Die Energieumwandlung aus photovoltaischen Zellen ist eine seit vielen Jahrzehnten bekannte und hoch entwickelte Technologie. Für eine nachhaltige Energiegewinnung ist es allerdings notwendig Solarzellen kostengünstiger zu produzieren um mit fossilen Brennstoffen konkurrieren zu können. Die bei weitem am weitesten verbreitete und höchsten entwickelte Technologie basiert auf der Verwendung von Siliziumwafern. Diese Technologie ist aber aufgrund des hohen Preises von hochreinem Silizium sehr teuer. Anstatt der Verwendung relativ dicker Siliziumwafer können die Materialkosten mit Hilfe von Dünnschichttechnologien, oder Solarzellen der 'zweiten Generation' reduziert werden. Die Effizienz von Solarzellen kann durch Technologien der so genannten 'dritten Generation' signifikant verbessert werden. Sowohl für Solarzellen der zweiten bzw. der dritten Generation können höhere Absorption aus dem Sonnenlicht zu höheren Effizienzen führen. Plasmonische und photonische Effekte sind viel versprechende Methoden um höhere Effizienzen zu erzielen. Ziel dieses Forschungsvorhabens ist es plasmonische Strukturen mittels des physikalisch-chemischen Prozesses 'Substrat Induzierte Koagulation' (engl. Substrate Induced Coagulation - SIC) herzustellen. Bis zum heutigen Tag behandelte kein Forschungsprojekt, diese physikalisch-chemische Methode. Substrat Induziere Koagulation hat ein herausragendes Potential Strukturen einerseits billiger und andererseits unter Wahrung der ursprünglichen Form, oder durch die Möglichkeit Partikel mit anderen, kleineren zu beschichten ('core-shell'-particles), eine Vielzahl an plasmonischen Strukturen herzustellen. Die geplante Grundlagenforschung über diesen Weg sollte es möglich machen, die Wechselwirkung zwischen Licht und plasmonischen Nanostrukturen besser zu verstehen und die Effizienz von Dünnschichtsolarzellen (a-Silizium) zu erhöhen.
Zielsetzung und Anlass des Vorhabens
Angesichts knapper werdender Ressourcen und des gleichzeitig steigenden Bedarfs an Ausgleichsmöglichkeiten für die Fluktuation regenerativer Energieerzeuger müssen Strategien für eine zukunftsweisende Energieversorgung für öffentliche Gebäude entwickelt werden. Insbesondere Kinder sind die Ressourcen unsere Zukunft. Schulen haben daher hierbei eine Vorbildfunktion für energieeffiziente und nachhaltige Gebäude in der Zukunft inne.
Der Neubau der Karl-Treutel-Schule will sich dazu nicht nur pädagogisch von konventionellen Schulen abheben, sondern soll als erste nachhaltige Plusenergieschule mit einem Stromspeicher zum Zwecke der Netzdienlichkeit ausgestattet werden. Dafür werden insbesondere Speichertechnologien für z.B. Strom sowie mittels Strom erzeugter Wärme oder Kälte vorgesehen sowie in späteren Phasen die Bedarfe benachbarter Gebäude (z.B. der IGS) in Betracht gezogen. Neben diesen anspruchsvollen Zielen werden Innovationen im Bereich der mechanischen Lüftungsanlagen (Fassadenintegrierte Zulufteinheit mit dezentralen KVS-Wärmetauschern) angestrebt. Im Hinblick auf einen zukunftsorientierten, d.h. generationenbewussten Umgang mit Ressourcen, wird neben einer schadstoffreduzierten Bauweise der Einsatz ökologischer und recycelter Baustoffe angestrebt. Durch einen konsequenten kontinuierlichen Dialog zwischen Nutzer, Bauherr und dem Planungsteam soll hierfür ein alltagstaugliches Schulgebäude entstehen, das Grundschulkindern eine heimelige Wohlfühlatmosphäre schafft.
Fazit
Auf dem Weg zu einer vollständigen Energieversorgung aus Erneuerbaren Energien ist insbesondere die Entwicklung eines netzdienlichen und nachhaltigen Energiekonzepts für den Neubau der Karl-Treutel-Schule ein weiterer wesentlicher Schritt in Richtung Umweltverträglichkeit und aktiver Klimaschutz. Eine wesentliche Herausforderung dieses Schulbauprojekts lag darin, dass die hier angestrebten ambitionierten Zielstellungen nicht einfach aufoktroyiert werden, sondern im Dialog und mit Blick auf den zu bewältigenden schulischen Alltag von Grundschulkindern in eine funktionierende Schule umgesetzt werden. Die fortwährende Abstimmung mit der Schulleitung und kritische Prüfung der angestrebten und geplanten Lösungen und Klärung der Auswirkungen auf den schulischen Ablauf war Teil des intensiven Planungsprozesses. Voraussetzungen zur Umsetzung und zum Gelingen dieses integralen Prozesses waren neben einem offenen, erfahrenen und engagierten Bauherrn und Nutzer eine adäquat bemessene Bearbeitungszeit, die es ermöglicht haben, ergebnisoffen Varianten und Lösungsansätze zu prüfen und auszuarbeiten, um fundierte Entscheidungen zu treffen. Ein
Das Ziel des Vorhabens ist es, derartige energetisch wirksame und akzeptierbare Systeme, wie den Sonnenbaum zu entwickeln, pilothaft umzusetzen, um damit einerseits einen Beitrag zu Energiezielen in öffentlichen Räumen zu schaffen und anderseits dessen Raumgestaltungsmöglichkeiten zu erhöhen. Als wesentliches Ergebnis des Projektes wird ein technologisches Konzept entwickelt, durch dessen Umsetzung eine ortsungebundene und autarke Energieversorgung ermöglicht wird, die sich durch Ihr Design an die Umgebung anpassen soll. Mit Hilfe eines Prototyps sollen die Anwendungsszenarien und sowie der Einfluss des naturnahen Designs auf die Effektivität der Erzeugungsanlage untersucht und bewertet werden. Die Basis hierfür bildet die fundierte Auswahl geeigneter Erzeugungs- und Wandlungstechnologien sowie deren Dimensionierung. Durch ein vereinfachtes mathematisches Modell (Simulation mittels eines Computerprogrammes) soll eine optimale Systemkonfiguration unter Berücksichtigung von technischen und ökonomischen Parametern der Einzelkomponenten erstellt und das Betriebsverhalten des autarken Sonnenbaumes vorab betrachtet werden. Durch die angestrebten kaskadierten Entwicklungsstufen besteht die Möglichkeit, volatile Energiequellen situativ zu messen und deren Anwendbarkeit zu bewerten.
Es werden die folgenden Teilergebnisse angestrebt:
- Technologie- und Anforderungskatalog für Teilkomponenten des Sonnenbaumes
- Anwendungsfallspezifische Berechnung und Auslegung einer Prototypenanlage
- Konzept einer autarken, mobilen Energieversorgungseinheit durch PV
- prototypischer Aufbau und Funktionsnachweis (Hardware, Software)
- Entwicklung eines Katalogs in Frage kommender Verbraucher (Beleuchtung, Ladepunkt, usw.) und Einsatzszenarien
- Bewertung des Konzeptes hinsichtlich der Rückwirkungen des Designs auf den solaren Ertrag