SolarLeaf die bioreaktive Fassade

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1 SolarLeaf die bioreaktive Fassade J. Wurm 1 SolarLeaf die bioreaktive Fassade Solarleaf the bio-reactive façade Solarleaf La façade bioréactive Jan Wurm Arup Deutschland GmbH DE-Berlin

2 2 SolarLeaf die bioreaktive Fassade J. Wurm 19. Internationales Holzbau-Forum 2013

3 SolarLeaf die bioreaktive Fassade J. Wurm 3 SolarLeaf die bioreaktive Fassade Abstract Im März 2013 wurde auf dem Gelände der IBA in Hamburg-Wilhelmsburg das vierstöckige Wohnhaus BIQ als Pilotprojekt fertiggestellt, das erstmals eine Fassade aufweist, bei dem in transparenten Behältern, sogenannten Photobioreaktoren (PBR), Mikroalgen kultiviert werden, die die Erzeugung erneuerbarer Energie in Form von Biomasse und Wärme ermöglichen. Das Fassadensystem SolarLeaf wurde in enger Kooperation zwischen Arup Deutschland, SSC und Colt International entwickelt und von der Forschungsinitiative ZukunftBau gefördert. Abbildung 1: Pilotprojekt BIQ auf der IBA Hamburg 2013 weltweit erste Anwendung des SolarLeaf Fassadensystems 1. Hintergrund 1.1. Biomasse gespeicherte Sonnenenergie Biomasse ist gespeicherte Sonnenenergie und besitzt als Brennstoff den großen Vorteil der nahezu verlustfreien Speicherung. Die Bioenergie stellt mit einem Anteil von 8% den größten Anteil erneuerbarer Energien mit Bezug zu Gesamtendenergieverbrauch in Deutschland dar. Biomasse sehr flexibel im Bereich Stromerzeugung, Wärmebereitstellung und Kraftstofferzeugung einsetzbar. Die energetische Verwertung von Biomasse ist CO 2 -neutral, da bei der Verbrennung der Anteil von Kohlendioxid an die Atmosphäre abgegeben wird, der beim Aufbau der Biomasse zuvor absorbiert worden war.

4 4 SolarLeaf die bioreaktive Fassade J. Wurm 19. Internationales Holzbau-Forum Mikroalgentechnologie und Photobioreaktoren Mikroalgen sind winzige, ca. fünf Mikrometer große, meist einzellige Organismen. Wie andere Pflanzen nutzen Mikroalgen das Sonnenlicht als Energiequelle, um daraus zusammen mit CO 2 und Nährstoffen durch den photosynthetischen Prozess die sogenannte Biomasse aufzubauen. Mikroalgen sind wesentlich effizienter in der Umwandlung von Lichtenergie in Biomasse als höhere Pflanzen, da sie einzellig sind und jede einzelne Zelle Photosynthese betreibt. Im Gegensatz zum Anbau von Energiepflanzen wie Mais erfolgt bei der Zucht von Mikroalgen keine zusätzliche Landnahme, die in Konkurrenz zu der Kultivierung von Nahrungspflanzen stehen würde. Mikroalgen können in Photobioreaktoren (PBR) kultiviert werden. Dies sind geschlossene, lichtdurchlässige mit einem Kulturmedium gefüllte Hohlkörper, die auch dort installiert werden können, wo es sonst zu trocken oder karg ist also mitten in der Großstadt. Abbildung 2: Blick durch den Kopfbereich eines Bioreaktors die Turbulenzen werden durch periodisch eingeleitete Luftblasen erzeugt, um alle Mikroalgen gleichmäßig mit Licht zu versorgen Der Weg zum Pilotprojekt Das Team SPLITTERWERK gewann 2010 einen ersten Preis im Realisierungswettbewerb für ein Smart Material House auf der IBA Hamburg Besonderes Merkmal war die in Zusammenarbeit mit Arup konzipierte und von Arup geplante Bioreaktorfassade von über 200 m². Das während des Wettbewerbs als The Smart Treefrog bezeichnete Gebäude, wurde später von dem Investor Otto Wulff im BIQ umbenannt. Die Firmen Arup, Strategic Science Consult (SSC) und Colt International entwickelten nach dem Wettbewerb in einem Forschungsprojekt, das von Mitteln der Forschungsinitiative ZukunftBau des Bundes mitgetragen wurde, zwischen 2010 und 2012 eine Systemlösung für Fassaden aus nachgeführten Flatpanel-Photobioreaktoren, die nun unter dem Namen SolarLeaf vermarktet wird. Parallel entwickelte Arup das Energie- und Haustechnikkonzept für die Integration der Technologie am BIQ. Das Pilotprojekt wurde im März 2013 termingerecht fertiggestellt und das System in Betrieb genommen. Seitdem ist das Industriekonsortium mit einem zweijährigen Monitoring beauftragt, bei dem neben der Energiebilanz und der technischen Leistungsfähigkeit auch die Nutzerakzeptanz der Bewohner fortlaufend untersucht und ausgewertet werden.

