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Windenergie und Architektur (VI)

2012


Falls es so aussieht, als würde es aus den folgenden Jahren weniger Projekte geben, so liegt dies u.a. daran, daß ich nicht auch noch die X-te Variante derselben Ansatzes präsentieren möchte. Dennoch gibt es auch 2012 einige Entwürfe, die eine Darstellung verdienen.

Bereits im März erscheint in den Blogs die Meldung, daß die Philadelphia Eagles in Partnerschaft mit der Energiefirma NRG planen, bis Dezember auf ihrem Stadion mehr als 11.000 Solarpanels mit insgesamt 3 MW sowie 14 Mikro-Windkraftanlagen zu installieren.

Ähnliche Pläne waren schon im Jahr 2010 angekündigt worden, als der Verein gemeinsam mit einem anderen Partner, der in Florida beheimateten BlueSolar, 80 spiralförmige Windturbinen von jeweils 6 m Höhe installieren wollte – was sich aber bereits in der Planungsphase als völlig unwirtschaftlich erwies. Ich habe dieses Projekt bereits bei den entsprechenden Helix-Savonius-Rotoren aufgeführt (s.d.).

Dem aktuellen Plan zufolge sollen diesmal effektivere Darrieus-Rotoren der New Yorker Firma Urban Green Energy (UGE) auf die Tribünen des Lincoln Financial Field kommen, aufgeteilt in zwei Gruppen von jeweils 7 Anlagen.

Die 4,5 m großen und knapp 450 kg schweren Windräder helfen den mehr als 11.000 PV-Paneelen auf dem Dach, über einigen der Parkplätze, und an der Seite des Gebäudes, an einem sonnigen Tag bis zu 21.000 kWh zu erzeugen – wodurch das Stadion ab 2013 auch als das ,grünste NFL-Stadion des Landes gilt.

SFPUC-Gebäude

SFPUC-Gebäude


Eine weitere Umsetzung ist die im Juni 2012 fertiggestellte, gut 201 Mio. $ teure neue Zentrale der San Francisco Public Utilities Commission (SFPUC).

Der Entwurf der Firma KMD Architects aus San Francisco umfaßt eine Gebäudehülle mit effektiver Doppelfassade, eine große 200 kW Dachsolaranlage, ein Unterflur-Kühlsystem, eine gesunde Innenraumgestaltung für die Mitarbeiter durch Tageslichtnutzung – sowie auch gebäudeintegrierte Windkraftanlagen.

Dabei handelt es sich um kleine Vertikalachsen-Windkraftanlagen an der Seite, die seltsamerweise hinter einer Art Blende angeordnet sind (vermutlich vom Typ Windspire), sowie liegende Versionen auf dem Dach, die auf den bislang veröffentlichten Fotos allerdings nicht zu sehen sind.

Es wird erwartet, daß das 13-stöckige Bürogebäude durch Solar- und Windenergie bis zu 227.000 kWh pro Jahr, und damit rund 7 % seines Energiebedarfs selbst decken kann.

Ein besonderes Merkmal ist das ebenfalls gebäudeintegrierte Grau- und Schwarzwasser-Recycling-System der Firma Worrell Water Technologies LLC aus Charlottesville, Virginia – denn deren Pflanzenkläranlage namens ,Living Machine, befindet sich teilweise in der Lobby des Bürogebäudes, während der Rest in den Landschaftsbau außerhalb des Gebäudes integriert ist.

Sato-Patent Grafik

Sato-Patent
(Grafik)

Dabei ahmt das computergesteuerte System ein Gezeitenfeuchtgebiet nach, eines der produktivsten Ökosysteme der Natur, indem sich innovative Wissenschaft und Technik mit Pflanzen und nützlichen Mikroorganismen verbinden.


Im Juli 2012 erhält der japanische Erfinder Shigeru Sato aus Saga das Patent für einen Vertical wind collector and redirecting tower (US-Nr. 8.232.665, angemeldet 2007; vgl. EP-Nr. 2096304).

Bei dem bislang nicht umgesetzten Konzept handelt es sich um die Umwandlung eines Hochhauses in einen vertikalen Windkanal, dessen Außenwand von oben bis unten eine Vielzahl von Windsammelplatten besitzt, die von Führungsplatten und Einrichtungen zur Verhinderung des Rückstroms dabei unterstützt werden, einen nach unten gerichteten Luftstrom zu erzeugen, der im Fundament des Turmes angebrachte Turbinen und Stromgeneratoren antreiben soll.


