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Monitoring Fassadenkonstruktion aus Photobioreaktoren (PBR) des "BIQ", dem weltweit ersten Pilotprojekt auf der IBA 2013 in Hamburg mit Bezug auf Gebäudequalität, Nutzerinnenakzeptanz und Auswertung energetische Performance

Projektnummer

F20-12-1-067; 10.08.18.7-13.06

 

Laufzeit / Status

01.2013 - 07.2015 / abgeschlossen

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Projektdetails

Beteiligte

Arup Deutschland GmbH, Dr.-Ing. Jan Wurm, Joachimstaler Straße 41, 10623 Berlin

 

Cluster

Energieeffizienz und erneuerbare Energien im Gebäude- und Quartiersbereich

Projektbeschreibung

Der vorliegende Bericht diskutiert die Ergebnisse des zweijährigen Monitorings der Photobioreaktorfassade am BIQ-Gebäude in Hamburg, welches Ende April 2013 fertiggestellt wurde. Das Monitoring begann in direktem Anschluss im Mai 2013 und endete im Mai 2015. 

Diese weltweit bislang einzigartige Technologie wurde hinsichtlich ihrer technischen und energetischen Leistungsfähigkeit sowie etwaiger Korrelationen mit der Akzeptanz der Nutzer evaluiert und unter Leitung von Arup Deutschland zusammen mit den Konsortialpartnern Hafencity Universität, SSC und Colt International durchgeführt.

Grundsätzlich kann konstatiert werden, dass die Anlage entsprechend ihrer Konzeption funktioniert - im Laufe der vergangenen zwei Jahre wurden kontinuierlich Wärme und Biomasse produziert.

Vor dem Hintergrund, dass die Technologie innerhalb von nur 2 Jahren entwickelt und realisiert wurde, war anzunehmen, dass im Laufe des Betriebs zumutbare technische und energetische Anpassungen notwendig waren, um das System kontinuierlich weiter zu optimieren. Dies hatte jedoch keinerlei Auswirkungen auf die Akzeptanz der Nutzer sowie die überragende nationale und internationale Rezeption der Anlage am Forschungs- und Entwicklungsstandort Deutschland. Es ist der engen und sehr konstruktiven Zusammenarbeit des Konsortiums zu verdanken, dass bereits von Beginn des Monitorings an Probleme identifiziert und behoben werden konnten. 

Hervorzuhebende technische Probleme waren:

  • Die erzielten Wärmemengen übertrafen die simulierten signifikant. Daraus resultierten zu gering dimensionierte Wärmetauscher, welche Anfang 2015 durch geeignetere ersetzt wurden. Nach dem Austausch konnte die Anlage  energetisch deutlich effizienter betrieben werden.
  • Es entstand Korrosion an den innerhalb des Reaktors verbauten Aluminiumdistanzrahmen aufgrund unabsehbarer lokaler pH-Werte von bis zu 14. Dieses Problem wurde bereits im Sommer 2014 während einer Inspektion von zwei Reaktoren erkannt und im Rahmen des Konsortiums adressiert. Ein entsprechender Ersatz der Rahmen mit glasfaserverstärktem Kunststoff erfolgt im Lauf des Jahres 2015.
  • Es traten Glasbrüche an einigen Reaktoren während eines Reinigungsvorganges im Sommer 2014 auf. Die Bruchursache ist nicht mit der Reaktorkonstruktion assoziiert. Aufgrund der Sicherheitsarchitektur hatten die Brüche nur optische Auswirkungen. Die defekten Gläser wurden ausgetauscht.

Insbesondere die ersten beiden Punkte hatten signifikante Auswirkungen auf die energetische Effizienz der Anlage. Die zu gering dimensionierten Wärmetauscher führten zu einer unzureichenden Temperierung des Algenmediums mit negativen Auswirkungen hinsichtlich Wärme- und Biomasseproduktion.

Aus der Gesamtbilanz der Anlage geht hervor, dass der Energieertrag, also der kombinierte Ertrag aus Wärme und Biomasse, im Bilanzzeitraum vom 01. Jan. 2014 bis zum 31. Dez. 2014 bei 115.702 kWh lag. Der Anteil an dafür aufgewendeter Elektroenergie lag bei 13.471 kWh. Dieser Anteil wurde zum Teil durch erneuerbare Energie aus der Photovoltaikanlage gedeckt. Es ist davon auszugehen, dass der Elektroenergieaufwand durch Prozessoptimierungen noch deutlich reduziert werden kann.

Im Hinblick auf die aufgestellte Bilanz ist festzustellen, dass die Anlage nicht in allen Belangen entsprechend ihrer Konzeption betrieben wurde. Vielmehr wurden gerade im Hinblick auf die Verwendung von Wärme Anpassungen vom Betreiber vorgenommen, um einen möglichst wirtschaftlichen Betrieb zu gewährleisten.

Die Konversionseffizienz von Sonnenlicht in Wärme liegt im Mittel bei 21 % unter den Erwartungen. Die ursprüngliche Simulation sah eine Effizienz von circa 38 % vor. Es ist anzumerken, dass der Vergleich mit Solarthermieanlagen hierbei nicht zielführend ist, da das SolarLeaf System über zusätzliche Funktionen (Absorption von CO2, Biomasseproduktion etc.) verfügt. 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.

Im Hinblick auf die Akzeptanz der Nutzer wurde deutlich, dass aufgrund der energetischen Entkopplung der Wohnungen, 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.

Es ist festzustellen, dass die technische Machbarkeit des Konzepts und die Funktionstüchtigkeit der Glasbioreaktoren durch die Pilotanlage vollständig unter Beweis gestellt werden konnte. Allerdings wurde das Konzept der Anlage auch aus Kostengründen bei dem BIQ Pilotprojekt nicht vollständig umgesetzt (z.B. Wärmepumpen).

Die Anlage weist netto eine positive Energiebilanz auf - sie produziert also mehr Energie, als sie verbraucht. Für eine Weiterentwicklung ist es notwendig, die Effizienz weiter zu steigern, um die hohen Investitionskosten einer solchen Anlage rechtfertigen zu können. Das Potenzial für die Weiterentwicklung liegt jedoch nicht ausschließlich in der Steigerung des Nettoenergieertrags, sondern in der Produktion von hoch qualitativer Biomasse als Ressource für die Nahrungsmittel- und Pharmaindustrie.

Abschließend stellt die Tatsache, dass die weltweit erste Bioreaktorfassade erfolgreich umgesetzt wurde und die Funktionstüchtigkeit der haustechnischen Systeme unter Beweis gestellt werden konnte, einen großen Erfolg dar. Das Projekt hat im deutschsprachigen Raum aber vor allem auch international zu großer Anerkennung geführt.

Das Projekt BIQ ist Ausgangs- und Bezugspunkt für eine Reihe von internationalen Forschungs- und Entwicklungsprojekten, die seit der Inbetriebnahme bewilligt wurden. Das Projekt hat damit einen neuen Forschungsbereich geschaffen. Als Entwicklungskonsortium freuen wir uns, dass die Technologie auf breiter Ebene weiter erforscht und weiterentwickelt wird, um mittel- und langfristig kommerziell tragbare Systeme zu entwickeln. Das Projekt kann als weiterer Beleg für den Pioniergeist und die Innovationskraft des Wirtschafts- und Technologiestandortes Deutschland gesehen werden.

Schlagwörter

Algen, Biomasse, erneuerbare Energie, Solarthermie, dezentrale Energiegewinnung, dezentrale Abwasseraufbereitung

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