitt 50 % und bei guten Bedingungen bis zu 75 % der Sonnenenergie aufnehmen kann, die auf ein Gebäude trifft. Durchströmte Solarkollektoren werden als zusätzliche Stahlhaut mit Mikroperforation auf eine bestehende oder neue Wand- oder Dachfläche montiert. So entsteht ein mit erwärmter Luft gefüllter Hohlraum zwischen der Gebäudeoberfläche und der Metallhaut. Die erwärmte Luft wird aus dem Hohlraum abgesaugt und ins Gebäudeinnere geleitet. Dort kann sie einen unmittelbaren Energiebedarf decken oder für den späteren Gebrauch gespeichert werden.

Der Projektpartner Tata Steel erzeugt in Großbritannien Stahl für den Bau von Lagerhallen, Supermärkten und Ladengeschäften. SPECIFIC schätzt, dass man 10 GW Strom produzieren könnte, wenn nur 10 % des von Tata Steel jährlich erzeugten Stahls mit dieser intelligenten Beschichtung versehen wäre. Das entspricht der Jahresleistung eines Atomkraftwerks.

Bygate glaubt, dass durchströmte Solarkollektoren zu einer der wichtigsten Energiequellen der Zukunft werden könnten. „Einen Machbarkeitsnachweis haben wir. Jetzt geht es darum, ein Geschäftsmodell für die Vermarktung zu entwickeln“, sagt er. „Je nachdem, wie hoch die öffentliche Akzeptanz für das Produkt ist und wie die Annahmekurven ausfallen, ließe sich im nächsten Jahrzehnt mit der Technologie ein Drittel der erneuerbaren Energie Großbritanniens erzeugen.“

Genauso wichtig wie die Gewinnung der Solarenergie ist ihre Speicherung. Batterien, Warmwasserspeicher und unterirdische Wärmespeicher – all diese Lösungen haben Potenzial, benötigen aber viel Platz. In manchen Fällen muss Energie vor der Verwendung einige Stunden gespeichert werden, in anderen muss sie in einer anderen Jahreszeit abrufbar sein: In der Regel speichert man sie im Sommer, um sie im Winter zu nutzen.

Auch hier verzeichnet SPECIFIC Erfolge. Professor Dave Worsley, der das wissenschaftliche Forschungsprogramm des Projekts leitet, erklärt: „Wir arbeiten an einem thermochemischen Speicher, der große Energiemengen binden oder freigegeben kann. Grundlage hierbei ist Salz, das ähnlich wie beim Schwitzen Wasser aufnimmt oder abgibt.“

Diese Möglichkeit, Energie so effizient aufzunehmen und abzugeben, macht die Lösung Worsley zufolge für eine intersaisonale Speicherung nutzbar. Gleichzeitig benötigt sie zehnmal weniger Platz als die Energiespeicherung mit Wasser.

Solaranstrich

Seit Jahren versprechen Wissenschaftler die Entwicklung eines erschwinglichen Fotovoltaik-Lacks, mit dem Häuser gestrichen werden können, um Sonnenenergie zu gewinnen. Doch tatsächlich wird es noch Jahre dauern, bis ein solches Produkt auf den Markt kommt. Allerdings hat die Arbeit von Dr. Trisha Andrew, Assistenzprofessorin für Chemie an der University of Wisconsin- Madison, uns diesem Ziel einen Schritt näher gebracht.

Organische Fotovoltaik-Elemente, die in ein Färbemittel integriert werden können, gibt es seit den 1990er Jahren. Sie bestehen aus Kohlenstoff, Wasserstoff, Stickstoff und Schwefel und haben den Vorteil, dass sie günstig in der Herstellung sind. Gegenüber Materialien auf Siliziumbasis gelten sie jedoch als ineffizient und sie haben nur eine geringe Lebenserwartung.

Vor einigen Jahren hatten Andrew und ihre Kollegen ein Aha-Erlebnis. Warum sollte man aus der Not nicht eine Tugend machen und Fotovoltaik-Material produzieren, das Elektrogeräte mit Energie versorgen kann und sich gleichzeitig dank der geringen Herstellungskosten bei Materialermüdung einfach austauschen lässt?

“Wenn Sie in Ihrem Betrieb beispielsweise CO₂ erzeugen, können Sie diese Emissionen in die Fassade leiten.”