Im August 2012 geht auf dem Gebäude der Oklahoma Medical Research Foundation (OMRF) in Oklahoma City die zu diesem Zeitpunkt größte Dach-Installation von Vertikal-Windkraftanlagen in den USA in Betrieb.

Auch über diesen gebäudeintegrierten Dachwindpark mit 18 Rotoren der Firma Venger Wind habe ich bereits im Kapitel Savonius-Rotoren berichtet (s.d.).


Ebenfalls im August 2012 startet an der Hochschule Zittau/Görlitz das Projekt einer Nachwuchsforschergruppe unter der Leitung von Prof. Jens Bolsius, in der Wissenschaftler aus verschiedenen Fakultäten zusammenarbeiten, um sich mit der Optimierung und Integration von Kleinwindenergieanlagen im Rahmen innovativer Gebäudekonzepte zu beschäftigen.

Ziel des aus Mitteln der EU und des Freistaates Sachsen finanzierten Projektes ist es, bis Ende der Laufzeit im Jahr 2014 Wege zu einer möglichst breiten, energetisch und wirtschaftlich effektiven, konstruktiv dauerhaften, und ästhetisch akzeptablen Anwendung von Kleinwindkraftanlagen zu finden. Die Ergebnisse der zweijährigen Forschungsarbeit werden im Dezember 2014 im Rahmen eines Abschluß-Symposiums präsentiert.

Im September 2012 berichtet die Presse, daß Forscher der Murdoch University in Westaustralien an der dreidimensionalen Modellierung urbaner Windströmungen arbeiten, um das Design und die Effizienz von kleinen Windkraftanlagen in der Stadt zu verbessern. Das Projekt wird von Doktorand Amir Bashirzadeh Tabrizi ausgeführt, der seine Ergebnisse im Juli 2014 im Fachmagazin Renewable Energy veröffentlicht (Performance and safety of rooftop wind turbines: Use of CFD to gain insight into inflow conditions).


2013


Im Februar 2013 erscheint eine zusammenfassende Kritik von Alex Wilson, der bereits im Jahr 2009 einen Beitrag veröffentlicht hatte (Does Building-integrated Wind Power Work?), in welchem er die berechtigte Frage stellte, ob die gebäudeintegrierten Windkraftanlagen wirklich eingebaut werden, um Strom zu erzeugen – oder ob es sich nicht viel mehr um eine Methode handelt, den Projekten einen oberflächlichen grünen Glanz hinzuzufügen.

Seine Argumente sind es unbedingt Wert, hier aufgeführt zu werden:

 

Ersten müssen auf Gebäuden installierte Windkraftanlagen so klein sein, daß sie die Gebäudestruktur nicht beeinflussen, womit das Energieerzeugungspotential begrenzt ist.

Zweitens erzeugen Windkraftanlagen erheblichen Lärm und Vibrationen, was besonders bei kommerziellen Gebäuden mit Stahlrahmen zu einem echten Problem werden kann, wenn sich der Lärm und die Vibrationen durch die gesamte Struktur übertragen.

Drittens erhöhen Turbinenanlagen auf Gebäuden die Kosten erheblich, da oftmals Spezialvorrichtungen erforderlich sind, während das Gewicht nach unten durch das Gebäude verteilt werden muß.

Viertens sei es ist schwer zu glauben, daß Versicherungsunternehmen die Installation von Windkraftanlagen auf Gebäuden begrüßen würden, selbst wenn diese wirtschaftlich arbeiten sollten. Aufgrund der erhöhten Haftung – oder vermeintlichen Haftung – für Rotorblätter, die aus den Windkraftanlagen fliegen, oder kollabierende und das Dach beschädigende Türme, würden die Versicherungen ihre Preise deutlich erhöhen, die dann möglicherweise sogar den Wert des erzeugten Stroms zu überschreiten.

Fünftens hat sich inzwischen immer wieder herausgestellt, daß der gesamte Wind, der um Gebäude herumwirbelt, sehr turbulent ist, während Windkraftanlagen laminare Windströmungen viel besser umsetzen können. Mit Turbulenzen kommen die meisten nicht gut zurecht.


