Grüne Bioreaktorfassaden – ein Erfolgskonzept?
Solarleaf, die Gebäudefassade aus Photobiokollektoren, kam erstmals bei dem Objekt BIQ im Rahmen der Bauausstellung Hamburg 2013 zum Einsatz und ist nun ein praxistaugliches Produkt geworden, das vor wenigen Wochen auch mit dem Jurypreis in der Kategorie Research des DETAIL Produktpreis 2015 ausgezeichnet wurde. Durch die hybride Funktionalität des Solarleafs werden in der Fassade verschiedene Prozesse zur regenerativen Energiegewinnung in einem nachhaltigen Kreislauf vereint: Solarthermie, Geothermie, Biomasseproduktion und -verwertung. Ein wesentlicher Bestandteil des Solarleafs ist ein fassadenintegriertes Microalgensystem, das sowohl Solarwärme als auch Biomasse durch Photosynthese zur Energieversorgung des Gebäudes gewinnt. „Grundsätzlich kann konstatiert werden, dass die Anlage entsprechend ihrer Konzeption funktioniert – im Laufe der vergangenen zwei Jahre wurden kontinuierlich Wärme und Biomasse produziert“, heißt es im Monitoringbericht.
Technische Ergebnisse
Die Monitoringphase wurden dazu genutzt, das System im Laufe des Betriebs kontinuierlich weiter zu optimieren. Die erzielten Wärmemengen übertrafen dabei die simulierten Erwartungen signifikant. Daraus resultierten zu gering dimensionierte Wärmetauscher, welche durch geeignetere ersetzt wurden. Nach dem Austausch konnte die Anlage energetisch deutlich effizienter betrieben werden. Ein weiteres technischen Problem, war Korrosion an den, innerhalb des Reaktors verbauten, Aluminiumdistanzrahmen aufgrund lokaler sehr hoher pH-Werte. Ein entsprechender Ersatz der Rahmen mit glasfaserverstärktem Kunststoff löste das Problem. Beide Aspekte hatten große Auswirkungen auf die energetische Effizienz der Anlage. Die zu gering dimensionierten Wärmetauscher führten zu einer unzureichenden Temperierung des Algenmediums mit negativen Auswirkungen hinsichtlich der Wärme- und Biomasseproduktion.
Die Monitoringphase wurden dazu genutzt, das System im Laufe des Betriebs kontinuierlich weiter zu optimieren. Die erzielten Wärmemengen übertrafen dabei die simulierten Erwartungen signifikant. Daraus resultierten zu gering dimensionierte Wärmetauscher, welche durch geeignetere ersetzt wurden. Nach dem Austausch konnte die Anlage energetisch deutlich effizienter betrieben werden. Ein weiteres technischen Problem, war Korrosion an den, innerhalb des Reaktors verbauten, Aluminiumdistanzrahmen aufgrund lokaler sehr hoher pH-Werte. Ein entsprechender Ersatz der Rahmen mit glasfaserverstärktem Kunststoff löste das Problem. Beide Aspekte hatten große Auswirkungen auf die energetische Effizienz der Anlage. Die zu gering dimensionierten Wärmetauscher führten zu einer unzureichenden Temperierung des Algenmediums mit negativen Auswirkungen hinsichtlich der Wärme- und Biomasseproduktion.
Energetische Effizienz
Die erzielten Erträge lagen unterhalb dessen, was aufgrund von Simulationen anzunehmen war. Die Gründe dafür liegen hauptsächlich in dem, im Rahmen des Monitorings, noch nicht erreichten Standardbetrieb. Aus der Gesamtbilanz geht hervor, dass der Energieertrag von Wärme und Biomasse im Bilanzzeitraum 2014 bei circa 26.000 kWh lag. Die Forscher gehen davon aus, dass der Elektroenergieaufwand durch Prozessoptimierungen noch deutlich reduziert werden kann. Die Konversionseffizienz von Sonnenlicht in Wärme liegt im Mittel bei 21 % unter den Erwartungen. Die ursprüngliche Simulation sah eine Effizienz von circa 38 % vor. Der Ertrag an Algenbiomasse lag bei über 600 kg pro Jahr. Der Energiegehalt der Biomasse von 4539 kWh entspricht einer energetischen Konversionseffizienz von 4,4 % im Verhältnis zur eingestrahlten Solarenergie. Ursprünglich war eine Rate von 10 % simuliert. Vor diesem Hintergrund ist in Zukunft von einer deutlich höheren und konstanten Konversionseffizienz auszugehen, wenn der Standardbetrieb erreicht wird. Nutzerakzeptanz
Aufgrund der energetischen Entkopplung der Wohnungen wurden Probleme mit dem Betrieb der Anlage im Bewohneralltag nur dann wahrgenommen werden, wenn es zu Vibrationen oder Geräuschentwicklungen, Glasbrüchen oder Leckagen kommt. Die Steuerung der Anlage hat für den Wohnalltag keine Bedeutung. So konnten direkte Zusammenhänge zwischen der Nutzerakzeptanz und der technischen Leistungsfähigkeit identifiziert werden. Die energetische Leistung spielt hingegen für die Nutzerakzeptanz eine untergeordnete Rolle. Aufgrund der kontinuierlichen Anwesenheit und Erreichbarkeit des Partners SSC wurden die Bedürfnisse der Nutzer schnell erkannt und konnten in der Regel unmittelbar behoben werden. Daraus resultierend war die Akzeptanz der Nutzer im Hinblick auf das Gesamtsystem BIQ außerordentlich hoch. Fazit und Ausblick
„Die technische Machbarkeit des Konzepts und die Funktionstüchtigkeit der Glasbioreaktoren durch die Pilotanlage konnte vollständig unter Beweis gestellt werden“, lautet das Ergebnis des Berichts. „Die Anlage weist netto eine positive Energiebilanz auf – sie produziert also mehr Energie, als sie verbraucht.“ Für eine Weiterentwicklung sei es notwendig, die Effizienz des weiter zu steigern, um die hohen Investitionskosten rechtfertigen zu können. Das Potenzial für die Weiterentwicklung liegt nicht ausschließlich in der Steigerung des Nettoenergieertrags, sondern auch in der Produktion von hoch qualitativer Biomasse als Ressource für die Nahrungsmittel- und Pharmaindustrie. Insbesondere eine Anwendung in großen Städten erscheint besonders aussichtsreich, da hier die Entwicklung hin zu einer dezentralen Wärmeproduktion zusammen mit einer Biomasseproduktion für die Ernährung zu erkennen ist. Durch eine Kopplung von Bioreaktorfassade mit dezentraler Abwasserreinigung, wie sie zZt. von SSC zusammen mit der TU Berlin entwickelt wird, könnte die Wirtschaftlichkeit der Technologie noch einmal deutlich gesteigert werden. Sobald die Systemreife der Technologie erreicht ist, stellt sich die Anschlussfrage in welchen Marktsegmenten eine ertragsoptimierte Technologie erfolgreich platziert werden soll, beispielsweise sind in “stadtunverträgliche” Infrastrukturen wie zum Beispiel Lärmschutzwände an Autobahnen oder großmaßstäbliche gewerbliche Einrichtungen wie Lagerhallen denkbar. Die Anlage im BIQ-Gebäude wird weiterhin intensiv als Demonstrations- und Forschungsanlage genutzt werden.
