Eine Idee zum Dahinschmelzen

Winzige verkapselte Wachskügelchen als Beimischung in Baustoffen helfen, das Raumklima  ohne zusätzlichen Energieaufwand konstant zu halten. Entwickelt wurde das Konzept vom Fraunhofer Institut für Solare Energiesysteme  (ISE) im badischen Freiburg gemeinsam mit dem Chemie-Giganten BASF. Jetzt forschen die Wissenschaftler daran, die Kühl- und Heizkapazität von Flüssigkeiten mittels diesen „mikroverkapselten Phasenwechselmaterialen“  zu vervielfachen, erläutert der in Basel geborene ISE-Marktbereichsleiter Peter Schossig.

Ulrich Glauber: Es klingt genial einfach: Ein paar Tröpfchen Wachs in den Putz und schon wird das Zimmer weder zu warm noch zu kalt, weil das Paraffin bei Hitze schmilzt und überflüssige Wärme speichert. Wenn es kühler wird und sich das Wachs verfestigt, gibt es diese Wärme dann wieder ab. Aber ganz so einfach funktioniert es mit den mikroverkapselten PCM vermutlich nicht, nicht wahr?

Peter Schossig: Das Prinzip ist in der Tat einfach und auch schon uralt. Den Effekt, mit Eis Kälte zu speichern, nutzt man ja schon seit Jahrtausenden. Auch die Idee, das auf anderem Temperaturniveau in Gebäuden einzusetzen, verfolgt man seit den 40er Jahren des 20. Jahrhunderts. Der Grundgedanke dabei ist, die Eigenschaft von Stoffen zu nutzen, die Wärme aufnehmen können, ohne sich dabei selbst wesentlich zu erwärmen. Stattdessen bewirkt die Aufnahme beziehungsweise Abgabe der Wärme eine Änderung des Aggregatzustandes des Speichers. Paraffin ist sehr geeignet, wenn dieser Effekt auf Raumtemperaturniveau genutzt werden soll. 

Ulrich Glauber: Wenn es so einfach ist, warum hat nicht schon früher jemand das gewünschte Ergebnis erzielt?

Peter Schossig: Der Teufel liegt wieder mal im Detail. Es war die Frage zu lösen, wie man das Phasenwechselmaterial in einen Baustoff integrieren kann. Man muss das Material verkapseln. Denn ohne geeignete Verpackung kann das Wachs austreten oder die Eigenschaften des Putzes negativ beeinflussen. Man hat das über viele Jahre mit sogenannten Makrokapseln in der Grösse von Tennisbällen versucht. Das hat eine Reihe von Nachteilen – zum Beispiel, dass man später keine Dübel in die Wand bohren darf, weil man sonst das Behältnis beschädigen könnte. Zudem reagiert das Material in großen Behältern zu träge: Es schmilzt und erstarrt nicht im gewünschten Zeitraum. So haben wir vom Fraunhofer ISE gemeinsam mit den Kollegen der BASF beschlossen, eine Mikroverkapselung anzustreben. Die einzelnen Kapseln sind nur noch wenige Tausendstel eines Millimeters groß, also mit dem bloßen Auge schon gar nicht mehr einzeln zu erkennen.

Ulrich Glauber: Warum haben Sie sich gerade für Wachs als Speichermaterial entschieden?

Peter Schossig: Bei Paraffinen kann man über die Länge der Kohlenstoffketten den Schmelzpunkt genau auf den gewünschten Temperaturbereich einstellen. Sie sind zudem sehr wasserabstoßend und lassen sich deshalb gut mikroverkapseln.

Ulrich Glauber: Ist es nicht trotz der Verkapselung schwierig, die Härte des Putzes mit dem Wachszusatz zu gewährleisten?

Peter Schossig: Für die Eigenschaften des Baustoffes ist nur die Hülle wichtig – in unserem Fall schlicht Plexiglas. Ob das Wachs innen hart oder flüssig ist, nach außen wirkt es durch die Hülle immer wie ein trockenes und festes Pulver. Allerdings bringen wir bis zu 30 Prozent eines Fremdstoffes in ein Baumaterial ein. Was so einfach klingt, hat unsere Partner aus der Bauindustrie einige Jahre beschäftigt. Sie mussten ihre Rezepte auf den neuen Zuschlagstoff hin so anpassen, dass die anderen Eigenschaften wie z.B. Haftung, Standvermögen oder Belastbarkeit erhalten bleiben.

Ulrich Glauber: Aber jetzt ist der neue Werkstoff schon seit einiger Zeit auf dem Markt. Gibt es den nur von der BASF?

