Kurzbeschreibung
(Deutsch)
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Aerogeldämmstoffe benötigen lediglich die halbe Dicke einer konventionellen Lösung und brennen nicht – die ideale Voraussetzung für Gebäudesanierung und Innendämmung. Unser Team hat ein disruptives Produktionsverfahren für Silikat-Aerogele entwickelt und auf 40l Pilotskala umgesetzt. Dieses P&D Projekt soll die Technologie in die Industrie transferieren: dazu wird ein fundiertes, in die industrielle Produktion übertragbares Anlagenkonzept ausgearbeitet und in einer neuen Pilotstudie validiert. Davon ausgehend kann fundiert über Investitionen in eine Produktionsanlage entschieden werden. Im Erfolgsfall kann das Verfahren den Aerogelpreis um die Hälfte reduzieren, was den Übergang vom Nischen- zum Massenmarkt ermöglicht. Die erfolgreiche Umsetzung bewirkt massive Energieeinsparung durch gute Dämmung, insbesondere wo Platz knapp oder keine wirtschaftliche Lösung verfügbar ist.
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Kurzbeschreibung
(Englisch)
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Aerogel requires half the insulation thickness for the same thermal performance, are non-flammable and water vapour open, and ideal for retrofitting and indoor applications. We developed a cost- and energy-efficient production route for silica aerogel and demonstrated proof-of-concept at the 40l pilot scale. During and after this P&D project, the technology will be transferred to industry. An additional pilot study closer to an industrially scalable concept is needed before the investments for a production line can be justified. With these last technological refinements in place, this manufacturing technology will cut the price of silica aerogel in half, enabling the transition from niche to mass markets. This will generate energy savings through improved thermal insulation, particularly in cases where space is limited and no cost-competitive solutions are available today.
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Schlussbericht
(Deutsch)
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Auf Heizung, Lüftung und Klimatisierung von Gebäuden entfallen schwindelerregende 40 % des Energieverbrauchs in der Schweiz. Die Wärmedämmung von Gebäuden ist der kostengünstigste Weg, um die Treibhausgasemissionen zu senken und die verheerenden Auswirkungen des Klimawandels, die durch ineffizientes Heizen und Kühlen von Gebäuden entstehen, zu bekämpfen. Die wichtigsten wissenschaftlichen und technischen Ziele dieses Projekts bestehen darin, den Weg für eine kosten- und energieeffiziente Produktion von Hochleistungsdämmstoff aus Silica-Aerogel zu ebnen, die auf der patentierten "Ein-Topf"- und "Strukturiertes Gel"-Produktionstechnologie basiert. Dies soll durch den Bau eines neuen Reaktors im Pilotmaßstab mit verbessertem Wärmeübergang im Inneren des Gelpakets (dem Schwachpunkt des 40-Liter-Pilotreaktors aus dem Vorprojekt) erreicht werden, gefolgt von der Inbetriebnahme, dem Betrieb, der Charakterisierung und der Optimierung im technischen Pilotmaßstab. Durch eine optimierte Rückgewinnung und Energieeffizienz können die Rohstoffkosten minimiert werden. Aufgrund der laufenden Arbeiten in unserem Labor wurde das Produktionskonzept von dem ursprünglich vorgeschlagenen kontinuierlichen, großen Produktionstunnel zu einem modulareren Ansatz geändert. Das neue Produktionskonzept basiert auf einer stangenförmigen Geometrie der Gelkörper, die eine sehr schnelle Wärmeübertragung auf das Gel ermöglicht, was für die Verbesserung wesentlich ist. Die Beweggründe für diese Änderungen waren:
- Kürzere Produktionszeiten als kritischer Parameter für eine kosteneffiziente Produktion wurden höher gewichtet, daher wurde ein modularer Ansatz entwickelt, der für die Wärmeübertragung optimiert ist.
- Ein modulares Konzept ist risikoärmer und flexibler als ein einzelner großer Produktionstunnel, bei dem die Investitionskosten für eine erste Produktionslinie sehr hoch wären, da nur ein großer Produktionstunnel in Frage käme. Außerdem würde jede Stilllegung aufgrund von Defekten, Wartungsarbeiten oder Änderungen die gesamte Produktion lahmlegen.
