Glas, das Energie erzeugt

Von der Entdeckung eines Wirkungsprinzips bis hin zur industriellen Reife ist es meist ein weiter Weg. Bereits in den späten 1980er-Jahren hatte Michael Grätzel mit seinen Grätzel-Zellen für Aufsehen gesorgt: Seine künstliche Nachbildung der Photosynthese im Labor erzeugte tatsächlich Strom.

Die Funktionsweise: Zwischen zwei Glaselektroden wird eine Beschichtung aus Titandioxid und einem Farbstoff aufgebracht. Das Sonnenlicht sorgt dafür, dass der Farbstoff Elektronen freisetzt. Diese werden vom Titandioxid eingefangen und beginnen, sich von einer Elektrode zur anderen zu bewegen. Die Bewegung führt zur Erzeugung von elektrischem Strom. Mit der Grätzel-Zelle steht ein neuartiger Typ Solarzellen zur Verfügung, der nicht auf der Basis von Silizium arbeitet – und noch dazu als farbiges Glaselement vielfältig nutzbar ist.

Jahrzehnte später kommt dieses Prinzip endlich zur Anwendung. «Die Grätzel-Zelle ist die kleinste Einheit des Funktionsprinzips der technischen Photosynthese. Von den Erkenntnissen der Grundlagenforschung bis zur Anwendung in Form eines Produktes dauert es grundsätzlich lange. Wissenschafter sind keine CEOs», sagt Dr. Mario J. Müller. Er ist Forschungsleiter von SFL Technologies, einem der wenigen Unternehmen, die sich mit der praktischen Umsetzung des Grätzel-Effekts beschäftigen.

Die Antwort des in Stallhofen, unweit von Graz ansässigen Unternehmens ist «Energieglas»: «Das Energieglas ist die für den Endanwender entwickelte Gesamtlösung, etwa zur Integration in ein Fenster oder eine Fassade.» Mit Grätzel-Zellen lassen sich unter Laborbedingungen derzeit Wirkungsgrade von ca. bis zu 15 Prozent erzeugen. Zum Vergleich: Blätter aus der Natur haben zwei Prozent Effizienz.

Das flächenmäßig größte Projekt befindet sich aktuell in Graz im Rahmen der «Smart City» im Bau. «Das ist ein neues, nachhaltiges Stadtteilzentrum, in dem alle Bedürfnisse des täglichen Bedarfs fußläufig erreichbar sind und möglichst 100 Prozent der Energie C0₂-frei vor Ort erzeugt oder CO₂-neutral zugekauft werden», sagt Markus Pernthaler, Architekt und Leiter des Projekts.

Das Energieglas kommt dabei im Science Tower und in der Energiezentrale mit «Smart-Grid-Energienetz» für die Versorgung der Gebäude zum Einsatz – insgesamt knapp über 2.000 m² Energieglas: «Das ist Weltrekord und wurde in dieser Größenordnung noch nie verbaut», so Müller. Besonders die Materialien und die Produktionsprozesse stellen eine Herausforderung dar. «Vor allem die Verfügbarkeit der Materialien wurde überschätzt. Es ist eine andere Größenordnung, wenn Sie nur Labormuster von wenigen Quadratzentimetern brauchen oder, wie jetzt, in einer Produktionslinie für Tausende Quadratmetern. Deshalb wurde neben der reinen Produktionslinie auch eine chemische Produktion aufgebaut, die die Basismaterialien Titandioxid, Farbstoff, Elektrolyt und andere mehr bereitstellen kann.»

In der Fassade des 60 Meter hohen Science Towers spielt das Energie erzeugende Glas eine tragende Rolle. Ob denn eine Energieeffizienz von vier Prozent aus Architektensicht ausreichend sei? «Beim derzeitigen Stand der Entwicklung sehe ich keine Notwendigkeit von zehn Prozent oder mehr, weil dieses Glas ja als Fassade wirkt. Die Energiegewinnung ist ein zusätzlicher Effekt. Man darf es deswegen nicht mit konventioneller Photovoltaik vergleichen. Ich kann das Glas ganz anders einsetzen», so Pernthaler.

Der Einsatz des Energieglases macht Teile des Towers gar zum Gewächshaus. Denn das Energieglas filtert das Sonnenlicht so, dass es sich positiv auf bestimmte Pflanzenkulturen wie z.B. Tomaten auswirkt. Die Eröffnung des Forschungsturms ist für den Juni 2017 vorgesehen. Einziehen werden in den Science Tower neben der TU Graz und Joanneum Research auch weitere Forschungseinrichtungen und kleinere private Firmen, die im Bereich nachhaltiger Strategien tätig sind.

Auch im Science Tower setzt man zur Energieerzeugung nicht nur auf Energieglas: Neben Windturbinen gibt es auch eine Geothermieanlage fürs Heizen im Winter bzw. Kühlen im Sommer. Innovativ und nachhaltig ist auch der Sonnenschutz: «Wir haben in zehn Hauptgeschossen 320 Fenster. Ursprünglich war ein motorgesteuerter Sonnenschutz geplant. Doch nun hängen wir mehrere Sonnenschutzsysteme zusammen und lassen sie mit der Sonne um den Turm fahren – so brauchen wie nur zehn Motoren statt 320. Die Sonnenschutzelemente sind keine Jalousien, sondern Photovoltaikelemente, die in einer gewissen Distanz vor die Fenster gesetzt werden, sodass seitlich natürliches Licht hereinkommt, die Beschattung gesichert ist und die Sonne nicht direkt in den Büroräumen steht.»

Und auch die gewonnene Energie durch das Energieglas wird «smart» genutzt: «Wenn ein Gebäude wie der Science Tower am Wochenende Energie produziert und nicht selber braucht – aber daneben ein Wohnhaus steht, das auch am Samstag und Sonntag Energie benötigt, kann man dies nutzen», so der Architekt.

Doch längst sind noch gar nicht alle Einsatzmöglichkeiten des Energieglases ausgeschöpft. «Was wir wirklich damit möchten, ist, Glasflächen zu substituieren – sowohl Fenster und Fassaden als auch Innenraumanwendung wie etwa Tischplatten oder Möbel. Wir machen mit studentischen Gruppen kleine Wettbewerbe: Wenn es Energieglas wäre, was könnte ich damit tun? Man braucht kein Kabel mehr, die unerschöpfliche Batterie ist da – und schön!», so Müller. Für ihn ist das Potenzial des Energieglases klar: «Alle Glasflächen der Welt sollten Energieglasfunktionen bekommen! Energieglas wird so essenziell billig sein können, dass in Zukunft wahrscheinlich gar nicht darüber nachgedacht wird, ob man Energieglas oder Normalglas verwendet.»