Peter Schossig: Den Ausgangsstoff Micronal gibt es unter diesem Namen nur von der BASF, weil die Marke geschützt ist. In den USA werden Konkurrenzprodukte hergestellt, bei denen allerdings eine andere Kapseltechnologie eingesetzt wird. Für die Endanwender ist allerdings nicht der Rohstoff interessant. Für sie haben verschiedene Baustofffirmen Produkte entwickelt, in denen Micronal verwendet wird.

Ulrich Glauber: Die passiven PCM wie Micronal kühlen in heissen Nächten nicht genügend aus. Deshalb arbeiten Sie an aktiven Systemen. Was ist darunter zu verstehen? 

Peter Schossig: Richtig. Bei den passiven Systemen ist man auf Klimazonen beschränkt, wo zumindest die Tagesmitteltemperatur für den Menschen angenehm ist und man nicht den ganzen Tag kühlen muss. Man kann in heißeren Zonen andere Wachssorten verwenden, die bei tieferen Temperaturen schmelzen und deshalb dort effektiver sind. Oder man entwickelt aktiv durchströmte Flächenkühlsysteme in Kombination mit PCM-Baustoffen. Wir am Fraunhofer ISE arbeiten in erster Linie an Kühldecken, bei denen Kapillarrohrmatten in eine PCM-Putzschicht integriert sind und mit Wasser durchströmt werden. Das PCM sorgt dafür, dass ein Grossteil der Wärme, die bei konventionellen Kühlsystemen abgeführt werden muss, zwischengespeichert werden kann. Jetzt beschäftigen wir uns insbesondere mit der Regeltechnik. Es gibt schon erste Demonstrationssysteme – unter anderem übrigens unser eigenes Gebäude hier in Freiburg. Aber wir brauchen zur endgültigen Marktreife noch mehr Erfahrung.

Ulrich Glauber: Können Sie sich Räume vorstellen, in denen ohne zusätzlichen Energieaufwand oder aufwändige Technologie allein mittels der verwendeten Materialien immer eine angenehme Temperatur herrscht? 

Peter Schossig: Das kann ich mir sehr gut vorstellen, und wir sollten das auch anstreben. Es ist eher eine Frage des Klimas. In Singapur werde ich die Klimaanlage nicht allein durch die verwendeten Baumaterialien ersetzen, in unseren Breiten wird es schwieriger, ganz auf die Heizung zu verzichten. Aber auch da gibt es ja schon Passivhaus-Konzepte, die diesem Ziel zumindest schon sehr nahe kommen.

Ulrich Glauber: Gibt es noch andere Anwendungsmöglichkeiten für die PCM als im Gebäudebereich?

Peter Schossig: Wir arbeiten an sogenannten Phasenwechsel-Flüssigkeiten. Dabei ist daran gedacht,  die PCM in herkömmliche Speicherflüssigkeit einzubringen. Damit könnte ein  Medium, mit dem Wärme oder Kälte sehr gut gespeichert oder per Pumpe transportiert werden kann, das Vierfache seiner Kapazität erreichen. Herkömmliche Speicher könnten also  beispielsweise bei gleicher Leistung auf ein Viertel ihrer Grösse verkleinert werden, und die Pumpen bräuchten entsprechend weniger Energie. Man kann damit also Gebäude mit sehr viel weniger Aufwand kühlen. Aber dieses Forschungsfeld ist auch bei der Entwicklung von Batterien für Elektromotoren in Autos interessant. Die Akkus werden beim Laden wie beim Fahren relativ warm. Für ihre Kühlung könnte sich die PCM-Technologie in Kühlflüssigkeiten ebenfalls sehr gut eignen.

Zur Person:

Der gebürtige Basler Peter Schossig (39) hat an der Albert-Ludwigs-Universität im südbadischen Freiburg Physik studiert und ist seit 1998 Mitarbeiter des Fraunhofer ISE, wo er inzwischen für den Marktbereich Wärme- und Kältespeicher zuständig ist. Im Jahr 2005 promovierte  Schossig an der Fakultät für Architektur der Universität Karlsruhe im Fachgebiet Bauphysik und Technischer Ausbau zum  Thema „Mikroverkapselte Phasenwechselmaterialien in Wandverbundsystemen“. Mit dem Team von Fraunhofer ISE und BASF hat Schossig im vergangenen Sommer eine ehrenvolle Nominierung für den Zukunftspreis 2009 des deutschen Bundespräsidenten erhalten.