Associate Director Dr.-Ing. Jan Wurm, europäischer Forschungschef von Arup und Leiter des BIQHauses (Bio Intelligent Quotient)

„Die Frage nach der gewerblichen Fertigung hatten wir uns zuvor nicht gestellt“, erklärt Andrew. „Pharmaunternehmen fragen sich das jeden Tag. Wir sind dem gleichen Prozess der chemischen Synthese gefolgt. Daher war für uns die nächste logische Frage, wie sich unsere chemische Synthese auf den Preis pro Wattpeak auswirkt.“

Durch die Konzentration auf den Herstellungsprozess fand Andrew heraus, dass ihr Team bereits über ein kommerziell verwertbares Produkt verfügte, um Haushaltsgeräte mit Solarenergie zu versorgen. Bei Produktionsstückkosten von weniger als 0,50 US-Dollar würde es nichts ausmachen, dass die Lebenserwartung von Fotovoltaik-Zellen nur zwischen sechs Monaten und zwei Jahren liegt.

„Jetzt verfügen wir über eine Reihe vielversprechender, ausgereifter Ergebnisse, auf deren Grundlage wir ein Start-up-Unternehmen gegründet haben. Wir können Solarzellen auf jedem Untergrund herstellen, sogar auf Papier. Mit Silizium geht das nicht“, so Andrew.

„Aus wissenschaftlicher Sicht ist ein solcher Anstrich im Bereich des Möglichen. Verläuft die erste Phase gut, wird es irgendwann einen Lack geben, aber vermutlich dauert das noch mindestens ein Jahrzehnt.“

Gebäude mit grüner Haut

Hin und wieder taucht ein neues Verfahren auf, das unsere Sicht auf Gebäude verändert. Das weltweit erste Haus mit „bioadaptiver Fassade“, das auf der Internationalen Bauausstellung Hamburg präsentiert wurde, hat einen solchen Effekt. Es eröffnet Architekten und Designern neue, aufregende Möglichkeiten, um die Grenzen zwischen der materiellen und der biologischen Welt zu überwinden, und bringt uns so der Vision einer lebenden Stadt einen Schritt näher.

Das sogenannte BIQ-Haus (BIQ: Bio Intelligent Quotient) ist das Ergebnis der Zusammenarbeit von Architektur-, Ingenieur- und Designfirmen, darunter die internationale Unternehmensberatung Arup.

Associate Director Dr.-Ing. Jan Wurm, europäischer Forschungschef von Arup und Leiter des BIQ-Hauses, bezeichnet die neue Technologie als „Bio-Verwertung“. „Wir erschaffen mikroskopisch kleine Algen zur Erzeugung von Wärme und Biomasse. Es handelt sich um einen biologischen Prozess wie das Wachstum einer Pflanze oder eines Baums. Alles beruht auf einer Grundlage: der Fotosynthese. Der Unterschied liegt darin, dass wir das in einer kontrollierten Umgebung machen“, erklärt Wurm.

Die Fassade des BIQ-Hauses besteht aus mehreren bioreaktiven Fassaden, in denen zwischen zwei Glasplatten Mikroalgen im Wasser schwimmen. Setzt man sie dem Sonnenlicht aus, verdoppelt sich ihre Masse alle sieben Stunden durch Fotosynthese. Diese „grüne Haut“ erzeugt auf natürlichem Weg Schatten, mit dem die Innenräume gekühlt werden.

Die Algen bilden auch zwei mögliche Energiequellen für das Haus: einerseits durch die solarthermische Wärme, die über das Wasser zwischen den Glasplatten aufgenommen wird. Die Sonnenstrahlen erwärmen das Wasser, das sich wegen der darin schwimmenden Algen schneller aufheizt als klares Wasser. Die Wärme kann dem Wasser entzogen werden, wenn es durch einen Pumpenraum fließt, und zur späteren Verwendung unterirdisch gespeichert werden. Die zweite Energiequelle erschließt man durch die Sammlung der Algen selbst. Dafür wird Sauerstoff durch einen zentralen Auftriebskörper gepumpt, so dass die Algen von der Oberfläche abgeschöpft werden können. Sie können dem Biomassekraftwerk des Gebäudes zugeführt werden, wo Methan erzeugt wird, das als Energiequelle dient.