Die erzielten Erträge lagen unterhalb dessen, was aufgrund von Simulationen anzunehmen war. Die Gründe dafür liegen hauptsächlich in dem, im Rahmen des Monitorings, noch nicht erreichten Standardbetrieb. Aus der Gesamtbilanz geht hervor, dass der Energieertrag von Wärme und Biomasse im Bilanzzeitraum 2014 bei circa 26.000 kWh lag. Die Forscher gehen davon aus, dass der Elektroenergieaufwand durch Prozessoptimierungen noch deutlich reduziert werden kann. Die Konversionseffizienz von Sonnenlicht in Wärme liegt im Mittel bei 21 % unter den Erwartungen. Die ursprüngliche Simulation sah eine Effizienz von circa 38 % vor. Der Ertrag an Algenbiomasse lag bei über 600 kg pro Jahr. Der Energiegehalt der Biomasse von 4539 kWh entspricht einer energetischen Konversionseffizienz von 4,4 % im Verhältnis zur eingestrahlten Solarenergie. Ursprünglich war eine Rate von 10 % simuliert. Vor diesem Hintergrund ist in Zukunft von einer deutlich höheren und konstanten Konversionseffizienz auszugehen, wenn der Standardbetrieb erreicht wird. Nutzerakzeptanz
Aufgrund der energetischen Entkopplung der Wohnungen wurden Probleme mit dem Betrieb der Anlage im Bewohneralltag nur dann wahrgenommen werden, wenn es zu Vibrationen oder Geräuschentwicklungen, Glasbrüchen oder Leckagen kommt. Die Steuerung der Anlage hat für den Wohnalltag keine Bedeutung. So konnten direkte Zusammenhänge zwischen der Nutzerakzeptanz und der technischen Leistungsfähigkeit identifiziert werden. Die energetische Leistung spielt hingegen für die Nutzerakzeptanz eine untergeordnete Rolle. Aufgrund der kontinuierlichen Anwesenheit und Erreichbarkeit des Partners SSC wurden die Bedürfnisse der Nutzer schnell erkannt und konnten in der Regel unmittelbar behoben werden. Daraus resultierend war die Akzeptanz der Nutzer im Hinblick auf das Gesamtsystem BIQ außerordentlich hoch. Fazit und Ausblick
„Die technische Machbarkeit des Konzepts und die Funktionstüchtigkeit der Glasbioreaktoren durch die Pilotanlage konnte vollständig unter Beweis gestellt werden“, lautet das Ergebnis des Berichts. „Die Anlage weist netto eine positive Energiebilanz auf – sie produziert also mehr Energie, als sie verbraucht.“ Für eine Weiterentwicklung sei es notwendig, die Effizienz des weiter zu steigern, um die hohen Investitionskosten rechtfertigen zu können. Das Potenzial für die Weiterentwicklung liegt nicht ausschließlich in der Steigerung des Nettoenergieertrags, sondern auch in der Produktion von hoch qualitativer Biomasse als Ressource für die Nahrungsmittel- und Pharmaindustrie. Insbesondere eine Anwendung in großen Städten erscheint besonders aussichtsreich, da hier die Entwicklung hin zu einer dezentralen Wärmeproduktion zusammen mit einer Biomasseproduktion für die Ernährung zu erkennen ist. Durch eine Kopplung von Bioreaktorfassade mit dezentraler Abwasserreinigung, wie sie zZt. von SSC zusammen mit der TU Berlin entwickelt wird, könnte die Wirtschaftlichkeit der Technologie noch einmal deutlich gesteigert werden. Sobald die Systemreife der Technologie erreicht ist, stellt sich die Anschlussfrage in welchen Marktsegmenten eine ertragsoptimierte Technologie erfolgreich platziert werden soll, beispielsweise sind in “stadtunverträgliche” Infrastrukturen wie zum Beispiel Lärmschutzwände an Autobahnen oder großmaßstäbliche gewerbliche Einrichtungen wie Lagerhallen denkbar. Die Anlage im BIQ-Gebäude wird weiterhin intensiv als Demonstrations- und Forschungsanlage genutzt werden.
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