Materialien und Systeme für Sanierung und Neubau ein Blick in die Zukunft

Transkript

1 1. Fachkongress ENERGIE+BAUEN 21. & , Messe St.Gallen Materialien und Systeme für Sanierung und Neubau ein Blick in die Zukunft M. Koebel, Empa Abteilung Materialien und Komponenten für energieeffiziente Gebäude

2 Übersicht 1) Einleitung und Hintergrund 2) Hochleistungswärmedämmung HLWD Konzept Vakuumglas & Highlights aus der Forschung Aerogele & Highlights aus der Forschung 3) Beispiele in der Anwendung Testmarkt Schweiz: Aerogel-basierte HLWD Von der Nische zur Massenanwendung Wirtschaftliche Betrachtungen 4) Ausblick

3 Was braucht es für ein Plusenergiehaus? Gebäudehülle Wärmedämmung Fenster Sonnenschutz Erneuerbare Energien Solar / Windenergie Vernetzung Chemische Energieträger Source: Isaac & van Vuuren, Energy Policy 37 (2009) ; IEA, Key World Energy Statistics (2009) Energiespeicherung Elektrisch (Elektromobilität) Thermisch Chemisch

4 Vernetzung schafft Synergien Erneuerbare Energien Speichernetzwerke Öffentliches Stromnetz und externe Verbraucher

5 Warum Hochleistungswärmedämmung (HLWD)? Mehr Dämmleistung dickere Schichten In Nordeuropa: Dämmschichten bis zu 50cm!! Architekten und Bauindustrie - Klares Bedürfnis nach besserer Isolationsleistung

6 Gegenüberstellung Sanierung Altbau / Neubau Altbausanierung: Viele Details Oft keine Dämmung Platzverhältnisse Wärmebrücken Luftdichtigkeit Feuchtethematik Neubau: Dämmung >20cm SIA Regelwerk Standardisierte Lösungen Hoher Verglasungsanteil Sonnenschutz Flexibilität Neue Lösungen HLWD Mittlerer Preisdruck Standardlösungen Fenster und solare Gewinne Hoher Preisdruck Erneuerungsrate muss erhöht werden Quasi-Nullenergie wird Standard

7 SCCER FEEB&D Schwerpunkt Materialien WP1 M1.1 M1.2 Task Aerogel als Standardkomponente bei den Baumaterialien Task Gebäudehüllensanierung mit Aerogelisolation Task Neuartige Verglasungssysteme mit saisonalem selektivem Verhalten Task 1.2.2: Neue Materialien für schaltbare Gläser

8 Übersicht 1) Einleitung und Hintergrund 2) Hochleistungswärmedämmung HLWD Konzept Vakuumglas & Highlights aus der Forschung Aerogele & Highlights aus der Forschung 3) Beispiele in der Anwendung Testmarkt Schweiz: Aerogel-basierte HLWD Von der Nische zur Massenanwendung Wirtschaftliche Betrachtungen 4) Ausblick

9 Was ist Hochleistungswärmedämmung (HLWD)? Konventionelle Systeme Hochleistungsdämmung Wärmeleitfähigkeit λ = 35 mw/m K Strahlung % Gerüstleit % Gasleitung 65 % VIP Alterung mbar Aerogel Strahlung Gerüstleitung Gasleitung SiO 2 Aerogele mw/m K unter Normalbedingungen

10 Glas ohne Gas = Vakuumglas

11 Vakuumglas im Einsatz Beijing Sky Plaza, 2005, 7980 m 2 Quelle: panoramia.com

12 Vakuumglas im Einsatz Hermitage, Amsterdam, 2009 Quelle: Pilkington.com

13 Entwicklungsstand heute: Randverbund Prototypenfertigung: 50cm x 50cm «umgebauter Pizzaofen» mit Flüssigloteinspritzung Verbindungstemperatur 300 C Formiergasatmosphäre In einem zweiten Schritt in einer Vakuumkammer mit Laser verschweisst Grössere Prototypentestanlage (1m x 1m) im Aufbau Ziel: 1m x 1m Vakuumglas bis 06/2016

14 Was sind Aerogele? Eine Art «nanoporöser Schaum» Offenporiges Partikelnetzwerk aufgebaut aus kolloidalen Teilchen Materialeigenschaften sind durch Porosität und Porenstruktur definiert Niedere Dichte und extrem niedrige Wärmeleitfähigkeit Nachteil: Mechanisch schwach und brüchig, insbesondere SiO 2 Aerogele Aerogele lassen sich aus einer Reihe von Substanzklassen herstellen Siliziumdioxid (SiO 2 ) Andere Metalloxide Polymere Kohlenstoff Metalle Biopolymere Eigenschaften gegeben durch nanoporöse Struktur Typisches Beispiel: ein Monolith aus Siliziumdioxid (SiO 2 ) Aerogel Heute noch exotische Materialien Kohlenstoff (l) und PU (r) Aerogele

15 Kosteneinsparpotential in der Aerogelherstellung Precursor Sol (gealtertes) Gel Organogel Aerogel (Xerogel) Kolloidbildung Kondensation Gelierung (Alterung) LM Austausch Trocknung (SCFD / APD) Chem. Modifizierung SCCER FEEB&D WP1 Schwerpunkt Grundlagen

