Wie Europas Stadtfassaden und Bürgersteige zur Gewinnung sauberer Energie genutzt werden

Photovoltaik-Fenster enthalten eingebettete Sonnenkollektoren, die Strom ernten können und trotzdem Licht einlassen. Bildnachweis: TNO & NSG Pilkington

Gebäudefassaden und Bürgersteige in niederländischen und italienischen Städten werden in intelligente, energiesparende Oberflächen verwandelt und mit Sensoren ausgestattet, um Räume zu versorgen, zu heizen und zu kühlen und sogar Straßen zu überwachen.

Die Europäer haben sich daran gewöhnt, Sonnenkollektoren auf den Dächern von Gebäuden zu sehen. Aber es gibt noch viele andere von Menschenhand geschaffene Oberflächen in unseren Städten, die zur Energiegewinnung genutzt werden könnten, einschließlich Gebäudeoberflächen.

„In Europa stehen ähnlich viele Quadratmeter Gebäudefläche wie Dachflächen zur Verfügung“, sagt Dr. Bart Erich von der Niederländischen Organisation für Angewandte Wissenschaftliche Forschung. Er leitet ein Projekt namens ENVISION, das Technologien untersucht, um Energie aus Gebäudeoberflächen zu gewinnen.

Das Projektteam schätzt, dass in Europa etwa 60 Milliarden Quadratmeter Gebäudefassadenfläche zur Verfügung stehen, um das europäische Ziel einer energieneutralen gebauten Umwelt im Jahr 2050 zu erreichen.

Unternehmen und Forscher stellen sich mit dem Projekt der Herausforderung, Wohnungen energetisch positiv zu gestalten, das heißt, Gebäude erzeugen mehr Energie als sie verbrauchen. Die Idee ist, vier neue Technologien in Gebäudefassaden zu integrieren, um Wärme oder Strom zu gewinnen.

Eine Technologie sind Photovoltaik-Fenster, die Strom ernten. Sie haben streifenförmige Elemente im Glas, wodurch sie sich für Treppenhäuser oder Fenster eignen, bei denen Licht einfallen soll, aber keine vollständige Transparenz erforderlich ist.

Ein anderer Ansatz verwendet eine spezielle Farbe, die je nach Farbe 40%-98% des Sonnenlichts absorbiert. An speziellen Wärmepumpen werden dann lackierte Platten angebracht. „(Diese) können Wärme oder Warmwasser erzeugen“, sagt Dr. Erich.

Das System hält die Paneele auch an heißen Sommertagen auf einer ziemlich stabilen Temperatur, wodurch es effizient Wärme sammelt. Diese Technologie wurde in einer Schulturnhalle in Almere in den Niederlanden getestet, wo sie zum Heizen der Turnhalle und zur Warmwasserbereitung eingesetzt wurde.

Es gibt auch Tafeln aus farbigem Glas mit Heat-Harvesting-Technologien. Diese lassen sich dekorativ an Gebäudefassaden einsetzen.

Die vierte Technologie nutzt spezielle belüftete Fenster, um ein Gebäude im Sommer zu kühlen. „Das Glas ist transparent und fängt die nahe Infrarotstrahlung (aus dem Sonnenlicht) ein“, sagt Dr. Erich.

Durch das Bewegen von Luft durch Kanäle im Inneren des Glases wird die Wärme abgeführt. Es kühlt, weil das Glas wie eine Jalousie Energie aus dem Sonnenlicht herausfiltert. Oft wird viel Licht von außen reflektiert, was zur Erwärmung der Städte beiträgt und den Bedarf an Klimatisierung erhöht.

Intelligentere Oberflächen

Wie Europa檚 Stadtfassaden und Bürgersteige genutzt werden, um saubere Energie zu gewinnen
Ein Anstrich mit spezieller grüner Farbe, der auf den Platten einer Schulturnhalle in Almere, Niederlande, verwendet wird, hilft den Platten, Sonnenlicht zum Heizen und zur Warmwasserbereitung zu absorbieren. Bildnachweis: Emergo

Viele von uns sehen Alltagsoberflächen als etwas, das einfach strapazierfähig sein sollte. Professor Cesare Sangiorgi, Werkstoffingenieur an der Universität Bologna in Italien, ist der Ansicht, dass wir von diesen Oberflächen mehr erwarten sollten und dass wir mit intelligenteren Oberflächen eine neue Art von urbaner Umgebung schaffen können. „Wir wollen lebenswertere urbane Räume und Oberflächen schaffen“, sagt Prof. Sangiorgi, der das Projekt SaferUp leitet.

Das Projekt unterstützt Nachwuchswissenschaftler bei der Untersuchung, wie die Bürgersteige und Straßen, auf denen wir radeln, befahren und begehen, verbessert werden können. Die meisten Bürgersteige enthalten keine Technologien und ähneln denen, die seit Jahrhunderten verwendet werden, aber europäische Wissenschaftler wollen diese Situation revolutionieren.