„Das System kombiniert verschiedene Ströme und Kreisläufe wie Wasser, Kohlenstoff, Wärme und, wenn Sie wollen, sogar Nahrung. Auf diese Weise kann eine industrielle Symbiose erreicht werden“, erläutert Wurm. „Wenn Sie in Ihrem Betrieb beispielsweise CO₂ erzeugen, können Sie diese Emissionen in die Fassade leiten.“

Die Idee, die Architekten begeistert, ist, dass das Gebäude in die natürlichen Kreisläufe seiner Umgebung integriert wird, sowie die Möglichkeit, ein Design mit einer lebenden Fassade zu entwickeln, die sich im Tagesverlauf verändert. „Interessant sind die Wirbel, die durch die aufsteigenden Blasen entstehen, aber auch die Farbveränderung je nach Tages- oder Jahreszeit. Für den Hintergrund kann man spiegelndes Glas verwenden, sodass durch die Blasen ein Blendeeffekt entsteht, oder bedruckte Zwischenschichten – was auch gexwünscht ist“, erklärt er.

Es gibt nicht die Wunderwaffe, die alle unsere Energieprobleme auf einen Schlag löst. Das Kraftwerk der Zukunft wird verschiedene Technologien in sich vereinen. Die bioreaktive Fassade ist so konzipiert, dass sie im Einklang mit anderen Verfahren zur Energieumwandlung genutzt werden kann.

An dieser Stelle spricht Wurm von der vernetzten Stadt, der Stadt als Organismus, in dem sich verschiedene Technologien austauschen und verwertbare Energie in symbiotische Netzwerke einbringen. Hier nimmt die lebende Stadt langsam Gestalt an, weshalb bioreaktive Fassaden auch so großes Interesse wecken.

Das Passivhaus in China

Die Dämmung war auch die treibende Kraft hinter einer der jüngst wichtigsten Entwicklungen im Bereich nachhaltiges Wohnen: dem Passivhaus, einem Konzept aus Deutschland. Es schafft eine luftdichte, hochisolierte Außenhaut, mit der sich der Wärmeverlust soweit verringern lässt, dass man sich das ganze Jahr über in dem Haus wohlfühlt, obwohl es keine Heizung gibt.

Die Idee hat die Aufmerksamkeit der Landsea Group geweckt, eines der größten Immobilienunternehmen Chinas, das im April dieses Jahres das erste Passivhaus des Landes, das Bruck-Projekt, eröffnet hat. Das Haus wurde im Kreis Changxing in der südchinesischen Provinz Zhejiang errichtet. Die Gegend ist für ihre kalten Winter, ihre extrem heißen Sommer und ihre hohe Luftfeuchtigkeit bekannt. Das Bruck-Projekt ist ein Hotel für Besucher eines nahegelegenen Forschungszentrums, in dem das Konzept des Passivhauses präsentiert wird. Wenn sich das Passivhaus in dem rauen Klima von Changxing bewährt, so die Überlegung von Landsea, ließe es sich für andere Regionen des Landes anpassen. „Diese Technologien könnten in China in großem Stil zum Einsatz kommen, aber wir müssen das Design und die Verfahren jeweils so auswählen, dass sie den Bedingungen in den verschiedenen Klimazonen am besten gerecht werden“, sagt Kai Zou, ein Landsea-Ingenieur für Tiefbau und nachhaltiges Bauen.

Da die chinesische Regierung dem nachhaltigen Wohnungsbau mittlerweile größere Bedeutung einräumt, wird auch die Bauindustrie in China allmählich empfänglicher für neue Ideen zur Senkung des Energieverbrauchs. Landsea hält die Zeit für reif, um auf einem der größten Wohnungsmärkte der Welt das Konzept des Passivhauses voranzutreiben.

Algenfassaden, Fotovoltaik-Lacke, intelligente Wände und Dächer, lebende Gebäude, die auf konventionelle Energiequellen verzichten – all das mag immer noch wie Zukunftsmusik klingen. Doch wenn diese neue Generation von Unternehmern und Wissenschaftlern Erfolg hat, werden diese hochmodernen Verfahren schneller in unseren Häusern auftauchen, als wir denken.