16 Entwicklung industrieller Herstellungsverfahren Gelierung / Alterung Lösemittelaustausch Siliziumdioxid Sol Gel Granulate Hydrophobierung Trocknung Prozessvereinfachung Schwerpunkt SiO 2 Aerogel / Lösemitteltrocknung Reduktion der verwendeten Lösemittel Direkt durch Industrie geförderte Projekte Skalierung in Pilotanlagen Primäres Ziel: Kostenreduktion

17 Produktentwicklung Aerogel-Dämmputz Laborproben Bewitterungstests Wärmeleitfähigkeitsmessungen Hydrophobe Eigenschaften

18 Übersicht 1) Einleitung und Hintergrund 2) Hochleistungswärmedämmung HLWD Konzept Vakuumglas & Highlights aus der Forschung Aerogele & Highlights aus der Forschung 3) Beispiele in der Anwendung Testmarkt Schweiz: Aerogel-basierte HLWD Von der Nische zur Massenanwendung Wirtschaftliche Betrachtungen 4) Ausblick

19 Aerogel HLWD: Einteilung in Produktklassen Monolithische Produkte Hybride und Komposite Granulat & Pulver Siliziumdioxid: 12 mw/m K RF: 12 mw/m K Pfu: 15 mw/m K PUR: 13 mw/m K Slentite (BASF) 17mW/m K Matten (Aspen) 14mW/m K SiO 2 /PUR: 13 mw/m K SiO 2 /Fasermatrix: 16mW/m K SiO 2 (Cabot) 18mW/m K SiO 2 (Jios) 20mW/m K

20 Vor und Nachteile von Aerogelprodukten Isolationsleistung - Tiefer λ-wert - Schlanke Lösungen Ideales Baumaterial - Brandschutz - Poren offen für Dampfdiffusion Hohe Kosten - Materialien - Prozesstechnik - VOC / LM Bilanz Mech. Eigenschaften - Fragil - Riss- und Staubbildung

21 Aerogelfenster und transluszente Dämmung Zusatznutzen: ++ Marktreife: +(+) Umsetzungspotential: ++

22 Einblasen von Aerogelgranulat in Doppelschalenmauer Zusatznutzen: ++ Marktreife: + Umsetzungspotential: +

23 Thermische Sanierung mit Aerogelmatten Zusatznutzen: ++ Marktreife: +(+) Umsetzungspotential: +(+)

24 Aerogelbasierte Wärmedämmverbundsysteme (WDVS) Zusatznutzen: ++ Marktreife: +++ Umsetzungspotential: ++

25 Vorgefertigte Elemente für Gebäudesanierung Zusatznutzen: ++++ Marktreife: + Umsetzungspotential: ++++

26 Aerogeldämmputze Zusatznutzen: +++(+) Marktreife: +++ Umsetzungspotential: ++++

27 Von der Nische zur Massenanwendung Einführung Wachstum Reife Zerfall Kumuliertes Marktvolumen Nischenanwendung Tageslicht Historische Gebäude Doppelschalenmauer Panele / WDVS / ETICS Aerogeldämmputz Einsteiger Chaos Verdrängung Marktführer Pioniere Zeit

28 Dämmstoffmarkt weltweit Aerogeldämmstoffe heute: < 0.5% Marktanteil Potenzial: bis zu 10% im Jahr 2025 Quelle: Koebel, M. M.; Rigacci, A.; Achard, P.; "Aerogel-based thermal superinsulation: an overview, J. Sol-Gel Sci. Technol., 2012, 63(3),

29 Stand heute: Aerogel in der Gebäudesanierung Aerogeldämmstoffe: gleiche Dämmung bei 1/2 bis 1/3 der Dicke Platzeinsparung Wasserdampfdurchlässig, nicht brennbar VIP: gleiche Dämmung bei 1/5 der Dicke empfindliches System Hochleistungsdämmung kostet heute rund 10x mehr als konventionell (Materialkosten) Platzersparnis und vereinfachte Installation helfen einen Teil des Preisunterschieds zu kompensieren

30 Aerogel Preisentwicklung Kosten 4000 Individueller Kaufentscheid 3000 Nutzen US$/m EPS Zusatznutzen Time

31 Ausblick: wohin geht die Reise? Fenster haben Isolationsleistung innert 60 Jahren 8x verbessert Klassische Dämmmaterialien haben sich derselben Zeit nur etwa verdoppelt Industrie sucht nach Ablösungstechnologie für EPS / XPS (Aerogel?) HLWD: Vakuumglas und Aerogel müssen sich am Markt behaupten Trends beim Aerogel: vorgefertigte Elemente pastöse «3D druckbare» Mischungen

32 Zusammenfassung Aerogel und Vakuumglas sind Zukunftstechnologien CH ist Pioniermarkt für HLWD Langer Weg zum Massenmarkt Grundlagenforschung verbesserte Eigenschaften Produktionstechnologien - Preisreduktion Produktentwicklung und Anwendungstechnik Altbausanierung: Vielfältige Lösungen gefragt Dämmputz Vorgefertigte Elemente Neubau: Günstige Lösungen sind gefragt Platzersparnis & vereinfachte Installation durch HLWD Bei HLWD ist Vollkostenrechnung notwendig je nach Fall lohnt es sich bereits heute finanziell HLWD hat lange Lebensdauer unter kontrollierten Bedingungen