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Anwenderbericht

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Das Algenhaus – lebende Algen als Energielieferanten

Dezentrale Steuerungstechnik von Rockwell Automation vereint Haustechnik mit innovativen Bioreaktoren

Herausforderung

  • Die innovative Technologie der Algenzucht mit moderner Gebäudetechnologie vereinen

Lösungen

Ergebnisse

  • CompactLogix-Steuerung stellt vereinfachte Integration mithilfe von Programmiersoftware, Steuerungen und EA-Modulen sicher
  • Schnellere Entwicklung und geringere Kosten vor Inbetriebnahme
  • Vereinfachtes Programmieren durch Tag-Based Architektur
  • Echtzeit-Datenzugriff auf alle Prozesse dank der einfachen Grafik-Schnittstelle von FactoryTalk View – einfach zu überwachen und zu analysieren.
  • Die Software ermöglicht zudem eine schnelle Reaktion auf Störmeldungen und Alarme

Hintergrund

Das weltweit erste Gebäude mit Bioreaktorzellen an der Fassade wurde 2013 auf der Internationalen Bauausstellung (IBA) in Hamburg (Deutschland) vorgestellt.In der Bio-Gebäudehaut werden Mikroalgen gezüchtet, die durch Photosynthese und Solarthermie Biomasse und Wärme produzieren.Wesentliche Herausforderung bei diesem Projekt war es, Technologie zur Kultivierung von Mikroalgen mit moderner Haustechnik zu verbinden.Rockwell Automation lieferte dazu die Leittechnik, in die nicht nur alle technischen Systeme der Anlage integriert werden konnten, sondern die zudem über das gesamte Jahr einen vollautomatischen Betrieb ermöglicht.

Die IBA in Hamburg hatte folgendes Ziel:die Zukunft der Städte im 21. Jahrhundert zu gestalten.Als Teil der Bestrebung wurden mehrere Projekte entwickelt, die innovative und nachhaltige Antworten auf die Fragen von heute in puncto Städtebau lieferten.Das BIQ – so der Name der IBA für dieses energieautarke Gebäude – wurde 2013 im Stadtteil Wilhelmsburg in Hamburg vorgestellt. Dabei kommt weltweit erstmalig eine Bioreaktor-Fassade zum Einsatz: In plattenförmigen Glaselementen werden Mikroalgen gezüchtet, die durch Photosynthese und Solarthermie Biomasse und Wärme produzieren.Diese Wärme steht dem Haus dann als Heizenergie durch Wärmetauscher direkt zur Verfügung.Die Algen werden regelmäßig abgeerntet und dienen als Rohstoff für die Erzeugung von Biogas.Die grünen Fassadenelemente prägen das Gebäude nicht nur optisch, sondern sind auch namensgebend für das sogenannte Algenhaus.

Das Algenhaus ist ein kubisches, fünfgeschossiges Passivhaus mit 15 Wohneinheiten.Es ging aus einem IBA-Architekturwettbewerb hervor, bei dem sich das Team Splitterwerk aus Graz mit seinem Entwurf durchgesetzt hat.Das Fassadensystem wurde gemeinsam von den Firmen SSC Strategic Science Consult GmbH, Arup Deutschland GmbH und Colt International GmbH entwickelt.Die dabei eingesetzte Mess- und Prozesstechnik kam von Endress+Hauser, die bei der Automatisierung auf die Produkte und Lösungen des strategischen Allianzpartners Rockwell Automation zurückgriffen.

Herausforderung

Kernstück des Energiesystems ist die 200 Quadratmeter große Bioreaktor-Fassade.Sie besteht aus 2,6 Meter hohen, 70 Zentimeter breiten und etwa 2 Zentimeter dicken Glastanks, die ein Fassungsvermögen von rund 24 Liter haben.Sie werden mit einem mit Nährsalzen angereichertem Kulturmedium befüllt und bieten so den Mikroalgen optimale Wachstumsbedingungen.Druckluft hält die Algen ständig in Bewegung, zudem wird kontinuierlich CO2 in den Reaktor eingebracht, um das Wachstum der Mikroalgen weiter zu fördern.Das CO2 stammt dabei aus einer Gastherme.Das nicht von den Algen verbrauchte Sonnenlicht erwärmt zusätzlich die Reaktorflüssigkeitund wird wie in einer solarthermischen Anlage in einer Energiezentrale ausgekoppelt und zu Heizzwecken genutzt.

