Wie elektrochromatische Verglasungen den Energieverbrauch und das Wohlbefinden in Gebäuden beeinflussen

Elektrochromatische Verglasungen (EC) haben sich in den letzten Jahren als eine der vielversprechendsten Technologien zur Reduzierung des Energieverbrauchs und zur Verbesserung des visuellen und thermischen Komforts in modernen Gebäuden etabliert. Diese Technologie, die es ermöglicht, die Lichtdurchlässigkeit von Fenstern in Echtzeit zu steuern, hat das Potenzial, nicht nur die Energieeffizienz zu steigern, sondern auch das Wohlbefinden der Nutzer zu verbessern.

Fenster sind einer der Hauptverantwortlichen für den Energieverbrauch in Gebäuden, da sie durch ihre höheren Wärmeleitfähigkeiten (U-Werte) zu erheblichen Wärmeverlusten führen. Etwa 60% des gesamten Energieverbrauchs in Gebäuden können auf Fenster zurückgeführt werden, was sie zu einem kritischen Punkt bei der Effizienzsteigerung macht. Insbesondere in Wohn- und Geschäftsgebäuden, die insgesamt rund 40% des gesamten Energieverbrauchs und etwa 30% der energiebedingten CO2-Emissionen ausmachen, können die Auswirkungen von Fenstern auf den Energieverbrauch nicht unterschätzt werden.

Das Prinzip der EC-Verglasung beruht auf der Verwendung von Materialien wie WO3 und NiO, die ihre optischen Eigenschaften ändern, wenn eine elektrische Spannung angelegt wird. In gefärbtem Zustand, insbesondere bei elektrochromatischen Fenstern, kann dies zu einer drastischen Veränderung der Lichtdurchlässigkeit führen, was zu einer signifikanten Reduzierung des Energieverbrauchs führt. Eine der ersten quantitativen Bewertungen der Energieeinsparung durch EC-Verglasungen wurde 2003 von Azen und Granqvist veröffentlicht. Sie berechneten eine Einsparung von etwa 170 kWh pro m² pro Jahr. Diese Schätzung beruhte auf der Annahme, dass die Fenster die Sonnenstrahlung um etwa 70% reduzieren können. Auch wenn die Technologie in den letzten Jahren weiterentwickelt wurde, bleibt dieser Wert als Ausgangspunkt für die Bewertung der Wirksamkeit von EC-Verglasungen relevant.

Neben den direkten Einsparungen beim Energieverbrauch hat die Verwendung von EC-Verglasungen auch positive Auswirkungen auf die CO2-Emissionen. In Neubauten konnten die CO2-Emissionen bei der Spitzenlast um bis zu 35% reduziert werden, während Renovierungsprojekte sogar eine Reduktion von bis zu 50% erzielten. Diese Reduktionen sind besonders relevant in städtischen Gebieten, in denen die Konzentration von Gebäuden und damit auch von Emissionen besonders hoch ist.

Die Wahl der Steuerstrategie für diese Fenster ist ebenfalls entscheidend. Die Steuerung kann entweder basierend auf der Anwesenheit der Nutzer oder der Temperaturregelung im Raum erfolgen. Studien haben gezeigt, dass eine steuerungsbasierte Optimierung der Lichtdurchlässigkeit durch EC-Verglasungen die beste Leistung bei der Reduzierung des Energieverbrauchs liefert. Dabei werden nicht nur Heiz- und Kühlkosten optimiert, sondern auch der Bedarf an künstlicher Beleuchtung wird durch die Maximierung des natürlichen Lichts minimiert. Das bedeutet, dass der Betrieb dieser Fenster technologieabhängig und an die Bedürfnisse des Gebäudes angepasst werden muss.

Neben den erwähnten Vorteilen gibt es jedoch auch Herausforderungen bei der Implementierung von EC-Verglasungen. Die Technologie ist noch nicht in allen Marktsegmenten weit verbreitet, was sowohl mit den höheren anfänglichen Kosten als auch mit der Notwendigkeit verbunden ist, bestehende Infrastrukturen entsprechend anzupassen. Zudem kann die Langzeitbeständigkeit von Materialien und Systemen eine Rolle spielen, wenn es um die dauerhafte Effizienz der Technologie geht.

Ein weiterer wichtiger Aspekt, der berücksichtigt werden muss, ist die Wechselwirkung zwischen verschiedenen Gebäudekomponenten. Während EC-Verglasungen für sich genommen signifikante Einsparungen bieten, müssen sie im Kontext der gesamten Gebäudetechnik betrachtet werden. Die Integration von EC-Verglasungen in einem intelligenten Gebäudeverwaltungssystem, das auch andere Aspekte wie Beleuchtung, Heizung und Kühlung optimiert, kann zu einer noch höheren Gesamtenergieeffizienz führen. Dies bedeutet, dass die Technologie als Teil eines größeren, ganzheitlichen Systems betrachtet werden sollte, das auf die Bedürfnisse der Nutzer und die Klimabedingungen abgestimmt ist.

