Mit dem Hochleistungsdämmstoff Aerogel liessen sich die Fassaden vieler sanierungsbedürftiger, denkmalgeschützter Häuser ohne Abstriche an der Ästhetik isolieren. Doch der hohe Preis verhindert bisher eine grössere Verbreitung dieser Dämmlösung. Das wollen nun Forscher der Empa mit einem neuartigen Herstellungsverfahren ändern.

Rund 40 Prozent des Gesamtenergieverbrauchs in der Schweiz wird im Gebäudepark für die Deckung des Heiz- und Warmwasserbedarfs konsumiert. Energie zu sparen und den Einsatz fossiler Brennstoffe zu verringern, geht im Gebäudebereich am einfachsten und effektivsten durch eine gute Wärmedämmung der Gebäudehülle. Dies wird von erfolgreichen Standards wie Minergie vorgemacht. Doch vor allem bei älteren Bestandsbauten kann die erforderliche Dicke der Wärmedämmschicht in Konflikt mit dem wünschenswerten oder vom Heimatschutz vorgeschriebenen Erhalt historischer Fassaden stehen. Und wenn auch im Innenraum jeder Quadratmeter zählt, wird der Platzbedarf der Wärmedämmung zum finanziellen Kopfzerbrechen.

Wärmedämmung im Poren-Labyrinth

Dämmstoffe, die die Wärme im Haus zurückhalten, ohne allzu viel Platz einzunehmen, sind also gefragt. Und die gibt es auch, wenngleich bisher nur in Nischenanwendungen. Ein gutes Beispiel ist Aerogel. Das Material, das trotz seines Namens als fester Baustoff erhältlich ist, bietet aufgrund seiner hochporösen Struktur eine hervorragende Dämmungsleistung. Etwa 98 Prozent des Volumens im Aerogel entfallen auf mit Luft gefüllte Nanoporen. Die Poren sind also nur wenige Nanometer gross, wobei ein Nanometer einem Millionstel Millimeter entspricht. Im verästelten Aufbau aus derart kleinen Poren werden praktisch alle Wege der Wärmeübertragung versperrt. Dämmungen aus Aerogel sind denn auch genauso gut wärmeisolierend wie ihre zwei bis dreimal so dicken Pendants aus konventionellen Dämmstoffen. Aerogel ist im Markt bereits in Form von Matten, Platten oder als Putzschicht erhältlich. Auch als Isolationsschicht in Fenstern dient das Material, das aufgrund seiner transluzenten Erscheinung auch als „fester Rauch“ bezeichnet wird. Zudem punktet der hochporöse Stoff dadurch, dass er nicht brennbar, bis 600 Grad thermisch stabil und für Wasserdampf durchlässig ist. Letzteres ist aus bauphysikalischer Sicht ein Muss jeden Dämmstoffs, denn dies verhindert die Kondensat- und Schimmelbildung in der Wand.

Die Liste der Vorzüge, die für den Einsatz vor Aerogel sprechen, wird jedoch von einem Nachteil relativiert, der einer grösseren Marktdurchdringung im Wege steht: der Preis. Heute kostet Aerogel in der Anschaffung rund 10 bis 15 Mal so viel wie die herkömmlichen Dämmmaterialien. Die Vorteile, die aus Platzeinsparung, einfachem Einbau und Rezyklierbarkeit entstehen, kompensieren über den Lebenszyklus zwar einen Teil der Mehrkosten. Unter dem Strich bleiben auf Aerogel basierende Dämmlösungen aber nach wie vor eine deutlich teurere Option als etablierte Materialien wie Polystyrol oder Mineralwolle.

AerogelproduktionBild: Matthias Koebel (rechts) und ein Empa-Mitarbeiter beim Einfüllen von Hydrophobierungsmittel für die Aerogelproduktion in der Empa-Versuchsanlage. (Quelle: Empa)

Neues Verfahren soll die Kosten halbieren

Um dies zu ändern, haben nun Forscher der Materialforschungsanstalt Empa ein Verfahren entwickelt, das die Produktionskosten von Aerogel auf die Hälfte des heutigen Stands der Technik herunterdrücken soll. Davon verspricht sich der führende Kopf hinter der Idee, der Empa-Chemiker Matthias Koebel, eine deutliche Erhöhung des Marktanteils für Aerogel-Produkte.

