Strukturen im Wandel

Es gilt künftig, leichter, effizienter und ressourcenschonender zu bauen, um die Klimaziele zu erreichen. Für den hierzu unerlässlichen Paradigmenwechsel kann Carbonbeton einen wichtigen Beitrag leisten – er stellt eine der vielversprechendsten Innovationen dar, um die Baubranche zu verändern. Ähnlich wie der bislang meistverwendete Baustoff der Welt, der Stahlbeton, kann der noch relativ junge Verbundwerkstoff große Lasten tragen, wobei Bauteile aus Carbonbeton bei gleicher Leistungsfähigkeit viel dünner und leichter sein können als solche aus Stahlbeton. Dadurch wird nicht nur weniger Beton und damit weniger Zement, Kies, Sand und Wasser benötigt, sondern auch deutlich weniger Energie für Herstellung, Transport und Logistik.

Um den Weg des Werkstoffs in die breite Anwendung zu beschleunigen, arbeiten auch HTWK-Forschende an seiner Weiterentwicklung. Ein Meilenstein auf diesem Weg war 2022 die Eröffnung des Carbonbetontechnikums, einer weltweit einzigartigen Modellfabrik. Dort erforscht das Institut für Betonbau Lösungen für die automatisierte Fertigung von Bauteilen aus Carbonbeton und arbeitet an Leitfäden für das Bauen mit Carbonbeton, damit der Werkstoff zum Standard werden kann. In weiteren Projekten werden funktionalisierte Bauteile entwickelt, in denen Elektronik oder Heizelemente verbaut sind.

Ein weiterer Hoffnungsträger für mehr Nachhaltigkeit beim Bauen ist Holz: In seiner Verarbeitung und Nutzung ist der traditionsreiche Baustoff deutlich klimafreundlicher als der energie- und ressourcenintensive Stahlbeton. Die Nachfrage nach Holzbauten wächst stark. Gleichwohl sind die bekannten Bauweisen kaum geeignet, die bestehenden Bedarfe zu decken, da auch Holz als nachwachsender Rohstoff nur begrenzt zur Verfügung steht und die Konkurrenz um dessen industrielle Nutzung zunimmt.

Wie das Bauen mit Holz sparsamer und damit effizienter werden kann, erforscht die Forschungsgruppe FLEX seit zehn Jahren an der HTWK Leipzig: Sie entwickelt digital basierte Herstellungskonzepte für kreislauffähige Konstruktionen, die mit weniger Holz auskommen. Vom Wiederbeleben der Zollinger-Dachbauweise über die Nutzung robotischer Systeme in der Verarbeitung bis hin zu Augmented-Reality-Brillen in der Montagehalle – die Forschungsgruppe denkt den Holzbau digital inspiriert neu.

Künftig können die Forschenden unterschiedliche Fertigungsszenarien deutlich umfänglicher ausprobieren: Im neuen HolzBauForschungsZentrum der Hochschule wollen sie ab Sommer 2024 das individuell automatisierte Bauen mit Holz im Realmaßstab weiterentwickeln und neue Technologien in die Anwendung bringen.

Die Energieversorgung in Deutschland befindet sich in einem grundlegenden Wandel – hin zu mehr Klimaverträglichkeit. Dafür muss sie unabhängig von fossilen Energien werden. Bis 2030 sollen erneuerbare Energien mindestens 80 Prozent des Stromverbrauchs decken, aktuell sind es 60 Prozent. Neben Energie aus Wind spielt Solarenergie eine zentrale Rolle. Der Anteil von Photovoltaik an der Bruttostromerzeugung liegt derzeit bei zwölf Prozent – und dieser steigt. Grund dafür sind die sinkenden Kosten für Photovoltaikanlagen und die gute Verfügbarkeit. Zugleich hilft auch die Forschung dabei, Photovoltaikanlagen stets weiter zu verbessern.

Forschende der Ingenieurwissenschaften an der HTWK Leipzig arbeiten beispielsweise daran, die Qualitätskontrolle und den Betrieb von Solarzellen zu optimieren und damit die Energieausbeute zu steigern. Auch mit Agri-Photovoltaik, dem Nutzpflanzenanbau unter oder neben Photovoltaikanlagen, befassen sie sich. Ebenso mit senkrecht installierten, bifazialen Solarmodulen. Diese nutzen auf beiden Seiten insbesondere die auf- und untergehende Sonne und verschieben die Verfügbarkeit der Solarenergie in die wertvollen Morgen- und Abendstunden. Um die Wirkung von Sonnenenergie als neuen Energielieferanten bestmöglich zur Geltung zu bringen, arbeiten die Forschenden zudem an einer Weiterentwicklung der Stromnetze: auch diese müssen leistungsfähiger, flexibler und intelligenter werden.

Grüner Wasserstoff gilt als wichtiger Baustein der Energiewende: Er kann mittels gekoppelter Strom- und Wärmeerzeugung zur Erhöhung der Versorgungssicherheit und zum Klimaschutz beitragen. Denn Wasserstoff kann aus erneuerbaren Energiequellen hergestellt, anschließend transportiert, gespeichert und jederzeit wieder in andere Energieformen umgewandelt werden. Die Anwendungsmöglichkeiten sind sehr vielfältig. Wenn grüner Wasserstoff günstig verfügbar ist, wird er sich viele Einsatzgebiete in der Industrie und bei der Absicherung der Energieversorgung erschließen.

Das Gas hat aber besondere Eigenschaften: Es ist das leichteste chemische Element und kommt gebunden im Wasser auf der Erde in großen Mengen vor. Zudem ist es im Gemisch mit Luft schnell entflammbar und kann aufgrund der geringen Molekülgröße Materialien leicht durchdringen. Seit Jahren arbeiten Wissenschaft und Wirtschaft daran, die Wasserstoffnutzung technisch sicher und zugleich wirtschaftlich zu gestalten. Die HTWK Leipzig forscht insbesondere zur Gasversorgungstechnik: So demonstrieren Forscher mit Partnern im Wasserstoffdorf in Bitterfeld-Wolfen, wie das Gas gefahrlos transportiert werden kann. Bisher zeigte sich, dass bestehende Erdgas-Verteilleitungen aus Kunststoff für Wasserstoff nutzbar sind. Eine Nachwuchsforschungsgruppe arbeitet hierzu auch an speziellen Sensoren zur Überwachung der Wasserstoffkonzentration im Erdgasnetz. In anderen Projekten untersucht die Hochschule mit Partnern den Betrieb von Wasserstoffturbinen im Energiesystem-Verbund und entwickelt für wasserstoffbetriebene Kraftwerke Betriebskonzepte.