Ändert ein neues Aerogel die Art und Weise der Gebäudedämmung?
Bringt ein innovatives Aerogel neuen Schwung in die Baubranche? Es soll wesentlich leistungsfähiger als herkömmliche Dämmstoffe sein, kann zudem in den Putz integriert werden. Im Vergleich zu anderen Aerogelen ist es zudem ungleich günstiger und äußerst umweltfreundlich.
Das Aerogel lässt sich mit einer Korngröße von zwei bis vier Millimetern in den Dämmputz integrieren.
Foto: Fraunhofer / Piotr Banczerowski
Aerogele sind keine ganz neue Erfindung, sie kommen bereits seit einigen Jahren zur Herstellung von Hochleistungsdämmstoff zum Einsatz, so zum Beispiel bei Raumanzügen. Auch gibt es bereits seit einigen Jahre Wärmedämmputze, die mit Aerogelen versehen sind und die eine recht niedrige Wärmeleitfähigkeit besitzen. Den ganz großen Durchbruch haben sie jedoch nicht erzielt, sie kommen höchstens bei komplexen Sanierungsaufgaben zum Einsatz, bei denen der Preis nicht die wichtigste Rolle spielt. Das kann sich jetzt ändern. Forschende des Fraunhofer-Instituts für Umwelt-, Sicherheits- und Energietechnik UMSICHT in Oberhausen haben in Zusammenarbeit mit der PRO-CERAM GmbH & Co. KG ein Aerogel entwickelt, das wesentlich günstiger sein soll. Da es zudem rein mineralisch ist, kommt auch die Nachhaltigkeit nicht zu kurz.
Was sind Aerogele?
Aerogele sind Werkstoffe mit nanostrukturierter, offenporiger Beschaffenheit. Sie werden durch das Gelieren von wässrigen oder alkoholischen Lösungen (Sol-Gel-Verfahren) und anschließende spezielle Trocknungsmethoden hergestellt. Das Ergebnis sind feste Materialien mit außergewöhnlichen Eigenschaften. Aerogele zeichnen sich durch ihre geringe Dichte, eine hohe innere Oberfläche und eine gewisse Schallabsorption aus. Vor allem aber beeindrucken sie mit einer extrem niedrigen Wärmeleitfähigkeit, was sie zu einer ressourceneffizienten Lösung für den Umgang mit natürlichen Ressourcen macht.
Mit einem Luftanteil von bis zu 99,8 Prozent sind Aerogele nicht nur das leichteste, sondern auch das effektivste Dämmmaterial der Welt. Bei der Herstellung von Aerogel werden häufig Silikate wie Kieselsäure oder Metalloxide wie Aluminium, Chrom und Kohlenstoffverbindungen verwendet. Sogar Siliziumdioxid oder Holz können als Ausgangsmaterial dienen. Je nachdem, welcher dieser Stoffe eingesetzt wird, variieren die Dämmeigenschaften des Aerogels.
Die Wärmeleitfähigkeit von Aerogelen kann bei unter 0,015 W/(m*K) liegen. Herkömmliche Dämmstoffe liegen bei Wärmeleitfähigkeiten zwischen 0,030 und 0,045 W/(m*K), sie sind daher zwei- bis dreimal so hoch, was sich unmittelbar auf die benötigte Dämmstoffdicke auswirkt. Ein bedeutender Faktor ist auch, dass der Massenanteil des Feststoffs in einem Aerogel im Extremfall weniger als 0,1 Prozent betragen kann. Dadurch wird die Wärmeleitung im Festkörper nahezu unterdrückt.
Bislang sind Aerogele nur bedingt massentauglich
Wie bereits geschrieben, waren Aerogele bislang nicht massentauglich, da sie zum einen zu teuer sind und zum anderen viel Energie und Zeit zur Herstellung aufgewendet werden muss. Hinzu kommt, dass für die Herstellung bislang häufig umweltschädliche Chemikalien verwendet wurden. Die PROCERAM sah darin eine Chance und hatte das Ziel, Aerogele kostengünstig und massentauglich herzustellen.
Basis für die Innovation im Bereich der Dämmung bildet ein kostengünstiger mineralischer Dämmstoff, der eine bessere Isolationsleistung aufweist als herkömmliche Alternativen auf fossiler Basis und zudem nicht brennbar ist. Um dieses Ziel zu erreichen, wandte sich das Unternehmen an die Expertinnen und Experten des Fraunhofer UMSICHT. Gemeinsam entwickelten sie innerhalb von sechs Jahren ein innovatives Produktionsverfahren für Aerogele, das von der Laborskala bis zum vorindustriellen Maßstab vollständig auf den Einsatz umweltgefährlicher Chemikalien verzichtet.
Das neuartige Verfahren ermöglichte zudem eine beachtliche Kostensenkung von 70 Prozent gegenüber den bisher teuren Aerogelen sowie eine Reduzierung der Produktionszeit von mehr als zehn auf lediglich 2,5 Stunden. Für diese herausragende Leistung wurden Nils Mölders und Andreas Sengespeick vom Fraunhofer UMSICHT sowie Christoph Dworatzyk von der PROCERAM GmbH & Co. mit dem Joseph-von-Fraunhofer-Preis 2023 ausgezeichnet.
