Het maken van 'smart-glass' vensters die betaalbaar zijn

Vensters die licht en warmte kunnen absorberen en weerkaatsen zouden ervoor kunnen zorgen dat er veel minder moet gekoeld of verwarmd worden in gebouwen. Dergelijke vensters worden ook wel 'smart glass' of 'elektrochromisch glas' genoemd. Maar het probleem tot nu toe was dat de kostprijs om deze te produceren relatief hoog is, te hoog om nog betaalbaar te zijn. Het bedrijf Soladigm heeft een technologie ontwikkeld waarmee dergelijke vensters tegen een vrij lage prijs gemaakt kunnen worden, dit maakt het interessant om deze vensters in te zetten in woningen en kantoren. De bestaande elektrochromisch vensters die commercieel verkrijgbaar zijn kosten ongeveer $1000 per vierkante meter. Dit is een erg hoge kostprijs voor glas, bijvoorbeeld dubbel glas kost ergens tussen de €30 en €60 per vierkante meter. Bij Soladigm zijn ze nog bezig met de ontwikkeling van hun technologie en weten ze nog niet exact hoeveel de kostprijs per vierkante meter zal zijn. Maar naar schatting zou deze rond de $200 per vierkante meter zijn. Dit is, ten opzichte van de prijs van de bestaande elektrochromische venster, een erg lage kostprijs. In vergelijking met gewoon dubbel glas is nog steeds een stuk hoger. Maar deze extra kost wordt verdient men uiteindelijk terug doordat er minder koeling en verwarming nodig zal zijn.

Elektrochromische vensters zijn vensters waarbij de transparantie en de doorlaat van warmte verandert wanneer er een elektrische spanning over het glas wordt aangebracht. De hoeveelheid transparantie en de doorlaat van warmte van het glas is afhankelijk van de grote van de spanning die erover geplaatst wordt. Elektrochromisch glas bestaat uit 2 glazen met daartussen nog enkele lagen geperst. Het glas is in rusttoestand doorschijnend en wordt dus geactiveerd door spanning over het glas te plaatsen. Het is voldoende om één keer de spanning te plaatsen zodat de status van het glas verandert. Wanneer de spanning weggenomen wordt dan behoudt het glas deze toestand. Dit is niet helemaal correct want langzaam aan zal het glas stilletjes weer doorschijnend worden. Indien het gewenst is dat het glas in de verdonkerde toestand blijft, dan moet er om de zoveel tijd eventjes terug spanning over het glas geplaatst worden.

Bij de vensters van Soladigm kan de gebruiker de spanning die over de vensters gezet wordt en dus de verduistering zelf regelen. Specifiek bij deze vensters bevindt er zich tussen de 2 ruiten van glas nog heel wat verschillende lagen, waaronder twee geleidende oxide films met daartussen een ionen-opslag-laag, een elektrolyt en een elektrochromische laag. Wanneer er een lage spanning op de geleidende oxide films wordt aangebracht dan worden de ionen uit de ionen-opslag-laag weggeduwd, door het elektrolyt, naar de elektrochromische laag. Wanneer de ionen in de elektrochromische laag terecht komen, zorgt dit ervoor dat het elektrochromisch materiaal licht gaan absorberen of reflecteren. Naast dit zorgen de ionen er ook voor dat het elektrochromisch materiaal donker wordt, dit geeft de vensters een getinte look. Door een spanning die omgekeerd is als de eerste aan te leggen worden de ionen terug, door het elektrolyt, naar de ionen-opslag-laag gestuurd. Het venster wordt dan terug volledig helder.

Soladigm heeft een case-studie gedaan in vijf verschillende steden om het effect van elektrochromische venster te onderzoeken in de commerciële gebouwen. En de resultaten van dit onderzoek toonden aan dat er jaarlijks gemiddeld 25% minder energie verbruikt zou worden voor verwarming, ventilatie en air-conditioning wanneer men elektrochromische vensters zou gebruiken. Dit maakt deze vensters, ondanks hun relatief hoge kostprijs ten opzichte van gewoon dubbel glas, toch interessant.

