Bioreaktoren-Fassade als Energielieferant

In Hamburg entsteht zurzeit ein weltweit einzigartiges Haus, das sich selbst mit Energie versorgt: BIQ. In einer Fassade aus Bioreaktoren werden Mikroalgen gezüchtet. Diese werden regelmäßig abgeerntet und in Biogas umgewandelt. Die grün schimmernde Bio-Gebäudehaut ist das Herzstück eines nachhaltigen regenerativen Energiekonzeptes, das von drei Partnern entwickelt wurde: SSC Strategic Science Consult GmbH (Verfahrenstechnik und Prozessführung), Arup Deutschland GmbH (Projektkoordination, Konzeption und Engineering) und Colt International (Design und System- und Komponentenfertigung). Experten sind sich schon jetzt einig, dass mit BIQ ein großer Schritt in die Zukunft nachhaltigen Bauens vollzogen wird.

Das Algenhaus BIQ, das zur Internationalen Bauausstellung (IBA) 2013 in Wilhelmsburg bei Hamburg fertig gestellt sein soll, sorgt für Wirbel in der Baufachwelt. Es ist weltweit das erste Gebäude mit einer Bioreaktor-Fassade: In plattenförmigen an Südwest- und Südostfassade angeordneten Glaselementen werden Mikroalgen gezüchtet, die durch Photosynthese und Solarthermie Biomasse und Wärme produzieren. Gleichzeitig ermöglicht die grüne Fassade neue Perspektiven in der Lichtsteuerung und Beschattung. Das BIQ – das von Splitterwerk Architekten aus Graz geplant wurde - ist eines von mehreren „Smart Material“-Häusern auf der IBA – als „Smart Materials“ bezeichnet man Materialien, die sich im Unterschied zu herkömmlichen Baustoffen nicht statisch, sondern dynamisch verhalten.

Dynamische Organismen

Bei den Mikroalgen, die im Innern der Bioreaktoren gezüchtet werden, handelt es sich in der Tat um äußerst dynamische Organismen. Die Einzeller nutzen das Sonnenlicht für ihr Wachstum und wandeln im Zuge der Photosynthese CO2 sowie Nährsalze um in die so genannte Biomasse, die später als Rohstoff für die Erzeugung von Biogas als Energiequelle für ganz unterschiedliche Bedarfe unserer Gesellschaft dient.

Dabei sind Mikroalgen effizienter in der Umwandlung von Lichtenergie in Biomasse als andere Pflanzen, denn sie teilen sich bis zu einmal am Tag und verdoppeln damit ihre Biomasse. Ein Gramm trockene Biomasse enthält etwa 23 kJ Energie.

Mit der Frage, wie man Mikroalgen im großen Stil kultivieren kann, beschäftigt sich schon seit 2008 die SSC Strategic Science Consult GmbH. Sie brachte das interdisziplinäre Forschungs- und Entwicklungsprojekt TERM (kurz für Technologien zur Erschließung der Ressource Mikroalgen) an den Start. In Zusammenarbeit mit verschiedenen Hochschulen und Universitäten aus Norddeutschland wurden in einer Pilotanlage in Hamburg Reitbrook die Voraussetzungen geschaffen, um die Mikroalgentechnologie im Fassadenbereich einsetzen zu können.

Geschlossene Hohlkörper

Colt International übernahm im Team der Produktentwickler die Aufgabe, die eigentlichen Bioreaktoren zu konstruieren, also die transparenten, plattenförmigen Hohlkörper, die als Behälter für die Algenkulturen dienen. Die Hohlkörper mussten sowohl funktionale Eigenschaften aufweisen als auch ästhetische Ansprüche erfüllen, denn zur größtmöglichen Ausnutzung des Sonnenlichts befinden sich die Reaktoren ja an der Gebäudeaußenseite und bilden somit zum einen das Gesicht des Gebäudes von außen betrachtet – von innen liegen sie direkt im Blickfeld der Gebäudenutzer.

Die Ingenieure von Colt International konstruierten einen Rahmen aus Aluminium, der zwei durch ein Distanzprofil getrennte Glasscheiben hält, die ihrerseits den Raum für die Algenkulturen bilden. Die Rahmenprofile sind so beschaffen, dass sie die Spannkraft aushalten, die nötig ist, um die beiden Glasscheiben sicher und dicht zusammenzuhalten.

