Bioreaktor-Fassade als Energielieferant

Sep 2012

Bioreaktoren-Fassade als Energielieferant: Lebende Algen als „Smart Material“ - grüner geht’s nicht

Bioreaktoren-Fassade als Energielieferant: Lebende Algen als „Smart Material“ - grüner geht’s nicht
In Hamburger Stadtteil Wilhemsburg steht das erste Gebäude
der Welt, in desssen Fassade Mikroalgen wachsen sollen. Das
"Algenhaus" wird über etwa 200 Quadratmeter Algenfassade verfügen.
Bild: © Arup Deutschland GmbH

In Hamburg entsteht zurzeit ein weltweit einzigartiges Haus, das sich selbst mit Energie versorgt: BIQ. In einer Bioreaktor-Fassade werden Mikroalgen gezüchtet. Diese werden regelmäßig abgeerntet und in Biogas umgewandelt. Die grün schimmernde Bio-Gebäudehaut ist das Herzstück eines nachhaltigen regenerativen Energiekonzeptes, das von drei Partnern entwickelt wurde: SSC Strategic Science Consult GmbH (Verfahrenstechnik und Prozessführung), Arup Deutschland GmbH (Projektkoordination, Konzeption und Engineering) und Colt International (Design und System- und Komponentenfertigung). Experten sind sich schon jetzt einig, dass mit BIQ ein großer Schritt in die Zukunft nachhaltigen Bauens vollzogen wird.

Algenhaus in Hamburg - Wilhelmsburg sorgt für Wirbel

Das Algenhaus BIQ, das zur Internationalen Bauausstellung (IBA) 2013 in Wilhelmsburg bei Hamburg fertig gestellt sein soll, sorgt für Wirbel in der Baufachwelt. Es ist weltweit das erste Gebäude mit einer Bioreaktor-Fassade: In plattenförmigen an Südwest- und Südostfassade angeordneten Glaselementen werden Mikroalgen gezüchtet, die durch Photosynthese und Solarthermie Biomasse und Wärme produzieren. Gleichzeitig ermöglicht die grüne Fassade neue Perspektiven in der Lichtsteuerung und Beschattung. Das BIQ – das von Splitterwerk Architekten aus Graz geplant wurde - ist eines von mehreren „Smart Material“-Häusern auf der IBA – als „Smart Materials“ bezeichnet man Materialien, die sich im Unterschied zu herkömmlichen Baustoffen nicht statisch, sondern dynamisch verhalten.

Dynamische Organismen im Inneren der Bioreaktoren

Bei den Mikroalgen, die im Innern der Bioreaktoren gezüchtet werden, handelt es sich in der Tat um äußerst dynamische Organismen. Die Einzeller nutzen das Sonnenlicht für ihr Wachstum und wandeln im Zuge der Photosynthese CO2 sowie Nährsalze um in die so genannte Biomasse, die später als Rohstoff für die Erzeugung von Biogas als Energiequelle für ganz unterschiedliche Bedarfe unserer Gesellschaft dient. 
Dabei sind Mikroalgen effizienter in der Umwandlung von Lichtenergie in Biomasse als andere Pflanzen, denn sie teilen sich bis zu einmal am Tag und verdoppeln damit ihre Biomasse. Ein Gramm trockene Biomasse enthält etwa 23 kJ Energie. 
Mit der Frage, wie man Mikroalgen im großen Stil kultivieren kann, beschäftigt sich schon seit 2008 die SSC Strategic Science Consult GmbH. Sie brachte das interdisziplinäre Forschungs- und Entwicklungsprojekt TERM (kurz für Technologien zur Erschließung der Ressource Mikroalgen) an den Start. In Zusammenarbeit mit verschiedenen Hochschulen und Universitäten aus Norddeutschland wurden in einer Pilotanlage in Hamburg Reitbrook die Voraussetzungen geschaffen, um die Mikroalgentechnologie im Fassadenbereich einsetzen zu können.

Funktionsschema - Die Bioreaktorfassade wird mit ihren Funktionen der Wärmegewinnung, Biomasseproduktion und Rauchgasreinigung als geschlossenes System direkt an die Haustechnik gekoppelt. Bild: © Arup GmbH
Funktionsschema - Die Bioreaktorfassade wird mit ihren Funktionen der Wärmegewinnung, Biomasseproduktion und Rauchgasreinigung als geschlossenes System direkt an die Haustechnik gekoppelt. Bild: © Arup GmbH

Zweijähriges staatlich gefördertes Verbundprojekt

Im November 2010 folgte dann ein Verbundprojekt auf Initiative der Arup Deutschland GmbH, die gemeinsam mit der SSC Strategic Science Consult GmbH und Colt International ganz konkret mit der Entwicklung einer Mikroalgentechnologie speziell für den Einsatz an Fassaden begann. Konkret wurden ein Trägersystem, ein Steuerungssystem und ein in die Haustechnik integriertes Energiemanagementsystem entwickelt. Das Verbundprojekt, das noch bis Ende dieses Jahres läuft, wird gefördert durch „Zukunft Bau“, einer 2006 ins Leben gerufenen Forschungsinitiative des Bundesministeriums für Verkehr, Bau und Stadtentwicklung.

