Bioreaktoren - Colt International GmbH, Kleve

9 | 2012DBZ.deFassadeintelligent, klimatisch, repräsentativBen van Berkel +++ André Poitiers über EUROPACITY Berlin +++ Ulrich Knaack über Fassadenvon morgen +++ Zentrum Virtual Engineering, UNStudio +++ EXPO-Pavillon 2012, somaarchitecture +++ PIXEL-Building, studio505 +++ The Crystal, Schmidt Hammer Lassen +++Bharati Polarstation +++ Medienfassaden +++ Bioreaktorenfassade +++ Energie SpezialBund Deutscher Baumeister,Architekten und Ingenieure e.V. Berlin

Kreislauf1 1 1 1 1 11 1 1 1CO 2DruckluftDie Reaktor-Fassadenelemente der Algenfassadesind 2,60 m hoch. Der Hohlraum fasst etwa 24 l© Arup Deutschland GmbH1 Bioreaktorfassade2 Wärmetauscher3 Algenabscheider4 Konversionsanlage5 Zu- und Ableitungenfür das Kulturmedium(25 mm Durchmesser)Schema zur Funktioneiner Bioreaktorfassade534 2Methan WärmeHaustechnik/Energiezentrale© Arup Deutschland GmbHgie. Mit der Frage, wie man Mikroalgen imgroßen Stil kultivieren kann, beschäftigt sichdie SSC Strategic Science Consult GmbHschon seit 2008. Sie brachte das interdisziplinäreForschungs- und EntwicklungsprojektTERM (Technologien zur Erschließung derRessource Mikroalgen) an den Start. In Zusammenarbeitmit Hochschulen und Universitätenaus Norddeutschland wurden in einerPilotanlage in Hamburg Reitbrook die Voraussetzungengeschaffen, um die Mikroalgentechnologieim Fassadenbereich einsetzenzu können.Staatlich gefördertes VerbundprojektIm November 2010 folgte dann ein Verbundprojektauf Initiative der Arup DeutschlandGmbH, die gemeinsam mit der SSC StrategicScience Consult GmbH und Colt Internationalmit der Entwicklung einer Mikroalgentechnologiefür den Einsatz an Fassaden begann.Konkret wurden ein Trägersystem, ein Steuerungssystemund ein in die Haustechnik integriertesEnergiemanagementsystem entwickelt.Das Verbundprojekt wird gefördertdurch „Zukunft Bau“, eine 2006 ins Lebengerufene Forschungsinitiative des BMVBS.Geschlossene HohlkörperDie transparenten, plattenförmigen Hohlkörperder Bioreaktoren, die als Behälter für dieAlgenkulturen dienen, müssen funktionaleEigenschaften aufweisen und ästhetische Ansprücheerfüllen. Denn zur größtmöglichenAusnutzung des Sonnenlichts befinden sichdie Reaktoren an den Südseiten der Gebäudewandund bilden von außen betrachtet dasGesicht des Gebäudes – während sie von innentäglich direkt im Blickfeld der Gebäudenutzerliegen.Die Ingenieure konstruierten einen Aluminiumrahmen,der zwei durch ein Distanzprofilgetrennte Glasscheiben hält, die ihrerseitsden Raum für die Algenkulturen bilden. DieRahmenprofile müssen die Spannkraft aushalten,die nötig ist, um die beiden Glasscheibensicher und dicht zusammenzuhalten. DerHohlraum fasst etwa 24 l – genug Platz fürdas mit Nährsalzen angereicherte Kulturmedium,in dem die Algen angesiedelt sind.Jeder Bioreaktor hat einen Zu- und einenDie Sekundärfassade, die den Bioreaktor zumLeben erweckt, ist allein optisch schon ein Blickfang.Isolierglasscheiben, die in einem Stahlrahmeneingefasst sind, bilden das Gehäuse für die grünschimmernden Algenkulturen. Die Luftblasen imBioreaktor sind CO 2. Das Gas regt das Wachstumder Algen an© SSC GmbHAblauf. Auf diese Weise können alle