5 SolarLeaf die bioreaktive Fassade J. Wurm Stand der Technik Der im Rahmen des Pilotprojektes TERM von SSC in Hamburg entwickelte Konvektionsreaktor ermöglicht unter den klimatischen Bedingungen Nordeuropas einen Freiland- Ganzjahresbetrieb und erzielt dabei wesentlich höhere Produktionsraten als andere Reaktorsysteme. Durch periodisch am Reaktorfuß eingeleitete Druckluft werden Turbulenzen im Reaktorraum erzeugt, die sicherstellt, dass alle Algen im Medium ausreichend und gleichmäßig mit Tageslicht versorgt werden. Der Wirkungsgrad in Bezug auf die Umwandlung der Sonnenenergie in Biomasse entspricht ca. 10%. Durch eine automatisierte Prozess- und Anlagenführung kann eine kontinuierliche Kultivierung mit geringem Unterhaltsaufwand gewährleistet werden. Die Wärmeerzeugung durch den solarthermischen Effekt entspricht nach ersten Messungen einem Wirkungsgrad von über ca. 50%. 2. Fassadenintegration 2.1. Potentiale Aus der Funktionsweise der PBR ergeben sich folgende Potentiale für eine Kultivierung von Mikroalgen in Bioreaktorfassaden an Gebäuden: Rauchgas und CO 2 Emissionen können direkt vor Ort über die Biomasse gebunden werden Die Biomasse kann vor Ort in Methan (Biogas) als erneuerbare Energiequelle konvertiert werden (hydrothermale Konversion) Wie bei einem Solarkollektor wird Wärme gewonnen, die mithilfe von Wärmetauscher, Wärmepumpe und -speicher am Gebäude genutzt werden kann Als multifunktionales Fassadenelement können die PBR dem Lichtschutz, Wärme-/ Kälteschutz und Schallschutz dienen Abbildung 3: Gebäudeintegrierte Bioreaktoren im Erdgeschoss des BIQ, Hamburg die Bioreaktoren sind ca m hoch und 70 cm breit Rahmenbedingungen Die Photobioreaktoren des SolarLeaf Systems sind in geschosshohen Vertikallamellen von ca. 70 cm Breite integriert; die in einem umlaufenden Aluminiumrahmen gefassten und drehbar gelagerten Elemente sind ca. 8 cm breit.

