V4.6 Energiespeichernder Carbonbeton

Eine der wichtigsten Zukunftsaufgaben ist die Synchronisation von nachhaltig erzeugter elektrischer Energie mit dem Verbrauch von Haushalten oder der Industrie. Mit dem Ziel einer zuverlässigen, in der tragenden Baustruktur integrierten Energiespeicherung hat dieses Vorhaben den Anspruch, die wirtschaftlichen und technologischen Kenntnisse der Energieforschung mit den Material- und Bedarfskenntnissen des Bauwesens zu vereinen.

Mit dem zunehmenden Anstieg des Anteils an erneuerbaren Energien treten Fragestellungen auf, welche in der bestehenden fossilen Energieversorgung nur eine geringe Rolle spielten. Die erzeugte Energiemenge, welche beispielsweise durch Solar- oder Windenergie erzeugt wird, unterliegt starken zeitlichen Schwankungen. Weiterhin ist der Transport elektrischer Energie über große Entfernungen mit Verlusten verbunden und der Netzausbau wenig akzeptiert.

Ein „energiespeicherndes Haus“ könnte einen Ausgleich zwischen Energieerzeugung und Verwendung im gesamten Gebäudebetrieb erzielen und eine dezentralere Energieversorgung ermöglichen.

Zur Realisierung energiespeichernder Betonelemente soll eine statisch tragende Carbonbewehrung entwickelt werden, welche zusätzlich eine elektrische Energiespeicherung ermöglicht. Hierfür muss poröser Kohlenstoff auf die integrierte Carbonbewehrung mit geeigneter Oberfläche zur Anbindung aufgebracht und mit einer Elektrolyttasche umhüllt werden. Daraus lässt sich die Hauptproblemstellung ableiten, dass auf der einen Seite die mechanischen Eigenschaften der C-Fasern und des bewehrten Betonelements durch die zusätzliche EDLC Anwendung nicht vermindert werden und auf der anderen Seite eine ausreichende Leistung in der Energiespeicherung erzielt wird.

Neben den technischen Herausforderungen sind weiterhin Fragestellungen bezüglich des Herstellungsprozesses und bezüglich einer wirtschaftlich sinnvollen Umsetzung zu beantworten. Als wichtige Leitlinien im Vorhaben sollen bevorzugt einfache, kostengünstige und robuste Verfahren und Materialien verwendet werden. Ziel ist es, nicht die maximale mechanische Stabilität oder Energiespeicherleistung zu erzielen, sondern die wirtschaftlich sinnvollste.

Angestrebte Ergebnisse und Lösungsweg

Ausgehend von den bisherigen Forschungserfolgen im Bereich „Carbonbewehrung“ und „Carbonkondensator (EDLC)“ gliedern sich die angestrebten Teilziele in:

  1. a) Identifizierung geeigneter Carbonfasern zur Aufbringung der EDLC Matrix:

Eine kovalente Anbindung der Bindermatrix an die C-Fasern würde zu einer maximalen Stabilität führen, ist jedoch nicht preiswert zu realisieren. Als Alternative wird im Projekt die Verwendbarkeit von kostengünstigeren, defektreicheren Fasern untersucht (Graphitisierung bei niedrigerer Temperatur), da die Defekte ebenfalls als Ankerstellen dienen können.

  1. b) Ableiten geeigneter Beschichtungsparameter zum Aufbringen der EDLC Matrix:

Hochspezialisierte, aber teure Kohlenstoffe (mikroporös mit sehr hohen spezifischen Oberflächen) und Elektrolyte sind für die EDLC Anwendung verfügbar. Für den Bausektor können kostengünstigere Materialien, wie Kohlenstoffe, die in der Gas- und Wasseraufreinigung verwendet werden, vorteilhaft sein, auch wenn sie etwas verminderte Speicherfähigkeit zeigen. Diese sollen identifiziert werden. Weiterhin sind die aufzubringenden Mengen bei bisherigen EDLC optimiert für die kompliziertere Be-und Entladung in Sekunden anstatt Minuten oder Stunden. Das Aufbringen größerer Mengen wird aus diesem Grund im energiespeichernden Haus möglich und im Projekt betrachtet. Als Methoden der Beschichtung werden Sprühverfahren und die Tauchbeschichtung als technisch einfache und skalierbare Lösung untersucht.

  1. c) Entwicklung geeigneter Elektrolyttaschen und Methoden zum Einbringen der Bewehrung:

Das angestrebte Konzept sieht eine Anpassung des Bewehrungsdesigns vor, mit dem Ziel die Tragfähigkeit der Bewehrung, deren dauerhafte Funktionssicherheit sowie deren Verbund zur Betonmatrix weiterhin zu gewährleisten. Dafür werden bestehende textile und stabförmige Carbonbewehrungen für den speziellen Anwendungsfall der Energiespeicherung optimiert, teilweise mit einer Polymertasche umhüllt und geeignete Bemessungskonzepte entworfen.

Verbundkoordinator
Technische Univeristät Darmstadt

Vorhabenleiter
Prof. Bastian J. M. Etzold

Ansprechpartner
Prof. Dr.-Ing. Bastian J. M. Etzold
+49 6151 162 9984
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Beteiligte C³-Partner

  1. Betonwerk Oschatz GmbH
  2. Technische Univeristät Darmstadt
  3. Technische Univeristät Dresden – Institut für Massivbau
  4. Wilhelm Kneitz Solutions in Textile GmbH

Laufzeit: 01.04.2018 –  31.03.2020