Ein gutes Beispiel ist das im Oktober 2010 eröffnete, und bald darauf auch preisgekrönte Greenhouse im britischen Leeds, ein Gebäude für gemischte Nutzung, bei dem man im Zuge des stagnierenden Markt für gewerbliche Immobilien entschieden hatte, in Nachhaltigkeit zu investieren.

Neben Solar-Paneelen auf dem Dach, einer Geothermieanlage, energiesparende LED-Beleuchtung u.ä.m. müssen natürlich auch Windräder integriert werden.

Greenhouse

Greenhouse

Nachdem hier anfänglich fünf kleinere Rotoren über der Forderfront installiert werden sollten, wie die Konzeptgrafiken des modernisierten Gebäudes zeigen, sieht man auf aktuellen Fotos von 2013 stattdessen zwei 3-Blatt-Windkraftanlagen, die ziemlich hoch aufgeständert sind, um mit ihren Rotornaben möglichst über den turbulenten Bereich hinaus zu kommen.

In der ursprünglichen Planung soll sogar nur ein einzelner, noch größerer Rotor vorgesehen gewesen sein.

Technische Details oder Informationen über tatsächlich erwirtschaftete Strommengen habe ich bislang leider nicht finden können.


Im Mai 2013 stellt das Experimentalstudio der Firma Belatchew Arkitekter AB aus Stockholm, Schweden, ein neues Konzept vor, mithilfe einer ,haarigen Technologie Erneuerbare Energie zu schaffen – die allerdings so neu doch nicht ist.

Unter dem Titel ,Strawscraper - ein städtisches Kraftwerk in Stockholm wird für das 1997 gebaute Söder Torn Gebäude mit seinen 25 Etagen eine Modernisierung vorgeschlagen, die sich auch auf den ursprünglichen Plan bezieht, dem zufolge das Bauwerk eigentlich 40 Stockwerke hoch werden sollte.

Neben dem Ausbau zu seinen ursprünglichen Proportionen durch einen kaminförmigen Hohlzylinder mit innenliegender Spiralrampe, soll eine Gebäudehülle aus piezoelektrischen Fasern Energie erzeugen, indem sich dünne, flexible Polymerstangen mit einem Kern aus piezoelektrischen Materialien elektrisch aufladen, während sie sich im Wind bewegen.

Als besonderer Vorteil dieser Technologie, die das Gebäude aussehen läßt, als ob es an den Boden des Meeres gehört, wird der geringe Lärm genannt. Außerdem sollen die langen, Anemone-artigen Fasern schon bei niedrigen Windgeschwindigkeiten Energie erzeugen können. Und das Tier- und Vogelleben stören sie auch nicht.

Hydro Aero Device Grafik

Hydro Aero Device
(Grafik)


Die Architekten Bartłomiej Gowin und Tomasz Janus aus Krakau veröffentlichen im Juni 2013 das Konzept eines autarken Wolkenkratzers namens Hydro Aero Device, der in der Wüste mittels Kondensation Wasser erzeugt.

Der dafür benötigte Strom soll auch hier durch die kinetische Energie aus der Reibung leichter piezoelektrischer Streifen erzeugt werden, wobei die Bewegung aus der Wirkung aufsteigender Warmluft innerhalb der kaminartigen Struktur resultiert.

Dies sei auch wirtschaftlich gesünder als der Einsatz kostspieliger Photovoltaiksysteme. Die resultierende, akkumulierte Energie soll dann in Batterien gespeichert werden, die in den Konstruktionsbalken untergebracht sind.

In den unteren Segmenten des Turmes sollen ein Markt, Kuststudios, eine Schule und Büros untergebracht werden, während an der Spitze eine Aussichtsplattform geplant ist.

Im Boden um das Bauwerk herum gibt es ein Netzwerk aus Kanälen, um mit Feuchtigkeit angereicherte Luft heranzuführen, während sich Kern des Turmes eine gekühlte Röhre befindet, an deren Wandung die warme, feuchte Luft kondensiert. Das saubere Wasser, das hinunter rinnt, wird gesammelt und zu einem zentralen Sammeltank transportiert.

Auch das gebrauchte Wasser bzw. Grauwasser der bewohnten Ebenen wird gefiltert und wiederverwendet.


Im August 2013 erreicht der Shanghai Tower seine Endhöhe von 632 m, womit er das höchste Gebäude Chinas, und zweithöchste Gebäude der Welt ist.

