Goedkoop koele woning zonder airco, met thermochroom glas

Het gecoate, thermochrome glas komt lichtbruin uit het dompelbad. Laboranten Roberto en Cindy tonen een ruit van 50 bij 50 centimeter, waarmee ze laboratoriumproeven uitvoeren. beeld RD, Henk Visscher
6

Met één druk op de knop laat laborante Cindy een plaat vensterglas zakken in een verticale, rechthoekige bak met coatingvloeistof. Even later komt de glasplaat, nu lichtbruin getint, uiterst langzaam weer omhoog, met een halve meter per minuut.

„Hoe langzamer de glasplaat omhoog komt, hoe dunner de coating. Net als wanneer je een lepel uit een pot honing trekt: hoe langzamer je dat doet, hoe minder honing er aan de lepel zit.”

Na enige tijd drogen verhuist de glasplaat naar een oven. Daar wordt de ruit verhit tot 470 graden Celsius. Het oplosmiddel verdampt en de coating zit vastgebakken aan de glasplaat.

Het gecoate vensterglas is een energiezuinige oplossing om gebouwen in de zomer koel te houden. Een laagje van zo’n 100 nanometer dik (een haar is duizend keer dikker) is genoeg om zonnewarmte tegen te houden, verklaart Pascal Buskens van onderzoeksinstituut TNO. Hij is ook onderzoeksleider functionele coatings van Brightlands Materials Center in Geleen en hoogleraar aan de Universiteit Hasselt in België.

Energiezuinig

Buskens’ team ontwikkelt het zogeheten thermochrome glas als energiezuinige oplossing om ’s zomers zonnewarmte buiten te houden. „Glas is het grootste energielek van goed geïsoleerde gebouwen. Wanneer er ’s zomers zonlicht door de ramen naar binnen valt, kunnen woningen en kantoren flink opwarmen. Dan moeten koelsystemen aan de slag. En dat kost energie, waardoor de CO2-uitstoot omhoog kan gaan”, verklaart de onderzoeksleider.

Het uiterst dunne laagje coating is genoeg om infrarood licht (warmte) van de zon tegen te houden. Hoe effectief het is, laat laborant Roberto zien. In een demo-opstelling blijkt hoe goed het glas presteert. Bij een kamertemperatuur van ongeveer 20 graden Celsius laat het gecoate glas nagenoeg alle zonlicht door. Maar wanneer ze de glasplaat verwarmt met een föhn, passeert nog maar 40 procent van het infrarode licht het glas.

De kleur of de transparantie van de glasplaat verandert bij het opwarmen niet. „Dat wil je ook niet”, legt Buskens uit: „Een venster warmt in de zon niet gelijkmatig op. Zou de transparantie of de kleur veranderen, dan wordt de ruit vlekkerig.”

Door te sleutelen aan de kristallen van de coating kunnen de nanotechnologen van Brightlands Materials Center de temperatuur waarbij het glas omschakelt van doorlaten naar tegenhouden van zonnewarmte zelf instellen (zie ”Hoe werkt de coating?”).

Cindy demonstreert dat met een apparaat waarin rechts een plaatje transparant vensterglas is geplaatst, en links een gecoate ruit. In het apparaat zitten sensoren die meten hoeveel infrarood licht er door het glas valt. „De omschakeltemperatuur van deze ruit is 30 graden”, laat ze weten terwijl ze het apparaat aanzet. De temperatuur achter de gecoate ruit loopt iets langzamer op, en blijft ten slotte hangen rond zo’n 30 graden. Rechts loopt de temperatuur op tot ongeveer 40 graden. Buskens: „Voor woningen of kantoorpanden kunnen we de omschakeltemperatuur gemakkelijk instellen op 20 graden.”

Het team achter het thermochrome glas: (v.l.n.r) ing. Eugène Veerkamp, prof. dr. Pascal Buskens en dr. Daniel Mann. beeld RD, Henk Visscher

Hoogrendementsglas

De bebouwde omgeving verbruikt een derde van alle energie. De helft daarvan gaat op aan het verwarmen en koelen van gebouwen. Bij de zoektocht naar manieren om hierop energie te besparen, ontdekte de onderzoeksleider dat er innovaties mogelijk waren aan vensterglas om zonnewarmte efficiënt buiten te houden. Er waren op dat gebied alleen dure, elektrisch schakelbare systemen te koop. „En hoogrendementsglas (hr++-glas, BvdD) heeft vaak wel een coating om in de winter de warmte van de radiatoren binnen te houden. Maar in de zomer laat het een groot deel van de warmte van de zon ongehinderd binnen.”

Zijn team wilde iets ontwikkelen wat breed inzetbaar én goedkoop is. Dat leverde het idee van de thermochrome coating op, een nanolaagje dat warmte tegenhoudt wanneer de buitentemperatuur stijgt, terwijl het ’s winters het zonlicht ongehinderd door laat. „De coating werkt op eenzelfde manier als een theeglas dat rood kleurt als er warme thee in zit”, legt zijn commerciële collega Eugène Veerkamp uit in een vergaderruimte waarin alle stoelen coronaproof zijn neergezet. „De consument hoeft daar niets voor te doen, zelfs geen schakelaar om te zetten. En het tegenhouden van zonnewarmte kost hem geen cent aan energie.”

