Forschungsprojekt AeroFurnace setzt neue Maßstäbe und hat Wärmedämmmaterialien auf Basis von nanoporösen Kohlenstoffen weiterentwickelt, die bald in industriellen Hochtemperaturanwendungen eingesetzt werden könnten.

In industriellen Hochtemperaturprozessen herrschen Temperaturen über 1.500 Grad Celsius. Deshalb sind hier Wärmedammmaterialen   notwendig, die dieser extremen Hitze standhalten können. Aktuell werden bei diesen hohen Temperaturen unter sauerstofffreien Bedingungen filzbasierten Kohlenstoff-Werkstoffe eingesetzt.

Aerogele - neue Generation der Wärmedämmung

Im Forschungsprojekt AeroFurnace haben WissenschaftlerInnen jetzt einen Verbundwerkstoff entwickelt, dessen Wärmedämmeigenschaften gegenüber den kommerziell verfügbaren filzbasierten Kohlenstoff-Werkstoffen um bis zu 120 Prozent verbessert sind. Damit konnten die Projektpartner – das Bayerischen Zentrum für Angewandte Energieforschung (ZAE Bayern), der Ofenbauer FCT Systeme und SGL Carbon – in eine neue Qualitätsstufe der Wärmedämmung bei industriellen Hochtemperaturanwendungen vorstoßen und den Weg für eine energieeffizientere Wärmedämmung ebnen. Der neue Verbundwerkstoff besteht aus nanoporösen Kohlenstoffen und gehört zu den so genannten Kohlenstoff-Aerogelen.

Was sind Aerogele?

Aerogele können aus verschiedenen Materialien wie etwa Silikaten, Metallen und deren Oxide, Polymeren, Biopolymeren und Carbonaten hergestellt werden. Sie sind so porös, dass sie zu mehr als 90 Prozent aus Luft oder freiem Raum bestehen. Das macht sie extrem leicht. Sie haben eine geringe Dichte, eine hohe innere Oberfläche sowie eine extrem niedrige Wärmeleitfähigkeit und können zum schonenden Umgang von natürlichen Ressourcen wie Energie aus Erdgas und Erdöl beitragen.

Ihre besonderen Eigenschaften liegen an der nanoskaligen Kleinporigkeit, die die Beweglichkeit der innenliegenden Luft extrem einschränkt und damit die Wärmeleitfähigkeit der Luft nicht voll zum Tragen kommen lässt. Gleichzeitig unterbindet im Falle von Kohlenstoff-Aerogel das feinteilige Kohlenstoff-Gerüst weitgehend den Wärmestrahlungstransport. Dieser ist bei herkömmlichen Wärmedämmsystemen gerade bei hohen Temperaturen hauptsächlich für den Transport von Wärme verantwortlich. Das verzweigte Gerüst reduziert schließlich auch den direkten Wärmetransport über das Kohlenstoff-Gerüst.

Die besonderen Eigenschaften der Aerogele erlauben sie dort einzusetzen, wo herkömmliche Materialien versagen: zum Beispiel als Superisolationsmaterialien in der Automobilindustrie, in Dämmsystemen für Gebäudeanwendungen oder Hochtemperaturanwendungen.

Neuer Wärmedämmstoff ist energieeffizienter

„In Ofensimulationen konnten wir bereits nachweisen, was das neue Material kann: Je nach Temperaturprogramm können mit dem neuen Wärmedämmwerkstoff bis zu 40 Prozent der benötigten Prozessenergie eingespart werden“, sagt Thomas Kirschbaum vom Ofenbauer SGL Carbon.

Knapp 50 Prozent der industriellen Prozesswärme werden etwa in der Stahl- und Keramikindustrie gebraucht, weil hier energieintensive Hochtemperaturprozesse über 1.000 Grad Celsius laufen. Das neu entwickelte Wärmedämmmaterial auf Basis von nanoporösen Kohlenstoffen könnte hier den Energiebedarf bei gleichbleibendem Nutzvolumen deutlich senken. Außerdem hat die neue Generation von Isoliermaterialien das Potenzial Öfen zu bauen, die ein günstigeres Verhältnis von Nutzraum zu den Außenmaßen haben, sodass dem Kunden eine bessere Kosteneffizienz und Produktivität geboten werden kann.

Aerogele-Cluster

Für die Markteinführung der Aerogele fehlt der Nachweis ihrer Funktionsfähigkeit in der industriellen Praxis, sowie die Möglichkeit Aerogele in größerem Maßstab herstellen zu können. Für eine langfristige Strategie sind die durch das Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWi) geförderte Forschungsprojekte mit dem Schwerpunkt Aerogele in einem Themencluster miteinander vernetzt.

Das Forschungsprojekt AeroFurnace – Optimierung, Upscaling und Evaluierung von nanoporösen Kohlenstoffkompositen als Wärmedämmung in Prozessöfen für Anwendungstemperaturen über 1500 °C – ist Teil des BMWi-Aerogele-Clusters.

Kohlenstoff-Aerogel wird im Ofen getestet

Die ForscherInnen haben mit Labormustern in Form von Platten schon zeigen können, dass sich die Herstellung des neuen Wärmedämmmaterials über technisch einfache Prozesse abbilden lässt und gut skalierbar ist. Bis zum serienreifen Produkt ist es jedoch noch ein weiter Weg.

In der zweiten Hälfte des Forschungsprojekts Aerofurnace will das Forscherteam das neu entwickelte Wärmedämmmaterial in einem Hochtemperaturofen testen und mit einem baugleichen Ofen, der mit konventionellem Dämmmaterial ausgestattet ist, vergleichen. (az)

AeroFurnace

För­der­kenn­zei­chen: 03ET1503A-C

Projektlaufzeit
01.09.2017 28.02.2021 Heute ab­ge­schlos­sen

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