Beton kann mehr – Fraunhofer CSP will Häuserwände zu Sonnenkraftwerken machen

Eine Fassade in Facetten-Optik macht einen deutlich höheren Stromertrag möglich. Dafür sind kleine und flexible Solarmodule gefragt. Bild: Fraunhofer-Center für Silizium-Photovoltaik CSP

Bauwerke werden sicherer, können umweltschonender errichtet und betrieben werden und lassen sich in völlig neuen Formen gestalten: Das ist das Ziel von C3, dem größten Bauforschungsprojekt Deutschlands. Der Schlüssel dazu soll Karbonbeton werden, der als Baustoff viele neue Möglichkeiten bietet. Das Fraunhofer-Center für Silizium-Photovoltaik CSP in Halle, einer der C3-Projektpartner, will den Beton nutzen, um Sonnenstrom zu gewinnen.

Im Projekt C3 (Carbon Concrete Composite) sind mehr als 150 Partner aus Wissenschaft, Wirtschaft, Verbänden und Vereinen engagiert, um den Einsatz von Karbonbeton voranzutreiben. Statt, wie bei der bisher üblichen Bauweise, Stahl mit Beton zu umhüllen, sollen künftig Karbonfaserkonstrukte mit Beton umhüllt werden. Die Vorteile: Die beim Stahl auftretenden Korrosionsprobleme fallen weg, die Lebensdauer etwa von Brücken steigt, die Instandhaltungskosten sinken. Weil Karbonfasern deutlich fester sind, können Wände dünner gebaut werden als mit Stahlbeton, das spart Material und ermöglicht völlig neue architektonische Formen. Für diese Idee ist das C3-Konsortium im vergangenen Jahr von Bundesforschungsministerin Prof. Johanna Wanka mit dem Deutschen Nachhaltigkeitspreis Forschung sowie von Bundeswirtschaftsminister Sigmar Gabriel mit dem Deutschen Rohstoffeffizienz-Preis ausgezeichnet worden.

Der C3-Baustoff soll formbarer, stabiler, intelligenter, schadstoffärmer, besser recycelbar und fit für die Integration von erneuerbaren Energien sein. Am Fraunhofer CSP wollen die Forscher diese Eigenschaften nutzen, um Photovoltaik in den Beton zu integrieren. »Wir gehen der Frage nach, ob sich Solarzellen auf den Fassadenelementen aus Karbonbeton aufbringen lassen, wie man sie elektrisch verschalten kann und wie sie am besten gestaltet sein sollten, um einen optimalen Stromertrag zu erreichen«, umschreibt Prof. Jens Schneider, Leiter der Gruppe Modultechnologie am Fraunhofer CSP, die Idee. Die Ergebnisse des Teilprojekts C3PV wurden gestern in Leipzig vorgestellt.

Drei mögliche Wege hat das Fraunhofer-Team erforscht: Bei der ersten Variante werden die Solarmodule direkt in Betonbauteile mit entsprechenden Aussparungen eingegossen, sodass sie sich ohne Kanten in die Fassade einfügen. Die zweite Möglichkeit besteht darin, Solarmodule auf Betonplatten zu laminieren oder zu kleben. Als dritte Option können die Solarmodule mit Druckknöpfen, Schrauben oder anderen Befestigungsmethoden angebracht werden. Auf diese Weise wären die Module abnehmbar. "Wir konnten zeigen, dass alle drei Möglichkeiten technisch machbar sind, optisch ansprechende Lösungen zulassen und beispielsweise auch die Anforderungen hinsichtlich der Tragkraft erfüllen", sagt Schneider.