Umweltfreundliche Alternative zu herkömmlichen Aerogelen
Um die Kosten und Produktionszeit des Aerogels erheblich zu reduzieren, hat das Forscherteam den Fokus auf den Produktionsprozess gelegt. Herkömmlicherweise wird zur Herstellung von Aerogelen ein Sol verwendet, eine feine Verteilung fester Stoffe in einem Medium, das durch Zugabe von Säure zu einer Gelbildung führt. Dabei werden sechs Kilogramm Säure für ein Kilogramm Aerogel benötigt. Diese ätzenden Substanzen können schädlich für die Umwelt sein. Anschließend erfolgt eine Alterung des Gels, der Austausch des Lösungsmittels und die Trocknung.
„Wir haben den Stand der Technik konsequent in Frage gestellt“, erläutert Mölder. „Während überkritisches Kohlenstoffdioxid, dessen Eigenschaften, zwischen denen von Gas und Flüssigkeit liegen, bisher lediglich für die Trocknung genutzt wird, setzen wir es für alle Prozessschritte ein. So können wir auf die Säuren verzichten.“
Auch bei den Rohstoffen setzt das Forschungsteam auf Nachhaltigkeit. Sie testeten mehr als 20 verschiedene silikatische Sole, die gut verfügbar, kostengünstig und ungiftig sind. Im Gegensatz zu etablierten Varianten, die teuer und gesundheitsschädlich sind, erfüllen diese alternativen Sole die Anforderungen.
Die Aerogele lassen sich direkt in den Putz integrieren
Herkömmliche Dämmstoffe wie Mineralwolle oder Hartschaum werden als zusätzliche Schicht auf der Fassade angebracht. Die neu entwickelten Aerogele lassen sich hingegen in einen mineralischen Putz integrieren. Dazu wird das Aerogel auf eine Korngröße von zwei bis vier Millimetern gebracht und anschließend dem Mineralputz beigemischt. Diese Masse verfügt über Dämm- und bauphysikalische Eigenschaften, die diejenigen klassischer Dämmstoffe übertrifft.
„Integriert in den Putz, können die Aerogele – verglichen mit Styropor – die Wärmeleitfähigkeit um den Faktor zwei senken; das ist wirklich enorm. Wir haben damit ein stark dämmendes Material auf rein mineralischer Basis“, fasst Dworatzyk zusammen. Vereinfacht gesagt: Es ist nur die Hälfte der Sichtdicke von Hartschaum nötig, um die gleiche Dämmleistung zu erzielen. Dazu entfällt der Arbeitsschritt, in dem die Dämmschicht angebracht wird.
Ein weiterer Pluspunkt: „Wir verwenden hier nur Materialien wie Sand oder Kalk, die sich wieder in die Stoffkreisläufe einbringen, also recyclen lassen“, ergänzt Sengespeick. Das neue Produktionsverfahren ermöglicht daher nicht nur eine bessere und schnellere Gebäudedämmung, auch der Klimaschutz kommt nicht zu kurz. Im Hinblick auf das Erreichen der Klimaziele und der Einsparung von CO2-Emissionen, bietet das neuartige Aerogel daher ein riesiges Potenzial. Nicht umsonst wurde die Innovation mit dem Joseph-von-Fraunhofer-Preis ausgezeichnet.
Aerogole als Dämmmatten oder zur Kerndämmung
Wir hatten geschrieben, dass Aerogele bislang nur bedingt massentauglich sind und nur für Spezialanwendungen verwendet werden. Gleichwohl gibt es bereits Dämmmatten und Schüttdämmungen auf Basis von Aerogelen, wenngleich sie noch vergleichsweise teuer sind. Sie müssen daher nicht unbedingt in Putz integriert sein, wie es bei der Innovation des Fraunhofer UMSICHT und Pro-Ceram geschieht.
Die Matten aus Aerogelen werden durch verstärkende Faser- oder Vliesstrukturen zusammengehalten. Aufgrund ihrer mechanischen Flexibilität bieten sie vielfältige Anwendungsmöglichkeiten im Bereich des Schall-, Wärme- und Brandschutzes. Die Matten haben normalerweise eine Dicke von bis zu 12 mm und werden gerollt zur Baustelle geliefert. Das Material kann beispielsweise zur Außendämmung von Fassaden, wie hinter Vorhangfassaden, eingesetzt werden. In letzter Zeit werden die Dämmmatten auch zu Platten mit einer Dicke von bis zu 100 mm verklebt und in Wärmedämmverbundsystemen verwendet.
Aerogelgranulat wird darüber hinaus auch für die nachträgliche Kerndämmung eingesetzt, da hier in der Regel nur wenig Platz zwischen Trag- und Blendschale vorhanden ist und der Dämmstoff zusätzlich durch sehr kleine Einfüllöffnungen eingebracht werden muss. Aerogele zur Einblasdämmung haben gegenüber Perlite, Blähglas oder EPS-Granulat den Vorteil, dass sie eine wesentlich bessere Wärmeleitfähigkeit aufweisen und somit bereits bei geringen Schichtdicken den Wärmedurchgang signifikant reduzieren können.
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