De slimme ramen leveren per woning jaarlijks gemiddeld een energiebesparing op van 22 procent. De gebruiker houdt daarmee 638 euro in zijn zak. „Dat bedrag is gebaseerd op een vrijstaand huis met 172 vierkante meter woonoppervlak waarbij 25 procent van de gevel uit ramen bestaat”, verduidelijkt Daniel Mann, wetenschapper duurzame gebouwen van Brightlands Materials Center. Hij voerde de berekeningen uit met een internationale gebouwensimulator. Architecten berekenen daarmee ook de energieprestaties van nieuw ontworpen gebouwen.

„Deze modellen simuleren elk gebouw dat je wilt, op elke locatie ter wereld. Zowel woonhuizen als kantoorgebouwen, vrijstaande huizen, rijtjeshuizen enzovoort. Een dergelijke simulatie kunnen we ook uitvoeren voor een rijtjeshuis of een appartement.”

Door te sleutelen aan de kristallen van de coating kunnen de nanotechnologen van Brightlands Materials Center de temperatuur waarbij het glas omschakelt van doorlaten naar tegenhouden van zonnewarmte zelf instellen, laat laborant Roberto zien. beeld RD, Henk Visscher

Goedkoop

Mann verwacht dat het gecoate glas over enkele jaren te koop zal zijn voor 115 tot 120 euro per vierkante meter. „En dan maken bedrijven er nog winst op ook.” De gemiddelde prijs voor hr++-glas is momenteel zo’n 100 euro per vierkante meter.

„We kunnen het glas zo goedkoop aanbieden omdat het straks in een continu proces aan de lopende band kan worden gemaakt. We zijn daarvoor in gesprek met verschillende glasproducenten in Europa”, licht Eugène Veerkamp toe. „Binnen zeven jaar is het thermochrome glas terugverdiend via besparingen op de energierekening. Dat is vergelijkbaar met zonnepanelen.” Mann: „En als de overheid met een subsidieregeling komt, is de terugverdientijd nog korter.”

In de praktijk zal de besparing hoger uitvallen, verwacht Buskens. „De gemiddelde EU-standaard is nog niet eens dubbelglas. Verbazingwekkend. Wanneer we ons vertrekpunt kiezen bij enkelglas levert overstappen op hoogrendementsglas met onze coating een energiebesparing op van ruim 50 procent.”

De grootste besparing wordt bereikt in gebouwen met veel glasoppervlak en airconditioning. Mann: „Dat betreft vooral kantoorgebouwen. Na installatie van dit glas hoeft de airco veel minder te draaien. Daarnaast is het verstandig om het glas direct te introduceren bij nieuwbouwhuizen die netto geen energie meer gebruiken, de zogeheten nul-op-de-meterwoningen.”

Energiebesparing betekent in de praktijk ook een reductie van de CO2-uitstoot. In Nederland zou de toepassing van het thermochrome glas elk jaar 4,5 miljoen ton CO2-uitstoot schelen op een totaal van zo’n 185 miljoen ton – een CO2-reductie van zo’n 2,5 procent. Dat blijkt uit berekeningen met simulatiemodellen en een TNO-onderzoek, vervolgt Mann.

„Alle beetjes helpen. We zullen alles uit de kast moeten halen om de CO2-doelstellingen van het klimaatakkoord te bereiken”, benadrukt Eugène Veerkamp. „Wij focussen nu op energiebesparing, maar het thermochrome glas levert ook meer wooncomfort op. Dat moeten we niet uit het oog verliezen. Energie-efficiëntie en woongenot gaan hand in hand.”

De gecoate ruiten zijn tot op heden alleen in een laboratoriumsituatie getest. De komende tijd wil het team van het Brightlands Materials Center praktijktests opzetten. Met woningcorporaties, bouwbedrijven, hogescholen en universiteiten moet het gecoate hr++-glas een jaar lang worden beproefd. Buskens: „Dan komen alle seizoenen een keer langs.” Hij verwacht dat de ramen over drie à vier jaar op de markt kunnen worden gebracht.

Met één druk op de knop laat laborante Cindy een plaat vensterglas zakken in een verticale, rechthoekige bak met coatingvloeistof. Even later komt de glasplaat, nu lichtbruin getint, uiterst langzaam weer omhoog, met een halve meter per minuut. beeld RD, Henk Visscher

Brightlands Materials Center

Brightlands Materials Center (BMC) bestaat sinds 2015. Het is gevestigd op de Brightlands Chemelot Campus op het oude DSM-terrein in het Zuid-Limburgse Geleen. Op het internationale onderzoekscentrum doen wetenschappers research naar nieuwe, duurzame kunststoffen en hun toepassingen. BMC is een samenwerkingsverband van onderzoeksinstituut TNO en de provincie Limburg.

Nanotechnologen werken in de laboratoria van BMC aan coatings voor glas om zonnewarmte te weren. Ook ontwikkelen ze coatings en pigmenten die de effectiviteit van zonnepanelen helpen verbeteren. BMC maakt daarbij gebruik van de expertise van onderwijsinstellingen als Zuyd Hogeschool –met vestigingen in Heerlen, Sittard en Maastricht– en van de universiteiten van Eindhoven, Maastricht, Twente en Hasselt (België).