Solcellene som er bygd inn i taket, vises knapt. (Foto: Solar Thermal Magazine)
Solcellene som er bygd inn i taket, vises knapt. (Foto: Solar Thermal Magazine)

Framtidshus får solceller i taket og nano i veggen

Det er ikke biler og trafikk som gir de største klimagassutslippene. Det er husene våre. Men det kan det snart bli slutt på.

Publisert

I 2015 står byggesektoren for 40 prosent av energibruken og klimagassutslippene i verden. Det er et underkommunisert faktum i en verden der trafikk og eksos får mer oppmerksomhet.

Men i årene framover vil vi få oppleve byggematerialer og høyteknologiske løsninger i bygningskroppen som skal bøte på problemet. De vil være intelligente og multifunksjonelle. De skal bruke mindre energi og ha lavere utslipp av skadelige klimagasser.

Med dette som mål, tester forskere ved Sintef ut ørsmå nanokuler som isolasjonsmateriale, setter elektrisk spenning på vindusglass og fasader for å spare energi, og utvikler solceller som ikke is og snø skal feste seg på.

Med nano i veggen

Sintef-forsker Bente Gilbu Tilset forsøker sammen med kollegene sine å lage superisolasjon ved hjelp av bitte små nanokuler.

– Målet er å lage et materiale med lav varmeledningsevne. Når gassmolekyler treffer hverandre, overføres det energi dem imellom, sier hun.

Hvis porene i et materiale er små nok, for eksempel under 100 nanometer, vil molekylene oftere treffe veggen i en pore enn et annet gassmolekyl.

– Dermed vil ledningsevnen i gassen gå ned. Jo mindre porer, dess lavere ledningsevne i gassen.

Mens vanlige varmeisolasjonsmaterialer som for eksempel mineralull, har en ledningsevne på 35 milliwatt per meter, kan nanokuler ha en ledningsevne helt ned til cirka 20. Dette er lavere enn ledningsevnen for luft. Foreløpig lages kulene bare i pulverform, men drømmen er å sette dem sammen som fleksible matter.

Nanoisolasjonsmaterialer som dette kan dermed redusere isolasjonstykkelsen betydelig. Mattene vil sannsynligvis bli dyrere enn vanlige Glava-matter, men vil være gunstige der man må spare plass – som i verneverdige bygg der muligheten for fasadeendringer er begrenset.

– De kan også passe godt som isolasjonsmatter i oljerør og i industritanker, sier Tilset.

Bygningsintegrerte solceller

I årene framover vil solceller ikke lenger befinne seg i paneler på vegg eller tak. De vil bli integrert i takplater og fasadematerialer. Det vil spare folk for byggematerialer og arbeidskostnader, og merkes positivt på strømregninga.

Til tross for mørketid og kuldegrader om vinteren har Norge like mye lys som Tyskland og England. I tillegg gjør det kalde klimaet god nytte fordi solceller blir mer effektive når det er kaldt.

– Vi regner med at dette blir en del av den norske byggetradisjonen, sier fysiker Tore Kolås ved Sintef. 

Han deltar i et prosjekt som undersøker hvordan vi kan bruke solcellene som en del av byggematerialet i hus – og tilpasse dette til norske lys- og klimaforhold.

Testing av bygningsintegrerte solceller i vind og slagregn ved laboratoriet på Sintef Byggforsk. (Foto: Sintef)
Testing av bygningsintegrerte solceller i vind og slagregn ved laboratoriet på Sintef Byggforsk. (Foto: Sintef)

En av utfordringene blir for eksempel å utvikle en solcelle der is og snø ikke fester seg. Solcellene må også bli robuste, slik at de tåler tøffe vær- og vindforhold – og har lang nok levetid som strømprodusent.

– Men vi skal også utvikle selve materialene, så de blir optimale for lysforholdene vi har i Norge, med lave solhøyder og mye diffust himmellys, utdyper Kolås.

Målet er kort og godt å lage så gode løsninger at det blir naturlig for byggherrer å vurdere denne typen materialer når de prosjekterer et bygg.