- Die Pilotanlage ist im Vergleich zum ursprünglichen Projekt viel näher an einer Produktionsanlage. Daher wird der Übergang von der Pilotanlage zur Produktion einfacher sein, da ein Großteil der technischen Herausforderungen bereits gelöst ist.
Das neue Produktionskonzept wurde zunächst in kleinem Maßstab validiert, was den Bau der großen Pilotanlage verzögerte, aber ein notwendiger Schritt war, um das Risiko zu verringern und eine Wissensbasis für den Bau der großen Pilotanlagen zu schaffen. Nachdem sich die Machbarkeit des neuen Konzepts im kleinen Maßstab bestätigt hatte (Produkt innerhalb der Spezifikationen, kurze Zykluszeiten, In-situ-Trocknung möglich), wurde die Großanlage geplant, gebaut und in Betrieb genommen.
Leider war die In-situ-Trocknung im großen Maßstab nicht machbar, aber es wurde ein alternativer Ansatz mit externer Trocknung gefunden, um Materialien innerhalb der Spezifikationen zu produzieren. Es wurde eine industrietaugliche, skalierbare Trocknungstechnologie ermittelt, deren Einsatz zur Trocknung von Silica-Aerogel innerhalb der Zielvorgaben mit Hilfe einer angemieteten Pilottrocknungsanlage validiert wurde. Die externe Trocknung verursacht zusätzliche Kosten (Trocknungsanlage), verkürzt aber die Zykluszeit erheblich und erwies sich als die wirtschaftlich bevorzugte Lösung, da die Trocknung nicht mehr im Reaktor erfolgt, also die Temperaturbedingungen im Reaktor zwischen den Chargen nicht mehr verändert werden müssen. Am Ende des Projekts haben wir ein neues Produktionskonzept für die Herstellung von Silica-Aerogel-Granulat im Pilotmaßstab (80 l) demonstriert, Materialien für die Bemusterung von Partnern und potenziellen Kunden hergestellt, Konzepte für das Recycling von Lösemitteln demonstriert, bei denen nur ein Bruchteil des Lösemittels gereinigt werden muss, und, was am wichtigsten ist, das Know-how für die Auslegung und Kostenschätzung der Silica-Aerogel-Produktion geschaffen.
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Schlussbericht
(Englisch)
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Heating, ventilation and air conditioning of buildings account for a staggering 40 % of Switzerland’s energy consumption. The use of thermal insulation in buildings is the most cost effective way to decrease greenhouse gas emissions and negotiate the devastating effects of climate change associated with inefficient heating and cooling of buildings. The main scientific and technical objectives of this project are to pave the way for a cost- and energy efficient production of silica aerogel thermal superinsulation based on the patented “one-pot” and “structured gel” production technology through the construction of a new pilot scale reactor with improved heat transfer inside the gel pack (the weak point of the pre-project 40 L pilot reactor), followed by its commissioning, operation, characterization and optimization at the engineering pilot scale level. Optimum recycling and energy efficiency minimize the raw materials cost. Based on ongoing activities in our laboratory, the production concept has been modified away from the originally proposed continuous, large production tunnel to a more modular approach. The new production concept is based on a tube-like geometry of the gel bodies that enables for a very fast heat transfer to the gel, which is critical to speed up the sol-gel and hydrophobization process. The main motivations behind these changes were:
- Increased weighting of shorter production times as a critical parameter for cost-effective production, hence a modular approach that is optimized for heat transfer was developed.
- Lower risk and higher flexibility for a modular concept, compared to a single large production tunnel, for which CAPEX for a first production line would be very high, as only a large production tunnel would be feasible. In addition, any downtime due to defects, for maintenance, or for modifications would shut down the entire production.
- The pilot installation is much closer to a production facility compared to the original project. As a result, the transition from pilot to production will be easier, as more of the engineering challenges have been solved.
The new production concept was validated at small scale first, which delayed the construction of the large pilot facility, but was a necessary step to reduce risk and provide a knowledge basis for the construction of the large pilot facilities. Once the feasibility of the new concept was validated at the smaller scale (product within specifications, short cycle times, in situ drying possible), the large facility was designed, constructed and commissioned. Unfortunately, in situ drying was not feasible at the large scale, but an alternative approach, using external drying was found to produce materials within specifications. A scalable, industrially viable drying technology was identified and its use to dry silica aerogel to within target specifications validated using a rental pilot drying installation. The requirement for external drying does add cost (drying installation) but reduces the cycle time substantially (drying no longer in reactor, no need to change temperature conditions in reactor between batches) and was found to be the economically preferred solution. At the end of the project, we have demonstrated a new production concept for silica aerogel granulate production at the pilot scale (80 L), produced materials for sampling to partners and potential customers, demonstrated solvent recycling concepts that only require purification of a fraction of the solvent, and most importantly, created the knowhow to inform on the design and cost estimates for silica aerogel production.
