Fraunhofer ISE weiht neues energieeffizientes Laborgebäude ein

Laborneubau Fraunhofer ISE: Querschnittskompetenzen für Solarthermie und Photovoltaik unter einem Dach / Bildquelle: Fraunhofer ISE 

Das Fraunhofer ISE weihte Anfang Juli in Anwesenheit von Wissenschaftsministerin Theresia Bauer und weiteren Vertretern aus Politik, Wirtschaft und Forschung sein neues Laborgebäude in Freiburg ein. Auf einer Laborfläche von 2400 m² arbeiten dort Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler an Beschichtungen, Mikrostrukturen sowie optischen und photonischen Anwendungen für die Wärme- und Stromgewinnung aus Sonnenenergie – Solarthermie und Photovoltaik.

Das Konzept für das energieeffiziente Gebäude wurde ebenfalls von einem Forscherteam des Fraunhofer ISE entwickelt und gemeinsam mit Planern, Architekten und Industriepartnern umgesetzt – vom Wärme- und Kältekonzept bis hin zur bauwerksintegrierten Photovoltaik.

Forschungslabors für Solarthermie und Photovoltaik: Als das Fraunhofer ISE 2001 sein Hauptgebäude in der Heidenhofstraße 2 bezog, waren das Forschungsspektrum und die Belegschaft auf Grund der positiven Institutsentwicklung stärker gewachsen als angenommen. Nicht alle Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter konnten vom Gründungsstandort in der Oltmannsstraße dorthin umziehen. Da einzelne Forschungsthemen spezielle Laboranforderungen hatten, wurde der Nachzug jetzt mit dem Neubau an der Berliner Allee ermöglicht. Die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler, die im Laborneubau arbeiten, entwickeln u. a. neue Materialien und Verfahren zur Beschichtung von Absorberrohren für solarthermische Kraftwerke oder mikrostrukturierte Oberflächen zur Optimierung von Solarzellenoberflächen, Antireflex-Solarglas oder Displays. In den neuen Laborräumen sind Anlagen zur Funktionalisierung und Veredelung von Oberflächen sowie zur Analyse und Untersuchung von Oberflächeneigenschaften untergebracht. Dabei kommen Technologien wie das Physikalische Vakuumdepositionsverfahren (PVD) zur Beschichtung sowie Laserinterferenzlithographie zur Strukturerzeugung zum Einsatz. Ergänzend stehen Labors zur Strukturabformung zur Verfügung. Als weiteres Forschungsthema ist die Charakterisierung und Entwicklung von Konzentratoroptiken sowohl reflektiv auf Basis von Spiegeln als auch refraktiv, z. B. mit Fresnellinsen, im Laborneubau untergebracht. Auf dem Gebäudedach wird ein kleines Außenversuchsfeld für unterschiedliche Typen von Konzentratorkollektoren (Parabolrinne, Fresnelkollektoren und Heliostaten) betrieben.