6 6 SolarLeaf die bioreaktive Fassade J. Wurm 19. Internationales Holzbau-Forum 2013 Für eine optimale Belichtung werden die Reaktoren an der Außenseite des Gebäudes mit Südwest- bis Südostorientierung angebracht. Eine übergeordnete Bedeutung kommt dem Trägersystem zu, mit dem die PBR an der Fassade befestigt, ausgerichtet und gegebenenfalls nachgeführt werden können. Der Kreislauf wird geschossweise über den zentralen Haustechnikraum geführt, wo Biomasse und Wärme entnommen und gespeichert bzw. verteilt werden. Die beim Wachstum der Algen entstehende Biomasse wird über einen Algenabscheider geerntet. Die Wasserversorgung und -entsorgung der Bioreaktoren erfolgt über das städtische Frisch- und Abwassersystem. Eine automatisierte Prozess- und Anlagenführung ermöglicht bei minimalem Unterhaltsaufwand die kontinuierliche Kultivierung. Zurzeit werden verschiedene Verwertungsszenarien verfolgt. Neben der energetischen Verwertung in einer externen Biogasanlage ist die Nutzung durch die pharmazeutische Industrie und die Nahrungsmittelindustrie aufgrund der in den Algen enthaltenen Wertstoffe und der in Europa steigenden Nachfrage für Mikroalgenprodukte besonders erfolgsversprechend. Die Temperatur in den PBR wird im Sommer immer unter 40 C und im Winter über 5 C Grad gehalten. Im Sommer wird die überschüssige Wärme über Wärmetauscher abgeführt und anschließend gespeichert (Pufferspeicher oder Verbringung in die Erdsonden bzw. dem Energieverbund Wilhelmsburg Mitte) und/oder direkt für die Heizwärmeversorgung bzw. Warmwassererwärmung genutzt. Abbildung 4: Diagramm, das die Integration der Bioreaktorfassade mit dem Haustechniksystem des BIQ zeigt die Wärme, die solarthermisch von den Bioreaktoren erzeugt wird, wird durch Wärmetauscher entnommen und kann über Wärmepumpen zur Brauchwassererwärmung oder Raumheizung verwendet werden Monitoring Seit der Fertigstellung des Pilotprojekets BIQ betreiben Arup mit SSC, Colt und der HafenCity Universität ein von der Forschungsinitiative ZukuftBau geförderten Monitoringprojektes. Das technische Monitoring hat bereits zu wesentlichen Verbesserungen bei der Energieeffizienz in erster Linie durch den Austausch von verbrauchsintensiven Haustechnikkomponenten geführt. Die Wärmeerträge lagen während der Sommerperiode fast 50% über den simulierten Erträgen. Eine gesicherte Datengrundlage wird nach Ablauf der ersten Heizperiode im Winter 2013/14 erwartet.

7 SolarLeaf die bioreaktive Fassade J. Wurm 7 3. Ausblick Photobioreaktoren können als Weiterentwicklung solarthermischer Komponenten eine Ergänzung zur gebäudeintegrierten PV insbesondere bei der Umsetzung von Co 2 neutralen Quartiersprojekten darstellen. Der Nutzen der Fassade besteht in der Erzeugung von Biomasse und Wärme für die energetische Verwertung, dem Abbau von CO 2 und der Regulierung des Strahlungsdurchgangs. Es bieten sich verschiedene Einbausituationen in Dach und Fassade an, die zurzeit im Rahmen von aktuellen Forschungsprojekten simuliert und bewertet werden. Zusätzlich eröffnet eine Integration des Systems in den städtischen Wasserkreislauf eine zusätzliche Synergie in Bezug auf die Vorreinigung des Abwassers durch die Aufnahme und Umwandlung von Nährstoffen. Das System kann sich zukünftig zu einer Schlüsseltechnologie für CO 2 neutrale Siedlungen und Stadtteile entwickeln. Wichtig ist das System frühzeitig in der Planung zu berücksichtigen und zu untersuchen, wie die Stoff- und Massenströme möglichst effektiv vor Ort eingebunden und vernetzt werden können. Die Versorgung mit Rauchgas, die bedarfsgerechte Produktion und Speicherung von Biomasse und Wärme, bis hin zu der Aufbereitung von Gauwasser durch die Photobioreaktoren bedarf einer disziplinübergreifenden Betrachtung auf Quartiersebene, um alle Synergieeffekte nutzen zu können. Abbildung 5: Artwork aus dem Bericht von Arup Foresight It s alive can you imagine the urban building of the future? ( Rob House)