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Bioreaktorfassaden

Gebäudeintegrierte Photobioreaktoren als Energieerzeugungssystem

Das Projekt "BIQ", das bis 2013 im Rahmen der IBA Hamburg entsteht, wird weltweit das erste Gebäude mit einer Bioreaktorfassade als Teil des regenerativen Energiekonzepts sein. In plattenförmigen, an den Fassaden angeordneten Glaselementen werden Mikroalgen gezüchtet, die durch Photosynthese und Solarthermie Biomasse und Wärme produzieren. Die dafür notwendige Technologie wurde seit 2007 von der SSC Strategic Science Consult GmbH zusammen mit deutschen Universitäten erforscht. Das Konzept für den Einsatz an der Fassade des Wohngebäudes in Hamburg wurde von der Arup Deutschland GmbH in Zusammenarbeit mit SPLITTERWERK, IMMOSOLAR und der SSC GmbH entwickelt. Seit 2010 arbeitet ein Industriekonsortium, das neben Arup und SSC die COLT International GmbH als Spezialist im Bereich Sonnenschutz und Klimatechnik einschließt, an der konkreten Produktentwicklung. Das Forschungsvorhaben wird von der Forschungsinitiative Zukunft BAU des Bundesministeriums für Verkehr, Bau und Stadtentwicklung gefördert.

Umwandlung von Sonnenlicht in Biomasse

Mikroalgen sind meist einzellige Organismen, die durch Photosynthese Biomasse aufbauen. Sie sind wesentlich effizienter in der Umwandlung von Lichtenergie in Biomasse als höhere Pflanzen, weil sie einzellig sind und jede dieser Zellen Photosynthese betreibt. Sie können sich bis zu einmal am Tag teilen und damit ihre Biomasse verdoppeln. Die Biomasse der Mikroalgen ist ein Energieträger. 1 g trockene Biomasse enthält etwa 23 kJ Energie, damit könnte man z.B. eine 75-Watt-Glühlampe für etwa 8 Minuten versorgen.

Mikroskopische Aufnahme von Mikroalgen (© SCC)

Bioreaktorfassade

Zur Vermehrung durch Zellteilung benötigen Algen Tageslicht, CO2 und Nährsalze. Der Bioreaktor weist einen Mehrscheibenaufbau ähnlich einer Isolierverglasung auf, der einen ca. 2 cm breiten Hohlkörper umschließt, der mit einer wässrigen Lösung gefüllt ist. Damit die Mikroalgen nicht absinken, wird das Kultivierungsmedium durch die Zuleitung von Druckluft kontinuierlich durchmischt und der Nährstoff CO2 als Gas hinzu geführt. Für eine optimale Beleuchtung werden die Reaktoren als Fassadenelemente angebracht, idealerweise lassen sie sich nach dem Sonnenstand ausrichten. Über den Lichteinfall heizen sich die Reaktoren tagsüber zusätzlich auf, ihre Funktionsweise entspricht der Solarthermie.

Diagramm zur Funktionsweise einer Bioreaktorfassade (©Arup GmbH)
Prototypen für die Fassadenintegration (© SSC)

Der Kreislauf wird über die Haustechnik geführt, wo an zentraler Stelle Biomasse und Wärme entnommen wird. Wärme wird über einen Wärmetauscher abgeleitet und durch einen Erdsole- bzw. PCM-Speicher gesammelt oder direkt für die Brauchwassererwarmung genutzt. Die beim Wachstum der Algen entstehende Biomasse wird über einen Algenabscheider geerntet und kann in einer Konversionsapparatur zu Methan-Biogas umgewandelt werden. Der gasförmige Brennstoff kann dann verschiedenen Verwertungswegen zugeführt werden, wie beispielsweise der Einspeisung ins öffentliche Erdgasnetz, dem Betanken von Erdgas-Autos oder der Nutzung in Blockheizkraftwerken. Er kann auch nahezu verlustfrei gespeichert werden.

Eine kontinuierliche Kultivierung mit minimalem Unterhaltsaufwand wird durch eine automatisierte Prozess- und Anlagenführung ermöglicht, der die Kultivierung der Alge mit deren Ernte und Verwertung koppelt und am Gebäudestandort realisiert. Die benötigte zusätzliche Haustechnik kann als "plug-in" in standardisierte Haustechniklösungen integriert werden. Die Wasserversorgung und -entsorgung der Bioreaktoren erfolgt direkt über das städtische Frisch- und Abwassersystem. Neben der Steuerung der Stoff- und Energieflüsse kann über die Energie-Management Zentrale auch die vertikale und horizontale Ausrichtung der Bioreaktorfassade erfolgen, um die Produktion von Wärme und Biomasse, aber auch die Funktionalitäten Wärme-, Hitze- und Lichtschutz sowie Schalldämmung zu steuern.

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