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조류 하우스: 파사드의 살아 있는 조류에서 에너지 생산

로크웰 오토메이션 원격 제어 기술로 건축 기술과 혁신적인 생물 반응기 연결

Wyzwanie

  • 조류 재배에 사용되는 혁신적인 기술과 현대 건축 기술의 결합

Rozwiązania

Wyniki

  • CompactLogix 컨트롤러로 프로그래밍 소프트웨어, 컨트롤러 및 I/O 모듈 간의 완전 통합 제공
  • 초기 개발 시간 단축, 시운전 및 운영 비용 절감
  • 제어 시스템의 태그 기반 아키텍처를 통한 프로그래밍 프로세스 간소화
  • FactoryTalk View의 사용하기 쉬운 그래픽 기능으로 모든 프로세스를 정확히 보고 손쉽게 시스템을 모니터링하고 프로세스를 분석
  • 소프트웨어를 통해 오류 경보와 알람에 신속한 대응 가능

배경

2013년 독일 함부르크의 Internationale Bauausstellung(IBA)에서 생물 반응기 파사드를 장착한 세계 최초의 건축물이 공개되었습니다.미세조류는 건축물 표면에서 자라면서 광합성과 태양 에너지를 이용하여 바이오매스와 열을 생성합니다.이 프로젝트의 최대 과제는 미세조류 배양에 필요한 기술과 현대 건축 기술을 연결하는 것이었습니다.로크웰 오토메이션은 일년 내내 자동 운전을 실현하는 동시에 모든 개별 기술을 하나의 시스템으로 통합하는 제어 요소를 제공했습니다.

함부르크에서 열린 IBA의 목표는21세기 도시의 미래를 구상하는 것이었습니다.이러한 야심 찬 목표에 따라 IBA는 도시 개발 관련 문제에 대해 혁신적이고 지속 가능한 답을 제공한 여러 프로젝트를 개발했습니다.IBA는 2013년 함부르크의 빌헬름스부르크 지역에 있는 BIQ(IBA에서 에너지를 자급자족하는 건축물에 붙인 이름)를 발표했습니다. 이 건물에는 세계 최초의 생물 반응기 파사드가 장착되었는데, 그 안에 있는 판유리 탱크에서 미세조류가 자라면서 태양 에너지와 광합성을 이용하여 바이오매스와 형을 생성합니다.생성된 온기는 열 교환기로 들어가서 건물 난방에 사용할 수 있습니다.조류는 정기적으로 배양되어 바이오가스 생성의 원재료로 사용됩니다.그린 파사드 요소로 인해 독특한 외형을 갖게 된 이 건물에는 조류 하우스(The Algae House)라는 별명이 붙었습니다.

조류 하우스는 큐브 모양의 5층 패시브 건물로, 15개의 개별 공간으로 구성됩니다.설계는 오스트리아 그라츠의 건축 사무소인 Splitterwerk가 맡았는데, 이 업체의 개념은 IBA가 주최한 건축 경연에서 수상했습니다.파사드 시스템은 SSC Strategic Science Consult GmbH, Arup Deutschland GmbH, Colt International GmbH가 합작하여 개발했습니다.이 업체들은 Strategic Alliance 파트너인 Endress+Hauser의 계측 및 프로세스 기술과 원활하게 통합되는 로크웰 오토메이션의 자동화 제품 및 솔루션을 사용했습니다.

과제

200제곱미터의 면적을 점유하는 생물 반응기 파사드는 이 에너지 시스템의 핵심입니다.파사드는 높이 2.6m, 너비 70cm, 두께 약 2cm의 유리 탱크로 만들어졌으며 용량은 약 24리터입니다.탱크는 미세조류 성장에 최적 조건인 영양염류가 풍부한 배양액으로 채워집니다.압축 공기는 조류가 계속 움직이게 하고 CO2가 지속적으로 반응기로 들어가서 성장을 촉진하도록 합니다.CO2는 가스 보일러를 통해 제공됩니다.조류에 사용되지 않는 햇빛 또한 반응기 액체를 데웁니다.태양 에너지 시스템의 경우와 마찬가지로, 이 온기는 에너지 장치로 따로 가져와 건물을 난방하는 데 사용됩니다.