In Großbritannien bauen Forscher der Lancaster University, darunter einer von SaferUp, intelligente Straßen, indem sie elektromechanische Geräte einbauen. Diese wandeln im Verkehr zerquetscht mechanische Energie in Strom um. Dieser könnte unter normalen Verkehrsbedingungen auf einer Strecke von 1 Kilometer genug Energie erzeugen, um etwa 2.000 Straßenlaternen oder Leistungssensoren zur Überwachung des Verkehrsaufkommens zum Leuchten zu bringen. Feldtests sind für 2021 geplant.

Wissenschaftler der Universität Perugia in Italien entwickeln unterdessen intelligente Sensoren in Zement, die in Straßen oder Brücken platziert werden können. „Die kleinen Partikel ändern ihren Widerstand gegenüber elektrischem Strom, wenn sie durch das Passieren eines Fahrzeugs gebogen oder verformt werden“, sagte Prof. Sangiorgi. Dies wird als piezoelektrischer Effekt bezeichnet. Er tritt auf, wenn bestimmte Materialien wie Keramik mechanisch beansprucht werden.

“Man braucht einige Elektronikteile, aber das Material selbst könnte dann das Gewicht erkennen, oder wie schnell oder wie viele Fahrzeuge es passieren, und den Zustand des Materials (das eine Brücke bildet) melden”, sagte Prof. Sangiorgi. Zukünftig könnten diese Informationen bei Straßen- oder Brückeninspektionen auf das Telefon oder den Laptop eines Sicherheitsingenieurs heruntergeladen werden. Dies könnte durch eine bessere Überwachung des Verschleißes solcher Bauwerke katastrophale Ausfälle wie den Einsturz einer Autobahnbrücke im italienischen Genua im April 2018 verhindern.

Coole Städte

Futuristische Gehwege werden auch so gestaltet, dass sie besser mit Hitze umgehen können. Heutzutage leiden viele Städte im Sommer unter höheren Temperaturen als das Umland, da Gebäude und Gehwege nachts Wärme aus dem Sonnenlicht abgeben.

Dieser Hitzeinseleffekt verursacht mehr Krankheit und Tod, insbesondere wenn Hitzewellen zuschlagen. Wissenschaftler der Universität Perugia entwickeln hellere Oberflächen, die weit weniger Wärme aufnehmen als schwarzer Asphalt. Dies macht sich phosphoreszierende Materialien zunutze, die Licht speichern und dann emittieren können. Die speziellen Materialien leuchten auch beim Mischen mit Beton entweder blau oder gelb. Die Temperatur dieses glühenden Bürgersteigs ist niedriger als die normaler Stadtoberflächen.

Das Leuchten des Bürgersteigs hält ein oder zwei Stunden nach Sonnenuntergang an, da es Energie aus dem Sonnenlicht freisetzt, sagt Dr. Anna Laura Pisello, Materialwissenschaftlerin an der Universität von Perugia in Italien. „Dies kann Energie bei der Straßenbeleuchtung sparen“, sagte sie. Die Tests der Mischung auf italienischen Bürgersteigen begannen letztes Jahr auf dem Campus der Universität von Perugia und sollen noch in diesem Jahr in der Stadt eingesetzt werden.

Die Asphaltoberfläche kann während sommerlicher Hitzewellen bis zu sengenden 70掳C erreichen. Erhitzen führt zu Knicken und Rissen, was die Wartungskosten erhöht und die Lebensdauer einer Oberfläche verkürzt. In Deutschland arbeitet ein Wissenschaftler von SaferUp zusammen mit anderen daran, ein Netzwerk von eingebetteten Rohren in Gehwegen zu entwickeln, um Wärme abzuführen. „Die Rohre können Energie aus Geothermie gewinnen, um die Fahrbahn bei Eis zu erwärmen, oder Grundwasser nehmen, um eine Fahrbahn zu kühlen, wenn es zu heiß ist“, sagt Prof. Sangiorgi.

Für die neuen Fassaden sagte Dr. Erich, dass Fassaden normalerweise kein Geld an die Eigentümer zurückgeben, aber die farbigen Glasscheiben zum Beispiel sollten sich in 15 Jahren rentieren. Wie bei den Straßenbautechnologien besteht der erste Schritt darin, Prototypen im Labor zu bauen und sie dann in der realen Welt zu testen und zu präsentieren. Weitere Demos der energiesparenden lackierten Paneele, transparenten und farbigen Gläser werden in naher Zukunft in Gebäude integriert, um zukünftige Fassaden zu präsentieren. Das PV-Glas wird in einem Wirtschaftsgebäude in Österreich getestet, Paneele und hinterlüftete Fenster in einem Gebäude der Universität Genua und farbige Wärmekollektoren in Wohnungen in den Niederlanden.

In naher Zukunft werden die Europäer auf intelligenteren Bürgersteigen mit Sensoren und Elektronik im Inneren gehen. Wenn sie nach oben schauen, können sie attraktive Gebäudefassaden bewundern, die lautlos Energie aus Sonnenlicht schöpfen und gleichzeitig die Städte um sie herum kühlen.


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