Vindusglass og fasader som gir og tar

I dag tilbringer vi 90 prosent av tiden innendørs, hele tre ganger mer enn på 1950-tallet. Samtidig blir det stadig mindre dagslys i bygg som følge av energihensyn og byggetekniske krav. Forskning viser at dagslys er svært viktig for helse, trivsel og biologisk rytme, samt at det fremmer produktivitet og læring. Så kan man greie begge deler? Både skaffe lys- og spare energi?

Termokrome, fotokrome, eller elektrokrome vinduer kan hjelpe til med å styre solinnstrålingen etter behovet vårt for daglys og solvarme.

Og med tanke på å innskrenke energibruken, kan det også være nyttig med materialer som kan ta opp og avgi energi.

Elektrokrome vinduer styrer solinnstrålingen ved hjelp av elektrisk spenning. Her skifter fargen fra klar transparent til mørkeblått. (Foto: Sage Elektrochromics)
Elektrokrome vinduer styrer solinnstrålingen ved hjelp av elektrisk spenning. Her skifter fargen fra klar transparent til mørkeblått. (Foto: Sage Elektrochromics)

Med slike materialer kan man for eksempel stille romtemperaturen på 22 grader – og materialene vil avgi varme hvis temperaturen går under dette – eller ta opp varme hvis temperaturen går over.

– En annen mulighet er elektrokrome belegg, sier forsker Bjørn Petter Jelle.

– Dette er en kontrollerbar teknologi gjennom at man setter på en elektrisk spenning. Som bruker i et bygg kan du da bestemme nivået på solinnstrålingen – i motsetning til adaptive teknologier der dette vil tilpasse seg miljøet og temperaturen.

– For termokrome vinduer skifter fargen etter temperatur, mens fotokrome vinduer skifter farge etter solstrålingsintensitet. Ved adaptive teknologier kan du ikke selv bestemme hvor mye som skal skiftes; det bestemmes av temperatur og sollys.

Jelle forteller at det allerede finnes kommersielle elektrokrome vinduer.

– Disse kalles ofte for smarte vinduer. Andre materialer som benyttes i vindu for å utnytte egenskaper utenom de mer tradisjonelle, er for eksempel aerogel, sier han.

Selvreparerende betong

Årlig går det med mellom 40 og 120 millioner euro til å vedlikeholde bruer, tuneller og bygningsvegger i Europa. Den tidkrevende og kostbare aktiviteten må reduseres, og prosjektet Capdesign vil bidra.

Målet er at betongen skal bli «friskmeldt» gjennom selvreparerende materialer og unngå sprekkdannelse når belastninger setter inn. Små kapsler skal blandes inn i den fuktige betongen før den stivner og forbli i betongen fram til at belastninger truer med sprekker. Da vil kapslene briste og det selvreparerende materiale flyte ut og reparere veggen.

På Sintef jobber forskere med materialet i skallet på kapslene. Skallet må både kunne beskytte det selvreparerende middelet inne i kapslene i lengre tid. Det må kunne gå i stykker ved de riktige betingelsene – enten det er temperatur, pH eller belastning som slag og rystelser, og frigjøre middelet når det oppstår sprekkdannelse.

I tillegg bør kapselskallene heller ikke påvirke smidigheten og de mekaniske egenskapene i den ferske betongen.

 – Vi har utført en rekke belastningstester for å teste både statisk styrke og slagstyrke, forteller Huaitian Bu. – Og vi har nå utviklet en teknologi der vi kan lage hybride nanopartikler som vil forbedre egenskapene til skallet.

I disse dager forberedes en større EU-søknad der perspektivet nettopp er å utvikle betong som har spesielt fokus på energi, lengre levetid og robusthet. Betongen er tenkt i bærende konstruksjoner i ugjestmilde strøk der temperaturene enten er lave eller høye, og det er nanomaterialer som skal sørge for den spesielle kvaliteten.

Når passivhus blir standard i Norge, vil det bli dyrere å bygge bolig – uansett materialvalg. Enkelte tror derfor at det kommer til å bli bygget mange flere privathus i betong om ti år siden betongen har termiske egenskaper som gjør den energieffektiv.

Bakgrunn:

Arbeidet med framtidens byggematerialer skjer i et samarbeid mellom Sintef Materialer og kjemi, Sintef Byggforsk og NTNU, gjennom forskningssenteret Zero Emission Buildings (ZEB). Her deltar også en rekke andre partnere.