Reaktorenzu einem zirkulierenden System miteinanderverbunden werden.Strömungskanäle für CO 2Damit die Mikroalgen innerhalb des Reaktorsnicht absinken, wird das Kulturmedium durchDruckluft ständig in Bewegung gehalten.Hohe Strömungsgeschwindigkeiten an denInnenflächen verhindern, dass sich die Mikroalgenabsetzen oder faulen. Kontinuierlichwird zudem CO 2in den Reaktor eingebracht,um das Wachstum der Mikroalgen zu fördern.Drei parallel laufende, vertikale Innenstegesorgen dafür, dass sich das Gas gut im Reaktorverteilt. Sie bilden vier unabhängige Kanäle,durch die das CO 2eingebracht wird. Deutlichsieht man, wie das Gas durch die Kanäle zwischenden Stegen in die Höhe strömt und diegesamte Algenkultur in Bewegung bringt.Multipler EnergielieferantDamit aus der Bioreaktor-Fassade ein multiplerEnergielieferant wird, bedarf es weiterertechnischer Komponenten, die zusammengeführtund gesteuert werden müssen. Zunächstwerden die Bioreaktoren in Reihe geschaltet,damit das Algen-Kulturmedium zirkuliert. Inder Haustechnik-Zentrale können Biomasseund Wärme entnommen werden. Die gewonneneEnergie wird von der Energie-Management-Zentralegespeichert bzw. verteilt. WeitereKomponenten sind:WärmetauscherÜber Tag fungieren die Reaktoren wie solarthermischeAbsorber: Aufgrund des Lichteinfallsheizen sie sich auf. Im Haustechnikraumwird die Wärme über einen Wärmetauscherabgeleitet und anschließend gespeichertDBZ 9 | 2012 DBZ.de 69

Bautechnik | Bioreaktoren-Fassade als Energielieferant© KOS Wulff Immobilien GmbH/on3 Studio GmbH/Otto WulffBauunternehmung GmbH© Arup Deutschland GmbHDas erste Algenhaus der Welt im Hamburger Stadtteil Wilhelmsburg, das BIQ,verfügt über etwa 200 m² aktiven Fassadeanteil mit BioreaktorenMit zukunftsweisenden Raumkonzepten und dem visionären Energiekonzeptsollen im BIQ ab März 2013 Wohnvisionen Wirklichkeit werdenoder direkt für die Brauchwassererwärmunggenutzt.AlgenabscheiderDie beim Wachstum der Algen entstehendeBiomasse wird mit einem Algenabscheider„geerntet“, der Mikroalgen und Kulturmediumtrennt: Der Brei aus Algenbiomasse wandertin einen Sammelbehälter, das Kulturmediumzurück in den Kreislauf. Die Algenbiomassewird in einer Konversionsapparatur zuMethan (Biogas) umgewandelt.KonversionsanlageAuf dem Weg der hydrothermalen Konversion,physikalisch-chemische Konversion imUnterschied zur mikrobiellen Fermentation,wird die Algenmasse in Biogas umgewandelt.Dabei liegt die Effizienzquote bei 70 bis80 %. Das Biogas wird ins öffentliche Erdgasnetzeingespeist oder zur Betankung von Erdgas-Autosbzw. Blockheizkraftwerken genutzt.Zu- und AbluftleitungenFür die kontinuierliche Umwälzung des Kulturmediumsin den Bioreaktoren wird Druckluftzugeführt (Leitungsdurchmesser ca. 25 mm).Das funktioniert ganz ähnlich wie bei pneumatischvorgespannten Kissen aus ETFE-Folie,die mit Stützluft gefüllt sind.Energie-Management-ZentraleEine automatisierte Prozess- und Anlagenführungermöglicht die kontinuierliche Kultivierungder Algen, koppelt sie bei minimalemAufwand mit deren Ernte und Verwertung.Die hierfür benötigte zusätzliche Technikkann als „plug-in“ in standardisierte Haustechniklösungenintegriert werden. Die Wasserversorgungund die