Geschlossene Hohlkörper mit Ästhetik und Funktion

Colt International übernahm im Team der Produktentwickler die Aufgabe, die eigentlichen Bioreaktoren zu konstruieren, also die transparenten, plattenförmigen Hohlkörper, die als Behälter für die Algenkulturen dienen. Die Hohlkörper mussten sowohl funktionale Eigenschaften aufweisen als auch ästhetische Ansprüche erfüllen, denn zur größtmöglichen Ausnutzung des Sonnenlichts befinden sich die Reaktoren ja an der Gebäudeaußenseite und bilden somit zum einen das Gesicht des Gebäudes von außen betrachtet – von innen liegen sie direkt im Blickfeld der Gebäudenutzer.

Die Ingenieure von Colt International konstruierten einen Rahmen aus Aluminium, der zwei durch ein Distanzprofil getrennte Glasscheiben hält, die ihrerseits den Raum für die Algenkulturen bilden. Die Rahmenprofile sind so beschaffen, dass sie die Spannkraft aushalten, die nötig ist, um die beiden Glasscheiben sicher und dicht zusammenzuhalten. 
Die Reaktoren sind 2,60 Meter hoch, 70 Zentimeter breit und etwa zwei Zentimeter dick. Der Hohlraum fasst etwa 24 Liter – Raum für das mit Nährsalzen angereicherte „Kulturmedium“, in dem die Algen angesiedelt werden. Jeder Bioreaktor hat einen Zu- und einen Ablauf – auf diese Weise können alle Reaktoren miteinander verbunden werden zu einem zirkulierenden System.

Strömungskanäle für CO2 bringen Algen in Bewegung

Damit die Mikroalgen innerhalb des Reaktors nicht absinken, wird das Kulturmedium mittels  Druckluft ständig in Bewegung gehalten. Die hohen Strömungsgeschwindigkeiten an den Innenflächen des Bioreaktors verhindern, dass sich die Mikroalgen absetzen oder faulen.
 Kontinuierlich wird zudem CO2 in den Reaktor eingebracht, um das Wachstum der Mikroalgen zu fördern. Damit sich das Gas gut im Reaktor verteilt, wurden im Innenraum jeweils drei parallel laufende vertikale Stege angebracht. Sie bilden vier voneinander getrennte Kanäle, durch die das CO2 weit in den Innenraum des Reaktors eingebracht werden kann. Diese Stege geben dem Reaktorkörper außerdem eine markante Optik. Deutlich sieht man, wie das Gas durch die Lamelle steigt.

Die von Colt konstruierte Sekundärfassade erweckt den Bioreaktor zum Leben. Die CO2-Blasen im Bioreaktor regen das Wachstum der Algen an. Bild: © SSC GmbH
Die von Colt konstruierte Sekundärfassade erweckt den Bioreaktor zum Leben. Die CO2-Blasen im Bioreaktor regen das Wachstum der Algen an. Bild: © SSC GmbH
Colt wird für die Algenfassade in Hamburg insgesamt 129 Reaktor-Fassadenelemente herstellen. Diese sind 2,60 m hoch, 70 cm breit und etwa 2 cm dick. Der Hohlraum fasst etwa 24 Liter. Bild: © Arup GmbH
Colt wird für die Algenfassade in Hamburg insgesamt 129 Reaktor-Fassadenelemente herstellen. Diese sind 2,60 m hoch, 70 cm breit und etwa 2 cm dick. Der Hohlraum fasst etwa 24 Liter. Bild: © Arup GmbH

Bioreaktor-Fassade als multipler Energielieferant

Damit aus der Bioreaktor-Fassade ein multipler Energielieferant wird, bedarf es einiger weiterer technischer Komponenten, die zusammengeführt und gesteuert werden müssen. Für die Simulation und Planung der Haustechnik zeichnete der Dritte im Bunde der Projektentwickler, die Arup Deutschland GmbH, verantwortlich.
Zunächst werden die Bioreaktoren in Reihe geschaltet, damit das Algen-Kulturmedium zirkuliert. Eine Station des Kreislaufes ist die Haustechnik-Zentrale. Hier können sowohl die Biomasse als auch die Wärme entnommen werden. Die gewonnene Energie wird von der Energiemanagementzentrale gespeichert bzw. verteilt.