Wie beeinflusst die Protonenleitfähigkeit die Leistungsfähigkeit elektrochromer Geräte?

Die Forschung an elektrochromen (EC) Materialien hat in den letzten Jahren große Fortschritte gemacht, insbesondere im Hinblick auf die Protonenleitfähigkeit und deren Auswirkung auf die Leistungsfähigkeit solcher Geräte. Ein bemerkenswerter Befund einer Untersuchung zeigt, dass bei einer relativen Luftfeuchtigkeit (RH) von etwa 90 % die Protonenleitfähigkeiten von EC-Systemen vergleichbar mit denen von Nafion-basierten Elektrolytmembranen waren. Diese Erkenntnisse bieten tiefere Einblicke in die Dynamik der Protonenleitung und die Leistung elektrochromer Geräte unter verschiedenen Feuchtigkeits- und Temperaturbedingungen.

In einer der durchgeführten Studien zeigte sich, dass der Diffusionskoeffizient von Protonen in den WO3-Schichten bei einer RH von 90 % mit Werten von 1,1 × 10−6 cm² s−1 signifikant anstieg. Dies steht im Vergleich zu den Werten, die in flüssigen Elektrolyten und porösen WO3-Nanostrukturen beobachtet wurden. Interessanterweise war der DH+ in einer hybriden WO3–Nafion-Filmkombination erheblich höher als in den dichteren WO3-Schichten. Dieser signifikante Anstieg um vier Größenordnungen ist auf die erhöhte Hydratation von Nafion zurückzuführen, die die Ionendiffusion im WO3-Schichtmaterial begünstigte.

Neben der Protonendiffusion ist auch die Zeitkonstante (τ) von großer Bedeutung für die Leistung eines EC-Systems. In der Untersuchung wurde festgestellt, dass τ in einem Material wie ECD-B bei einer RH von 30 % viel niedriger war als bei ECD-A, mit einer dramatischen Reduktion von 60 ms auf 6 ms, ohne dass sich dies mit der Feuchtigkeitsänderung signifikant beeinflusste. Diese geringe τ-Werte weisen auf die hohe Effizienz und schnelle Reaktionszeit des Systems hin, was für die praktische Anwendung von EC-Geräten von entscheidender Bedeutung ist.

Ein weiterer wichtiger Aspekt der elektrochromen Materialien ist die Langzeitstabilität und Zyklenbeständigkeit. Diese Parameter sind entscheidend für die kommerzielle Nutzung und für die Entwicklung langlebiger und zuverlässiger EC-Systeme, die in großflächigen Anwendungen wie intelligenter Verglasung oder multifunktionalen EC-Geräten eingesetzt werden können. Die Lebensdauer solcher Geräte muss mindestens 20 bis 30 Jahre betragen, was erhebliche Anforderungen an die Stabilität und Reproduzierbarkeit der elektrochemischen Reaktionen stellt.

Die Zyklenbeständigkeit von EC-Geräten wird stark durch die Wechselwirkungen zwischen den Schichten des Systems während der wiederholten Ioneneinlagerung und -extraktion beeinflusst. Diese Interaktionen können zu irreversiblen Schäden führen, wie z. B. der Auflösung der aktiven Schicht oder der Ioneneinlagerung aus dem Elektrolyten in die EC-Elektroden. Solche Degradationsprozesse können die Leistungsfähigkeit und Lebensdauer des Geräts erheblich beeinträchtigen. Es wurde gezeigt, dass der Zustand der Materialoberflächen und die Wechselwirkungen an den Grenzflächen zwischen verschiedenen Schichten einen erheblichen Einfluss auf die Gesamtlebensdauer eines elektrochromen Systems haben.

Die Herausforderung, langlebige und stabile EC-Technologien zu entwickeln, erfordert jedoch nicht nur eine sorgfältige Auswahl der Materialien, sondern auch eine präzise Steuerung der Herstellungsprozesse. Jedes Material, jede Schicht und jede Grenzfläche muss sorgfältig auf ihre Wechselwirkungen und ihre Auswirkungen auf die Gesamtleistung des Geräts hin untersucht werden. Besonders wichtig ist dabei die Überprüfung der chemischen und physikalischen Eigenschaften der eingesetzten Materialien sowie die Optimierung der Herstellungs- und Fertigungsmethoden.