Die Reaktoren sind 2,60 Meter hoch, 70 Zentimeter breit und etwa zwei Zentimeter dick. Der Hohlraum fasst etwa 24 Liter – Raum für das mit Nährsalzen angereicherte „Kulturmedium“, in dem die Algen angesiedelt werden. Jeder Bioreaktor hat einen Zu- und einen Ablauf – auf diese Weise können alle Reaktoren miteinander verbunden werden zu einem zirkulierenden System.

Strömungskanäle für CO2

Damit die Mikroalgen innerhalb des Reaktors nicht absinken, wird das Kulturmedium mittels Druckluft ständig in Bewegung gehalten. Die hohen Strömungsgeschwindigkeiten an den Innenflächen des Bioreaktors verhindern, dass sich die Mikroalgen absetzen oder faulen.

Kontinuierlich wird zudem CO2 in den Reaktor eingebracht, um das Wachstum der Mikroalgen zu fördern. Damit sich das Gas gut im Reaktor verteilt, wurden im Innenraum jeweils drei parallel laufende vertikale Stege angebracht. Sie bilden vier voneinander getrennte Kanäle, durch die das CO2 weit in den Innenraum des Reaktors eingebracht werden kann. Diese Stege geben dem Reaktorkörper außerdem eine markante Optik. Deutlich sieht man, wie das Gas durch die Kanäle zwischen den Stegen in die Höhe strömt und die gesamte Algenkultur in Bewegung bringt.

Noch Pilotprojekt

Die Bioreaktor-Fassade für das BIQ in Hamburg-Wilhelmsburg ist noch ein Pilotprojekt. Colt International wird für die Algenfassade insgesamt 129 Reaktor-Fassadenelemente herstellen – im März 2013 auf der IBA wird das visionäre Projekt der Öffentlichkeit präsentiert. Die Vermarktung der Bioreaktoren-Fassade wird schließlich Colt International übernehmen. Das Unternehmen bringt jahrzehntelange Erfahrung auf dem Gebiet des Gebäudedesigns und der energieeffizienten Fassadengestaltung mit Lamellensystemen mit.

Deshalb konstruierte Colt International die Bioreaktoren so, dass sie – anders als im BIQ, wo sie als feststehende Elemente integriert werden – auch als Öffnungselemente eingesetzt werden können. Auf diese Weise könnte man die gläsernen Reaktoren wie Lamelleneinheiten in Bewegung bringen: Mit einer entsprechenden Steuerung ließen sie sich dem Sonnenstand nachführen mit dem Erfolg, dass sich die Energieeffizienz nochmals erhöht.

Baustein für Umweltkommunikation

Die Einsatzorte für die neue Bioreaktor-Fassade sind vielfältig. Zu ihnen gehören großflächige Industriebauten oder Gewerbehallen, Gebäude der öffentlichen Infrastruktur wie Bahnhöfe oder Flughäfen, aber auch Siedlungsbauten, Gewerbeimmobilien, Hochhäuser oder auch Wohngebäude. Sie alle könnten zu lebendigen Energiespendern umfunktioniert werden. Das gilt übrigens nicht nur für Neubauten, auch bei Gebäudesanierungen können Bioreaktoren als Fassadenelemente zum Einsatz kommen – zur Aufwertung des Gebäudedesigns und zugleich zur Optimierung der Energiebilanz.

Unternehmer, aber auch Privatleute haben mit dieser Innovation die Möglichkeit, ihren „Carbon Footprint“, also die individuell verursachte Ausstoßmenge von CO2, äußerst wirksam – und für alle sichtbar – zu verringern. Besonders für Industriebtriebe kann ein Imagevorteil generiert werden, denn der CO2-Abbau ist gewissermaßen an der Fassade „ablesbar“. Das Bioreaktoren-System wird auf diese Weise zu einem lebendigen Baustein der Umweltkommunikation – und das mit Recht, denn die Energiebilanz kann sich sehen lassen.

Bemerkenswerte Energiebilanz

Das BIQ in Hamburg-Wilhelmsburg beispielsweise verfügt über etwa 200 Quadratmeter Algenfassade. Bei einem Ertrag von 15 Gramm getrockneter Biomasse pro Quadratmeter und Tag kann bei der Umwandlung in Biogas ein Nettoenergiegewinn von ca. 4.500 Kilowattstunden pro Jahr erzielt werden. Zum Vergleich: Eine vierköpfige Familie verbraucht in Deutschland im Jahr ca. 4.000 Kilowattstunden. Die Algenfassade könnte demnach den gesamten Haushalt der Familie mit nachweislich grünem Strom versorgen.

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