Dr. Martin Kerner, Managing Director der SSC Strategic Science Consult GmbH:„Die Herausforderung bei diesem Pionierprojekt besteht darin, innovative Technologie zur Kultivierung von Mikroalgen mit moderner Haustechnik zu verbinden.Nur so wird es möglich, die verschiedenen Funktionen einer Mikroalgenfassade wie Wärme- und Biomasseproduktion, aber auch Schall- und Lichtschutz für das Gebäude nutzbar zu machen.Im Algenhaus ist uns dies weltweit zum ersten Mal gelungen.“

Lösung

Eine wesentliche Rolle dabei spielt die Automatisierungstechnik, mit der die Anlage über das gesamte Jahr vollautomatisch betrieben werden kann.Eine Allen-Bradley CompactLogix™-Steuerung von Rockwell Automation stellt das Kernstück des Automatisierungssystems dar. Sie ermöglicht eine nahtlose Integration von Programmiersoftware, Steuerung und E/A-Module, wodurch die Entwicklungszeit und die Kosten für Inbetriebnahme und Betrieb reduziert werden.

Zum anderen sind auch die Geräte der Haustechnik wie Wärmetauscher, Algenabscheider oder die Konversionsanlage, die die abgeschiedene Biomasse in Biogas umwandelt, an die CompactLogix-Steuerung angeschlossen.Die speicherprogrammierbare Steuerung steuert auch sämtliche Pumpen, mit denen die Reaktormodule der Sonne nachgeführt werden. Die dezentralen E/A-Module werden über EtherNet/IP an die Steuerung angeschlossen, sodass über sämtliche Etagen des Algenhauses ein dezentrales Steuerungskonzept realisiert werden konnte.Dies ermöglicht eine stabile Vernetzung in Echtzeit und eine diskrete Hochgeschwindigkeitssteuerung.Im Gegensatz zu anderen Netzwerken, bei denen kontinuierlich das Netzwerkdesign geändert wird, um den Anforderungen industrieller Anwendungen nachzukommen, gewährleistet EtherNet/IP eine hohe Nutzbarkeit und Konstanz des gesamten Systems und ermöglicht so mehr Echtzeitfunktionen.

Bedient wird das gesamte System von einem Mitarbeiter der SSC Strategic Science Consult GmbH über die Rockwell Software FactoryTalk® View-Visualisierungs-Software.Dank komfortabler Grafikfunktionen erhält der Bediener eine realistische Darstellung aller Prozesse. So kann die gesamte Anlage leicht überwacht und Abläufe analysiert werden.Die Software ermöglicht zudem eine schnelle Reaktion auf Störmeldungen und Alarme.Bei Bedarf kann über die Visualisierungs-Software auch direkt in die Prozesse eingegriffen werden, indem vorher definierte Steuerungs- und Regelparameter geändert werden.FactoryTalk View damit ein wesentliches Element für den störungsfreien Betrieb der Bioreaktoren.

Mehrere Messgeräte von Endress+Hauser – wie Durchflussmessgeräte und Analysemessinstrumente – sind an die Allen-Bradley-Steuerung angeschlossen.Diese kontrollieren nicht nur den Füllstand in den Reaktormodulen, sondern auch den pH-Wert oder Sauerstoff- und Nitratgehalt in dem Kulturmedium.Über ein Prozessphotometer wird der Erntezeitpunkt der Algen bestimmt, sodass auch die Entnahme der Biomasse automatisch gesteuert werden kann.

Um die Anlage, die zunächst als Prototyp dient, für einen weltweiten Einsatz vorzubereiten, hat Rockwell Automation vier verschiedene Programmiersprachen implementiert.Je nach Background des Fachpersonals vor Ort kann das System mit Ladder, Structured Text, Funktionsplan oder Sequential Function Chart programmiert werden.Zudem vereinfacht die Tag-basierte Architektur des Steuerungssystems die Programmierung.

Mit dem Algenhaus kann erstmals ein dezentrales System zur Versorgung von Gebäuden mit Wärme und Strom getestet werden, das zudem energetisch hochwertige Biomasse bereitstellt.Gleichzeitig reduziert es das klimaschädliche Gas CO2.Produktions- und Leistungsdaten werden im Rahmen eines 2-jährigen Monitoringprojektes von der SSC GmbH erarbeitet. Gleichzeitig erfasst in diesem Projekt die Hafen-City-Universität die Akzeptanz der neuen Technologie.

„Ziel dieser genauen Analyse und Auswertung der Daten ist es, diese Technologie in Zukunft auch in größere Anlagen implementieren zu können und damit energieeffizient und ökologische Bauweisen zu ermöglichen“, so Dr. Kerner von der SSC Strategic Science Consult GmbH.

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