Weitere Komponenten des Energiekreislaufs:

  • Wärmetauscher
    Über Tag fungieren die Reaktoren wie solarthermische Absorber: Aufgrund des Lichteinfalls heizen sie sich zusätzlich auf. Im Haustechnikraum wird die Wärme über einen Wärmetauscher abgeleitet und anschließend im oder am Gebäude gespeichert (zum Beispiel mit Erdsolespeicher bzw. PCM-Speicher) oder direkt für die Brauchwassererwärmung genutzt.

  • Algenabscheider
    Die beim Wachstum der Algen entstehende Biomasse wird mit einem Algenabscheider automatisch „geerntet“. Dabei werden die Mikroalgen von dem Kulturmedium getrennt, ein dicker Brei aus Algenbiomasse wandert in einen Sammelbehälter. Das Kulturmedium wird in den Kreislauf zurückgespeist. Die Algenbiomasse kann nun in einer Konversionsapparatur zu Methan (Biogas) umgewandelt werden.

  • Konversionsanlage
    Auf dem Weg der so genannten hydrothermalen Konversion (physikalisch-chemische Konversion im Unterschied zur biologischen Konversion (mikrobielle Fermentation) wird die Algenmasse in Biogas umgewandelt. Dabei liegt die Effizienzquote bei 70 bis 80 Prozent. Das Biogas kann entweder ins öffentliche Erdgasnetz eingespeist werden, zur Betankung von Erdgas-Autos oder in Blockheizkraftwerken genutzt werden.

  • Zu- und Abluftleitungen
    Für die kontinuierliche Umwälzung des Kulturmediums in den Bioreaktoren wird Druckluft zugeführt (Leitungsdurchmesser ca. 25mm). Sie funktioniert ganz ähnlich wie bei ETFE-Kissen.

  • Energie-Management-Zentrale 
    Eine automatisierte Prozess- und Anlagenführung ermöglicht die kontinuierliche Kultivierung der Algen, koppelt sie bei minimalem Unterhaltungsaufwand mit deren Ernte und Verwertung. Die hierfür benötigte zusätzliche Technik kann als „plug-in“ in standardisierte Haustechniklösungen integriert werden. Die Wasserversorgung und die Entsorgung der Bioreaktoren erfolgt über das städtische Frisch- und Abwassersystem. Über die Energie-Management Zentrale erfolgt auch die vertikale und horizontale Ausrichtung der Bioreaktor-Fassade um die Produktion von Wärme und Biomasse, aber auch die Funktionalitäten Wärme-, Hitze- und Lichtschutz sowie Schalldämmung zu steuern. Die Steuerungstechnik entspricht einem gängigen Standard.
Intelligenter Kreislauf - In der Bioreaktorfassade wachsen mit Hilfe von Tages- bzw. Sonnenlicht Mikroalgen. Bild: © Otto Wulff Bauunternehmung GmbH / schönknecht : kommunikation gmbh
Intelligenter Kreislauf - In der Bioreaktorfassad wachsen mit Hilfe von Tages- bzw. Sonnenlicht Mikroalgen. Bild: © Otto Wulff Bauunternehmung GmbH / schönknecht : kommunikation gmbh

Reaktor-Fassadenelemente für Hamburger Pilotprojekt

Die Bioreaktor-Fassade für das BIQ in Hamburg-Wilhelmsburg ist noch ein Pilotprojekt. Colt International wird für die Algenfassade insgesamt 129 Reaktor-Fassadenelemente herstellen – im März 2013 auf der IBA wird das visionäre Projekt der Öffentlichkeit präsentiert. Die Vermarktung der Bioreaktoren-Fassade wird schließlich Colt International übernehmen. Das Unternehmen bringt jahrzehntelange Erfahrung auf dem Gebiet des Gebäudedesigns und der energieeffizienten Fassadengestaltung mit Lamellensystemen mit. 
Deshalb konstruierte Colt International die Bioreaktoren so, dass sie – anders als im BIQ, wo sie als feststehende Elemente integriert werden – auch als Öffnungselemente eingesetzt werden können. Auf diese Weise könnte man die gläsernen Reaktoren wie Lamelleneinheiten in Bewegung bringen: Mit einer entsprechenden Steuerung ließen sie sich dem Sonnenstand nachführen mit dem Erfolg, dass sich die Energieeffizienz nochmals erhöht.

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