SSC Strategic Science Consult GmbH의 상무이사 Martin Kerner 박사는"이 선구적인 프로젝트의 최대 과제는 조류 배양에 사용된 혁신적인 기술과 현대 건축 기술을 결합하는 것이었습니다.방음과 빛 차단을 확보하면서 난방 및 바이오매스 생산 등 미세 조류 파사드의 다양한 기능을 구현하려면 두 기술을 결합하는 것이 유일한 방법이었습니다.조류 하우스를 이용하여 이 분야에서 세계 최초로 그 목표를 달성했다"고 말했습니다

솔루션

자동화 기술은 전체 시스템에서 중요한 부분으로, 시스템이 일년 내내 자동으로 실행되도록 합니다.로크웰 오토메이션의 Allen-Bradley CompactLogix™ 컨트롤러는 프로그래밍 소프트웨어, 컨트롤러, I/O 모듈을 완전 통합하고, 초기 개발 시간의 가속화와 시운전 및 운영 비용 절감을 지원하면서 자동화 시스템의 핵심을 구성합니다.

그 외에 CompactLogix 컨트롤러와 연결되는 기기에는 조류 커터, 바이오매스를 바이오가스로 바꾸는 변환 장치, 열 교환기 등의 건축 기술 시스템이 포함됩니다.또한 PLC는 반응기 모듈이 태양을 향하도록 유도하는 데 사용되는 모든 펌프를 제어합니다. 원격 I/OEtherNet/IP를 통해서 컨트롤러에 연결되어 건물의 모든 층을 분산 제어합니다.또한 견고한 실시간 네트워킹과 고속 이산 제어를 제공합니다.네트워크 설계를 산업 애플리케이션의 요구에 맞추어 계속 변경하는 다른 네트워크와 달리 EtherNet/IP는 실시간 성능 향상을 위해 전체 시스템의 고가용성과 일관성을 유지할 수 있습니다.

전체 시스템은 SSC Strategic Science Consult GmbH의 전문가가 Rockwell Software FactoryTalk View 비쥬얼라이제이션 소프트웨어를 사용하여 운용합니다.사용하기 쉬운 그래픽 기능을 통해 사용자는 모든 프로세스를 정확히 볼 수 있으므로 손쉽게 시스템을 모니터링하고 프로세스를 분석할 수 있습니다.또한 소프트웨어를 통해 오류 경보와 알람에 신속한 대응이 가능합니다.필요한 경우 사용자는 비쥬얼라이제이션 소프트웨어를 통해 사전에 정의한 제어 파라미터를 수정하는 방법으로 프로세스에 직접 개입할 수 있습니다.결론적으로 FactoryTalk View는 오류 없는 생물 반응기 작동을 위한 필수 요소입니다.

유량계 및 분석 기기 등 Endress+Hause의 여러 측정 장비가 Allen-Bradley 컨트롤러에 연결됨측정 기기는 배양 배지 내의 pH, 산소 및 질소 수준과 반응기 모듈이 채워진 정도를 확인합니다.프로세스 광도계를 사용하여 조류를 수확해야 하는 시점을 정하므로 바이오매스의 제거도 자동으로 제어 가능합니다.

시스템은 처음 프로토타입으로 설계되었지만 로크웰 오토메이션은 4개의 프로그래밍 언어를 추가하여 덩 세계적 구현을 준비하고 있습니다.현지 기술자의 여건에 따라 시스템은 래더 로직, 구조적 텍스트, 펑션 계획 또는 순차 펑션 차트를 사용하여 프로그램이 가능합니다.또한 제어 시스템의 태그 기반 구조 덕분에 프로그래밍 프로세스가 간소화됩니다.

조류 하우스를 통해 건물에 열과 전력을 제공하면서 고급 바이오매스 에너지를 생산하는 분산 시스템의 테스트가 최초로 가능해졌습니다.또한 온실가스 CO2도 줄입니다.SCC GmbH는 2년의 모니터링 프로젝트를 통해 생산 및 성능 데이터를 수집하고 있으며 함부르크의 하펜시티대학교는 새로운 기술의 수용과 관련하여 이 프로젝트에 대한 정보를 수집하고 있습니다.

SSCSSC Strategic Science Consult GmbH의 Kerner 박사는 "이처럼 데이터를 정밀하게 분석하는 것은 추후 더 큰 규모의 시스템에서 이 기술을 구현하고 더 에너지 효율적이고 생태적인 건축 방법을 실현하기 위함"이라고 말했습니다.

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