„Wir gehen davon aus, dass der Markt für Aerogel um den Faktor 10 wachsen kann, wenn sich der Preis halbiert“, sagt Koebel.


Koebel und sein Team haben in der Herstellungskette von Aerogel grosses Optimierungspotenzial erkannt und bereits kleine Pilotanlagen im Labor realisiert. Der heute übliche Herstellungsprozess ist vor allem sehr zeitaufwendig. Zuerst wird aus dem Aerogel-Ausgangsstoff – typischerweise Siliziumoxid und ein Lösungsmittel wie Ethanol – ein geleeartiges Gemisch hergestellt. Diesem Gel werden in einem weiteren Verfahrensschritt unter Zugabe von Hilfsstoffen hydrophobe, also wasserabstossende Eigenschaften verliehen. Zum Schluss wird die Mischung getrocknet und erhält dadurch ihre Festigkeit.

Aerogel im TrocknungsofenBild: Bei ihren Versuchen trocknen die Empa-Forscher das Aerogel im Trocknungsofen. Dabei dampfen die letzten Reste vom Lösungsmittel aus und das Aerogel wird fest. (Quelle: Empa)

Die richtige Mischung

Der entscheidende Dreh im neuen Verfahren der Empa besteht darin, auf den getrennten Schritt der Hydrophobierung zu verzichten, indem die Stoffe, die das Material wasserabweisend machen, bereits in der Anfangsmischung enthalten sind. Das reduziert den Zeitaufwand für einen Durchgang in der Aerogel-Herstellung von 12 auf 5 Stunden. „Dadurch verdoppelt sich die Produktionskapazität einer Anlage, oder mit anderen Worten: Die Betriebskosten halbieren sich“, erläutert Koebel.

Das Verfahren, das sich die Empa-Forscher bereits haben patentieren lassen, kommt auch mit deutlich weniger Lösungsmittel aus. Dies ist ein weiterer Vorteil, denn die Lösungsmittelmenge bedingt auch den Aufwand für deren Wiederaufbereitung. Als Daumenregel gilt nämlich, dass jeder industrielle Prozess, bei dem Lösungsmittel eingesetzt werden, diese eingesetzten Lösungsmittel zu mindestens 90 Prozent wieder verwerten muss, um rentabel zu sein“, gibt Koebel zu bedenken. Das Einsparen von Lösungsmitteln trägt also zusätzlich zur Verbesserung der Wirtschaftlichkeit von Aerogel bei, weil auch die verbrauchte Rohstoffmenge abnimmt. Doch entscheidend bleibt die zuvor erwähnte Verdoppelung der Anlagenkapazität. Als einen weiteren kostensenkenden Faktor gibt Koebel die Tatsache an, dass das neue Verfahren im Gegensatz zum heutigen Standard keine überkritische Trocknung benötigt. „Beim heutigen Stand der Technik muss die Gelmischung zur Trocknung in den überkritischen Zustand überführt werden“, erklärt Koebel. Das bedürfe vor allem eines sehr hohen Drucks, der die Anlage zusätzlich verteuere. „Bei unserem Verfahren geschieht die  Trocknung in einem industriell üblichen Trocknungstunnel, der keinem hohen Druck standhalten muss“, führt der Wissenschaftler weiter aus.

Mit dem entwickelten Herstellungsprozess glaubt Koebel den ersten Schritt für eine stärkere Marktdurchdringung von Aerogel-Dämmungen vollzogen zu haben. Er hat deshalb bereits ein Startup unter dem Namen Nexaero gegründet, um die Technologie zu kommerzialisieren. Ziel ist der Aufbau einer Massenfertigung, von der sich Koebel in den kommenden 5 bis 10 Jahren eine weitere Halbierung der Produktionskosten erhofft. Ins Auge gefasst hat er zunächst den Markt der Gebäudedämmung. „In Europa allein hat Aerogel im Baubereich einen Markt von rund 25 Millionen Franken“, schätzt der Wissenschaftler.

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