Zugehörige Dokumente
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Schlussbericht
(Französisch)
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Le chauffage, la ventilation et la climatisation des bâtiments représentent à eux seuls 40% de la consommation d'énergie de la Suisse. L'isolation thermique dans les bâtiments est le moyen le plus rentable de réduire les émissions de gaz à effet de serre et de négocier les effets dévastateurs du changement climatique associés au chauffage et au refroidissement inefficaces des bâtiments. Les principaux objectifs scientifiques et techniques de ce projet sont d'ouvrir la voie à une production rentable et économe en énergie de super-isolant thermique en aérogel de silice, basée sur la technologie de production brevetée "one-pot" et "gel structuré" grâce à la construction d'un nouveau réacteur à l'échelle pilote avec transfert de chaleur amélioré à l'intérieur de la chambre de gel (point faible du réacteur pilote de 40 l du projet précédent), suivi de sa mise en service, de son exploitation, de sa caractérisation et de son optimisation au niveau de l'ingénierie à l'échelle pilote. Le recyclage optimal et l'efficacité énergétique minimisent le coût des matières premières.
A partir des activités en cours dans notre laboratoire, le concept de production a été modifié en une approche plus modulaire, par opposition au procédé de production continu en géométrie de tunnel initialement proposée. Le nouveau concept de production est basé sur une géométrie en forme de tube des corps de gel qui permet un transfert de chaleur très rapide vers le gel, ce qui est essentiel pour accélérer le procédé sol-gel et l'hydrophobisation. Les principales motivations derrière ces changements étaient:
- Une pondération accrue des temps de production plus courts en tant que paramètre critique pour une production rentable, d'où le développement d'une approche modulaire optimisée pour le transfert de chaleur.
- Des risques réduits et une flexibilité accrue pour un concept modulaire par rapport à un seul grand tunnel de production, pour lequel les CAPEX pour une première ligne de production seraient très élevés, car seul un grand tunnel de production serait faisable. De plus, tout temps d'arrêt dû à des défauts, à des opérations de maintenance ou à des modifications entraînerait l'arrêt de toute la production.
- L'installation pilote est beaucoup plus proche d'une installation de production par rapport au projet initial. En conséquence, la transition du pilote à la production sera plus facile, car davantage de défis d'ingénierie ont été résolus.
Le nouveau concept de production a d'abord été validé à petite échelle, ce qui a retardé la construction de la grande installation pilote, mais était une étape nécessaire pour réduire les risques et fournir une base de connaissances pour la construction des grandes installations pilotes. Une fois la faisabilité du nouveau concept validée à plus petite échelle (produit conforme aux spécifications, temps de cycle courts, séchage in situ possible), la grande installation a été conçue, construite et mise en service. Malheureusement, le séchage in situ n'était pas réalisable à grande échelle, mais une approche alternative, utilisant le séchage externe, a été trouvée pour produire des matériaux conformes aux spécifications. Une technologie de séchage évolutive et viable sur le plan industriel a été identifiée et son utilisation pour sécher l'aérogel de silice conformément aux spécifications choisies a été validée à l'aide d'une installation de séchage pilote de location. L'exigence d'un séchage externe augmente le coût (installation de séchage) mais réduit considérablement le temps de cycle (plus de séchage dans le réacteur, pas besoin de changer les conditions de température dans le réacteur entre les lots) et s'est avérée être la solution économiquement préférée. À la fin du projet, nous avons démontré un nouveau concept de production pour la production de granulés d'aérogel de silice à l'échelle pilote (80L), produit des matériaux pour l'échantillonnage aux partenaires et clients potentiels, démontré des concepts de recyclage de solvants qui ne nécessitent la purification que d'une fraction du solvant, et surtout, a créé le savoir-faire pour informer sur la conception et les estimations de coûts pour la production d'aérogel de silice.
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