Entsorgung der Bioreaktorenerfolgt über das städtische FrischundAbwassersystem. Über die Energie-ManagementZentrale erfolgt auch die vertikaleund horizontale Ausrichtung der Bioreaktor-Fassade um die Produktion von Wärme undBiomasse, aber auch die FunktionalitätenWärme-, Hitze- und Lichtschutz sowie Schalldämmungzu steuern.Noch PilotprojektDie Bioreaktor-Fassade für das BIQ in Hamburg-Wilhelmsburgist noch ein Pilotprojekt.Im März 2013 wird das visionäre Projekt derÖffentlichkeit auf der IBA präsentiert.Für die Algenfassade werden insgesamt129 Reaktor-Fassadenelemente hergestellt.Die Vermarktung der Bioreaktoren-Fassadewird von Colt International übernommen.Das Unternehmen bringt Erfahrung auf demGebiet des Gebäudedesigns und der energieeffizientenFassadengestaltung mit Lamellensystemenmit. Anders als im BIQ, wo sieals feststehende Elemente integriert sind,werden Bioreaktoren zukünftig deshalb sokonstruiert, dass sie auch als Öffnungselementeeingesetzt werden können. Auf dieseWeise könnte man die gläsernen Reaktorenwie Lamelleneinheiten in Bewegung bringen:Mit einer entsprechenden Steuerung ließensie sich dem Sonnenstand nachführen, mitdem Erfolg, dass sich die Energieeffizienznochmals erhöht.Baustein für UmweltkommunikationDie Einsatzorte für die neue Bioreaktor-Fassadesind vielfältig. Zu ihnen gehören großflächigeIndustriebauten oder Gewerbehallen,Gebäude der öffentlichen Infrastruktur wieBahnhöfe oder Flughäfen, aber auch Siedlungsbauten,Gewerbeimmobilien, Hochhäuseroder auch Wohngebäude. Sie alle könnten zulebendigen Energiespendern umfunktioniertwerden. Das gilt übrigens nicht nur für Neubauten,auch bei Gebäudesanierungen könnenBioreaktoren als Fassadenelemente zum Einsatzkommen – zur Aufwertung des Gebäudedesignsund zugleich zur Optimierung derEnergiebilanz.Unternehmer, aber auch Privatleute habenmit dieser Innovation die Möglichkeit, ihren„Carbon Footprint“, also die individuell verursachteAusstoßmenge von CO 2, äußerstwirksam – und für alle sichtbar – zu verringern.Besonders für Industriebtriebe kann einImagevorteil generiert werden, denn derCO 2-Abbau ist gewissermaßen an der Fassade„ablesbar“. Das Bioreaktoren-Systemkönnte auf diese Weise zu einem lebendigenBaustein der Umweltkommunikation werden– und das mit Recht, denn die Energiebilanzkann sich sehen lassen.Bemerkenswerte EnergiebilanzDas BIQ in Hamburg-Wilhelmsburg verfügtüber etwa 200 m² Algenfassade. Bei einem Ertragvon 15 g getrockneter Biomasse pro m²/Tag kann bei der Umwandlung in Biogas einNettoenergiegewinn von ca. 4 500 kWh imJahr erzielt werden. Zum Vergleich: Eine vierköpfigeFamilie verbraucht in Deutschland imJahr ca. 4 000 kWh. Die Algenfassade könntedemnach den gesamten Haushalt der Familiemit nachweislich grünem Strom versorgen.Grüner geht‘s nicht!AutorDipl.-Ing. Ulrich Kremerarbeitet seit 1994 für dieColt International GmbH.Nach einem Einstieg alsProjekt- und Produktmanagerbaute er dasArchitectural SolutionBusiness mit auf. Seit2011 ist er als GroupTechnical Manager SolarShading Systems u.a.für die Steuerung vonProduktmanagementund Produktentwicklungzuständig.Informationen unter: www.biq-wilhelmsburg.de undwww.colt-info.de70DBZ 9 | 2012DBZ.de