Energieeffizientes Gebäudekonzept: Das Energiekonzept für den Laborneubau wurde gemeinsam mit einem Wissenschaftlerteam des Fraunhofer ISE entwickelt, das sich mit dem vielfältigen Aufgabenspektrum rund um energieeffiziente Gebäude beschäftigt. Mit der zukünftigen Nutzung waren zahlreiche Herausforderungen an das Energiekonzept verbunden. Der Energiebedarf des Laborgebäudes wird vor allem vom Kältebedarf der unterschiedlichen Versuchs- und Produktionsanlagen, Rechenzentren sowie Klimaanlagen bestimmt. Diesen Bedarf zu decken, Lastschwankungen auszugleichen und damit die Versorgung der Anlagen zu sichern, waren zentrale Aufgaben. Des Weiteren sollte im Zusammenspiel aller Maßnahmen die Energieeinsparverordnung EnEV 2009 um 50 Prozent unterschritten werden. Um dies zu überprüfen, wird das Fraunhofer ISE ein betriebsbegleitendes Monitoring durchführen. Das folgende Maßnahmenpaket wurde umgesetzt. Die Kälte- und Wärmeversorgung erfolgt über eine neuartige Wärmepumpe (Turboverdichtertechnologie), die zugleich Wärme und Kälte zur Verfügung stellt und Prozessabwärme nutzt. Die Wärmepumpe ist kombiniert mit einem gebäudeintegrierten Kaltwasser-Schichtspeicher, der Prozesse und Klimaanlagen mit Hochtemperaturkälte versorgt. Der Kaltwasserspeicher nimmt eine Doppelfunktion im Wärme- und Kälteversorgungskonzept ein. Im Kühlbetrieb dient er der Speicherung von Kälte sowie der Schaffung einer redundanten Kälteversorgung für die sensible Prozesstechnik des Laborgebäudes. Im Heizbetrieb fungiert er als Wärmequelle für die Wärmepumpe. Mit Hilfe des 500 m³ großen Wärme- und Kältespeichers kann der gesamte Heizbedarf aus Wärmerückgewinnung abgedeckt, Kälte gespeichert und phasenverschoben wieder genutzt werden. Das Institutsareal bot die Gelegenheit die Sanierung von bestehenden Institutsgebäuden und den Laborneubau so miteinander zu verbinden, dass die Energieversorgung (Kühlwasser und Heizung) umweltfreundlich und innovativ zu einem Nahwärme- und Kälteverbund umgestaltet werden konnte. Dabei wurde die Energiezentrale des Laborneubaus so konzipiert, dass Nachbargebäude in einem Verbundsystem mitversorgt werden können. Der Laborneubau dient im Projekt LowEx: Bestandsgewerbebauten (Niedrig-Exergie Wärme- und Kälteversorgungskonzepte für Bestandsgewerbebauten) als Demonstrations- und Entwicklungsobjekt. Das Projekt wird vom Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie BMWi gefördert.

Bauwerksintegrierte Photovoltaik: Eine weitere Innovation im Sinne der angewandten Forschung bei Fraunhofer ist die Integration von Photovoltaikmodulen mit winkelselektiver Transmission in die Fassade des Seminar-raums. Dabei handelt es sich um eine neue Generation von teiltransparenten PV-Modulen (PV-Shade®), die am Fraunhofer ISE entwickelt werden. Diese Module bestehen aus zwei Lagen mit streifenförmigen Solarzellenstrings, die zueinander in einem definierten Winkel zum einfallenden Sonnenlicht ausgerichtet und in die Verbundglas-Außenscheibe der Dreifachverglasung integriert sind. Sie ermöglichen den Blick nach außen und dienen zugleich als Sonnenschutz für den Innenraum, wodurch der Kühlenergiebedarf gesenkt wird. An der Südwest-Fassade des Laborneubaus kommen neuartige kristalline PV-Module für die Verkleidung der Außenwand zum Einsatz. Sie basieren auf innovativer Solarzellentechnologie mit rückseitiger Kontaktierung – nach dem hausintern entwickelten und patentierten so genannten High Performance Metal Wrap Through (HIP-MWT) Konzept. Die Solarzellen wurden im Photovoltaik Technologie Evaluations Center des Fraunhofer ISE in einer Pilotfertigungslinie hergestellt. Die Verschaltung erfolgt mittels strukturierter Zellverbinder, die am Fraunhofer ISE entwickelt und patentiert wurden. Innovativ ist auch die Verkapselung der verschalteten Solarzellen zwischen zwei Gläsern, basierend auf der randversiegelten Modultechnologie (TPedge), ebenfalls ein Patent des Fraunhofer ISE. Dabei werden die Solarzellen nicht wie sonst üblich einlaminiert, sondern punktuell fixiert. Die eingesetzte Rückkontakttechnologie bietet ein hohes Effizienzpotenzial, bei TPedge steht das Kostensenkungspotenzial im Vordergrund. Wichtige Entwicklungsschritte, die teilweise Demonstration in der Kleinserienproduktion und die Gebäudeintegration wurden durch Forschungsprojekte der Bundesministerien für Umwelt, Naturschutz und Reaktorsicherheit BMU, für Bildung und Forschung BMBF und für Wirtschaft und Technologie BMWi gefördert.

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