Eine weitere wichtige Erkenntnis des C3PV-Projekts: Der Stromertrag steigt, wenn die Fassaden nicht plan sind. Durch Neigen, Kippen, Wölbungen oder eine Facetten-Optik lässt sich die für Photovoltaik nutzbare Fläche vergrößern. Auch für die typischen Gegebenheiten im städtischen Raum sind solche Fassaden besser geeignet: Es gibt häufig Teilverschattungen, zudem reflektieren andere Gebäude in der Nähe das Sonnenlicht. Gefragt sind deshalb kleinere und biegbare Solarmodule. "Sie könnten der Schlüssel sein, um solche Lösungen zu marktfähigen Preisen anzubieten. Wenn Häuserwände künftig zu kleinen Solarkraftwerken werden, bietet das enorme Potenziale im Hinblick auf den Klimaschutz", sagt Schneider.

Karbonbeton soll die Voraussetzungen dafür liefern, solche architektonischen Möglichkeiten baulich umzusetzen. Das Verbundprojekt wird mit bis zu 45 Millionen Euro vom Bundesministerium für Bildung und Forschung im Rahmen des Programms »Zwanzig20 – Partnerschaft für Innovation« gefördert. Wenn die Forscher erfolgreich sind, soll 2020 die Markteinführung von Karbonbeton erfolgen.

Über das Fraunhofer-Center für Siliziumphotovoltaik CSP

Durch entsprechende Aussparungen in den Betonbauteilen lassen sich die Solarmodule ohne Kante in die Fassade integrieren. Bild: Fraunhofer-Center für Silizium-Photovoltaik CSP

Das Fraunhofer CSP betreibt angewandte Forschung in den Themengebieten der Siliziumkristallisation, Waferfertigung, Solarzellencharakterisierung und der Modultechnologie. Es entwickelt dabei neue Technologien, Herstellungsprozesse und Produktkonzepte entlang der gesamten photovoltaischen Wertschöpfungskette. Schwerpunkte sind die Zuverlässigkeitsbewertung von Solarzellen und Modulen unter Labor- und Einsatzbedingungen sowie die elektrische, optische, mechanische und mikrostrukturelle Material- und Bauteilcharakterisierung. Basierend auf dem Verständnis von Ausfallmechanismen werden dadurch Messmethoden, Geräte und Fertigungsprozesse für Komponenten und Materialien mit erhöhter Zuverlässigkeit entwickelt. Ergänzt wird das Portfolio der Photovoltaik durch Forschungen im Bereich der regenerativen Wasserstofferzeugung, Speicherung und Nutzung, hierbei insbesondere der Entwicklung, Charakterisierung und Testung neuer Materialien für Brennstoffzellen und Elektrolyseure sowie der Simulationen und der Wirtschaftlichkeitsbetrachtungen von dezentralen Photovoltaik-Elektrolysesystemen. Das Fraunhofer CSP ist eine gemeinsame Einrichtung des Fraunhofer-Instituts für Mikrostruktur von Werkstoffen und Systemen IMWS und des Fraunhofer-Instituts für Solare Energiesysteme ISE.

Über C3 – Carbon Concrete Composite

C³ - Carbon Concrete Composite ist das derzeit größte Forschungsprojekt im deutschen Bauwesen. Das C³-Konsortium aus Wissenschaftseinrichtungen, Unternehmen und Verbänden zählt mehr als 150 Partner. Dabei erstrecken sich die Betrachtungen und Untersuchungen im Projekt C³ auf die gesamte Wertschöpfungskette (Maschinenbau, Beschichtungschemie, Karbonveredlung, Fertigteil- und Bauunternehmen etc.) von den Grundmaterialien bis zum fertigen Bauwerk. Das Innovationsnetzwerk verfolgt das Ziel, den neuen Baustoff Karbonbeton zu erforschen und in die Praxis einzuführen. Bis 2020 sollen in dem Projekt die Voraussetzungen geschaffen werden, um die völlig neue Karbonbeton-Bauweise zu etablieren. Die grundlegenden Ideen zu C³ wurden in Dresden geboren und basieren auf der Erforschung von Textilbeton. Das C³-Projekt setzt die erfolgreichen Forschungen fort und stößt in eine neue Dimension vor.