Stromproduzierende Betonfassaden auf der Expo Dubai

Das Forschungsprojekt „DysCrete/DssCrete“ zeigt die von einem transdisziplinären Team seit 2016 in mehreren Stufen entwickelte Methode, um den Baustoff Beton durch das Auftragen einer Schicht von photoreaktiven Substanzen leitfähig und zu einer stromproduzierenden Solarzelle zu machen. Im Gegensatz zu den auf Gebäudedächern installierten Sonnenkollektoren ermöglicht diese in die Architektur integrierte Lösung, große Freiheiten in der baulichen Gestaltung und somit eine qualitätvolle Architektur.

Um die notwendige Beschichtung auf Fassaden auftragen und erneuern zu können, wurde außerdem ein Fassadenroboter entwickelt, der Plotbot/Crawler. Beide Entwicklungen sind als Prototypen sowohl auf der Weltausstellung in Dubai als auch im Studio von Bau Kunst Erfinden in Kassel zu besichtigen. Bau Kunst Erfinden ist eine transdisziplinäre Forschungsgruppe, angesiedelt im Fachgebiet Bildende Kunst am Fachbereich Architektur, Stadtplanung, Landschaftsplanung der Universität Kassel. Seit 2009 arbeitet sie an der Entwicklung neuartiger Materialsysteme im Spannungsfeld von altem Handwerk und neuen Technologien in Kunst, Architektur, Produktdesign, experimenteller Physik und Chemie. In den Projekten überlagern sich künstlerische Strategien, Grundlagenwissenschaften und anwendungsorientierte ingenieurwissenschaftliche Ansätze. Dabei denkt die Gruppe skalenübergreifend vom Labormaßstab bis zur architektonischen Anwendung.

Strom aus Beton

Ein Blick auf die Energiebilanz, insbesondere in den urbanen Ballungszentren, war die Initialzündung auf dem Weg zur Erfindung von „DysCrete“ bzw „DssCrete“ (Dye-Sensitized Solar Concrete, also farbstoffsensibilisierter Solarbeton). Erwartet wird aktuell, dass sich der globale Energieverbrauch bis 2050 verdoppelt oder sogar verdreifacht. Gleichzeitig gehen Schätzungen davon aus, dass die Ressource der fossilen Energieträger in weniger als 100 Jahren verbraucht sein wird. Wie ließe sich Beton, der zentrale Baustoff der letzten 100 Jahre, der aber im Gegensatz zu den glasbasierten, transluzenten Solarmodulen undurchsichtig ist, zur Erzeugung von Energie nutzen? Ein im Studio der Forschergruppe mit Fruchtsaft übergossener Betonklotz, der beginnt, Strom zu produzieren, stand am Beginn des Projekts. Darauf aufbauend entwickelte das Team einen speziellen leitfähigen Beton, der mit Lagen aus Titandioxid und verschiedenen anderen Substanzen beschichtet ist. Das Ergebnis ist eine sogenannte Farbstoffsolarzelle, der Beton selber übernimmt dabei die Funktion einer Elektrode. Die Umwandlung der Sonnenenergie in Strom folgt dabei dem Prinzip der „technischen Photosynthese“.

Da „DysCrete/DssCrete“ die Fähigkeit hat auch diffuses Licht zu nutzen ist keine spezielle Ausrichtung zur Sonne nötig, sodass alle Hausseiten im Außen- und Innenbereich genutzt werden können. So kann der Flächenanteil für die solare Energiegewinnung im urbanen Raum deutlich erhöht werden. Eine Musterrechnung, bezogen auf das Gebäude K10 auf dem Campus der Universität Kassel, zeigt, dass man 60% der Fassaden (Nord, Ost, Süd, West – insgesamt 4747 qm) photovoltaisch aktivieren könnte. Zusätzlich zur Nutzung des Daches (1937 qm) ließe sich so das Potenzial der Stromerzeugung an diesem Gebäude nahezu verdoppeln. Vorteile gegenüber herkömmlichen Solaranlagen sind außerdem die bessere Verfügbarkeit aller Rohstoffe und eine relativ kostengünstige Herstellung. Das Materialsystem ist ohne giftige Emissionen, regenerierbar und weitgehend recyclebar.

Farbstoffsensibilisierter Solarbeton eignet sich hervorragend zur Herstellung von Betonfertigteilen für den Hochbau, für neuartige, robuste Gebäudefassaden sowie für Wand- und Bodensysteme und kann ohne gestalterische Einschränkungen frühzeitig in den architektonischen Planungsprozess integriert werden. Gleichzeitig lassen sich Gebäudefassaden nachträglich zur Energiegewinnung ertüchtigen.

Der Fassadenroboter

Um die komplexe stromproduzierende Beschichtung ohne aufwändige Einrüstung der Gebäude auf bestehende Fassaden auftragen und in regelmäßigen zeitlichen Abständen erneuern zu können, hat das Team Bau Kunst Erfinden um Prof. Heike Klussmann einen neuartigen, webbasierten und sensorgeführten Bewegungsautomaten entwickelt, den Plotbot/Crawler, einen Fassadenroboter. Mit ihm kann man Oberflächen von Bauelementen beliebiger Geometrie direkt oder nach einer zuvor digital erstellten Bearbeitungssystematik ansteuern. Er nutzt in neuartiger Weise Sprüh- und Drucktechniken. Der Plotbot/Crawler kann außerdem so modifziert werden, dass er weitere Aufgaben an den Gebäudeoberflächen übernehmen kann, wie z.B. Wartung und Reinigung, das Detektieren und Versiegeln von Rissen und Fehlstellen oder die Pfege von vertikaler Fassadenbegrünung.

Die Projekte wurden gefördert durch die Forschungsinitiative Zukunft Bau, Bundesinstitut für Bau-, Stadt- und Raumforschung, im Bundesministerium des Inneren, für Bau und Heimat, sowie der DFG – Deutschen Forschungsgemeinschaft. Mit dieser Forschungsförderung werden wichtige Impulse für das Bauwesen gesetzt. Das Förderprogramm Zukunft Bau ist ein Baustein der Hightech-Strategie für Deutschland, mit der die Brücke zwischen Forschung und Zukunftsmärkten ausgebaut werden soll.

Mehr Informationen:

www.baukunsterfinden.org
https://www.uni-kassel.de/fb06/institute/architektur/fachgebiete/bildende-kunst-iforschungsplattform- bau-kunst-erfnden/forschung
sowie
www.expo2020germany.de