De truck om elektrochromische vensters goedkoop te produceren is om de juiste materialen en laatste nieuwe productie-methodes toe te passen. Het is namelijk niet eenvoudig om de verschillende lagen zoals de elektrochromische laag, de ionen-opslag-laag, de elektrolyt laag en dergelijke te vervaardigen doordat deze heel erg dun zijn. Toen het concept van elektrochromische vensters, een paar decennia terug, voor het eerst opkwam, had men nog niet erg veel ervaring met technologieën om deze dunne lagen te maken tegen een lage kostprijs. Maar de laatste jaren werden er verschillende nieuwe technologieën ontwikkeld voor de productie van dunne films onder andere voor flat-panel displays en dunne-film zonnepanelen. Deze nieuwe technologieën zorgen ervoor dat de kostprijs van de productie heel wat lager is dan vroeger.

Bij Soladigm gebruiken ze een elektrochromische laag van wolfraamoxide bij hun eerste vensters. Omdat wolfraamoxide bestand is tegen herhaaldelijke cycli tussen een ionen-rijke en een ionen-arme omgeving. Dit maakt dat de vensters een langere levensduur hebben. Maar er zijn ook een aantal nadelen gebonden aan de keuze voor wolfraamoxide. Namelijk doordat het wolfraamoxide kan opwarmen tot temperaturen die het raam te warm maken om aan te raken. Daarnaast kan het ook niet erg goed de infrarood stralen tegen houden en dus komt nog steeds heel wat warmte door deze vensters. Bij het Lawrence Berkeley National Laboratory (LBNL), een nationaal laboratorium van het Amerikaanse Department of Energy, werd er onderzocht of er nog andere materialen kunnen gebruikt worden in plaats van wolfraamoxide. Daar vond men een aantal verschillende alternatieven, één daarvan is een elektrochromische laag van magnesium. Het magnesium gaat reageren met waterstof-ionen om het licht te reflecteren. Een ander alternatief is om legering van antimoon ( het scheikundig element met het symbool Sb en atoomnummer 51) met koper of zilver te gebruiken. Deze laag zou dan reageren met lithium-ionen om hetzelfde te doen. Doordat in deze gevallen het licht gereflecteerd wordt in plaats van geabsorbeerd zoals bij het gebruik van wolfraamoxide. Ook kan men met deze lagen de doorlaat van zichtbaar licht en bijna-infrarood licht vrij exact gaan regelen. Met allebei deze lagen, magnesium of de antimoonlegering, kan dus de warmte die door het venster naar binnen komt beter gaan regelen en dus kan men zo ook de temperatuur binnen in het gebouw gaan regelen. Daarnaast zijn er ook nog andere mogelijkheden met deze twee lagen, namelijk zo kan het zijn dat op een zonnige winterdag, het irritant is dat de felle zon binnen schijnt maar het is wel aangenaam dat de warmte van de zonnestralen 'binnenkomt'. In dit geval is het mogelijk om het zichtbaar licht te verduisteren terwijl het bijna-infrarood licht nog steeds binnen straalt en zorgt voor de aangename warmte.

De mogelijkheid om het licht en de warmte die binnenkomt langs de vensters apart te kunnen regelen maakt de elektrochromische vensters uniek ten opzichte van andere technologieën. Deze technologie klinkt momenteel al veelbelovend maar voor bepaalde types gebouwen zijn er toch nog steeds een aantal werkpuntjes. Bij een gebouw die een façade heeft die volledig is opgetrokken uit glas zou het aanleggen van een elektrische netwerk die de elektrische spanning voorziet naar elk venster zeer kostelijk kunnen uitvallen en in sommige gevallen zelfs onbetaalbaar zijn, afhankelijk van het type gebouw. Bij de andere 'gewone' gebouwen, zonder glazen façade, is de kostprijs van het elektrisch netwerk beduidend lager en vormt het geen zo'n probleem.

In de warmere delen van de wereld kan men deze gebouwen met een glazen façade bijvoorbeeld een eenvoudigere technologie gebruiken namelijk die van low-E venster. Low-E vensters staat voor low-emitance en deze zijn voorzien van een speciale coating van metaal-oxiden die de bijna-infrarood stralen weerkaatst en zichtbaar licht doorlaat. Dus wanneer het gewenst is dat het zonlicht binnen komt maar dat het daardoor niet te warm wordt binnen is dit een interessantere oplossing omdat dit goedkoper is dan elektrochromische vensters en er is geen elektrisch netwerk nodig. Voor de elektrochromische vensters kan het probleem van te hoge kostprijs bij gebouwen met een glazen façade uit de weg geholpen worden indien men een simpele, goedkope en gemakkelijk te installeren oplossing vindt om de elektriciteit te voorzien aan de vensters.

via [technologyreview]