Der Wolkenkratzer im Bezirk Pudong in Shanghai, dessen Grundstein im November 2008 gelegt wurde, hat 128 Etagen, und ist das erste Gebäude dieser Größenordnung, das durch ein Doppelwandsystem wie eine Thermoskanne aufgebaut ist, um dadurch zu Energie sparen.

Shanghai Tower im Bau

Shanghai Tower
(im Bau)

Außerdem ist die spezielle Glasfassade des Turms vor allem entwickelt worden, um die Windlasten auf dem Gebäude um 24 % zu reduzieren, was bedeutet, daß weniger Baumaterialien benötigt wird, einschließlich rund 25 % weniger Baustahl.

Der Turm hat die Form von neun übereinander gestapelten zylindrischen Gebäude, die durch Schichten von Glas umhüllt öffentlichen Raum für Besucher mit Atrien, Cafés und Restaurants bieten, nebst Einzelhandelsflächen und einem Hotel mit 360°-Blick über die Stadt. Außerdem wird es auch ein Regenwasser-Recycling-System, eine Geothermieanlage für Heizung und Klimaanlage, sowie Gärten geben, die eine thermische Pufferzone bilden und als Luftfilter wirken.

Das Gebäude mit seiner eleganten, in den Himmel strebenden Spiralstruktur wird noch bis 2015 weiter im Bau sein. Spätestens bei seiner Eröffnung wird dann zu sehen sein, ob es tatsächlich auch die geplanten Windenergieanlagen auf das Dach plaziert bekommt, die pro Jahr bis 350.000 kWh Strom für das Gebäude liefern sollen.


Im Oktober 2013 enthüllen die Büros Paolo Venturella Architecture aus Rom, und MenoMenoPiu Architects aus Paris, ihre Pläne für den neuen Campus der Alvar Aalto University in der Nähe von Helsinki.

Das Konzept umfaßt eine energieeffiziente und flexible Lernumgebung, welche die klassische Innenhof-Typologie neu definiert, und eine Vielzahl von Räumen für private und gemeinsame Aktivitäten schafft.

Die perforierte Hülle des Gebäudes hilft bei der Klimatistierung, indem sie in ihrer Transparenz variiert, um in den verschiedenen Bereichen die jeweils optimale Tageslichtnutzung zu erlauben. Dabei konzentrieren sich die Glasflächen an der Süd-Westfassade, um während des Tages Wärme einzusammeln.

Die Dächer, die auch den Regen ernten sollen, haben unterschiedliche Höhen und können als Sommerterrassen und Freigelände verwendet werden.

Neben dem Einsatz von Hochleistungswerkstoffen, einer natürlichen Belüftung, kontrollierter Feuchtigkeit und einer Geothermieanlage sollen auf dem höchsten Dach Windkraftanlagen installiert werden, die auf den Grafiken als gewendelte Darrius-Rotoren erscheinen.


Ebenfalls im Oktober 2013 erscheint das Design Wind/Wing von Arkhenspaces aus Paris, das als Beitrag zum Wettbewerb um das Taichung City Cultural Center (Temple of Art & Gardens of Knowledge) konzipiert wurde, diesen dann aber nicht gewinnt.

Moving Wall Grafik

Moving Wall (Grafik)

Trotzdem lohnt sich die Erwähnung, denn der Vorschlag basiert auf der Kombination von nachhaltigen Technologien mit der Idee einer flexiblen räumlichen Organisation.

Ein Teil des Gebäudes soll unter Verwendung von recyceltem Schiffscontainern gebaut werden, die sich herumbewegen lassen, um verschiedene räumliche Konfigurationen für Sonderausstellungen zu schaffen.

Schwerpunkt ist allerdings die mit Vegetation bedeckte Nordfassade der Bibliothek des Kulturzentrums, die den Namen ,moving wall trägt, und die entwickelt wurde, um Kohlendioxid zu absorbieren und mit sorgfältig positionierten kleinen Turbinen die Windenergie zu ernten. Nähere Details zu deren Technik oder erwartetem Ertrag werden nicht genannt.

Die halbschalenförmige Fassade kann auf unterschiedliche Wetterbedingungen reagieren, während die Südseite des Museums über Photovoltaik-Anlagen und Algen-Paneele verfügt, und in den Gärten Regenwasser gesammelt wird.


Im Dezember 2013 gibt es wieder einen beachtlichen Entwurf des Architekturbüros Skidmore, Owings & Merrill LLP (SOM) zu sehen.

Diesmal handelt es sich um die neue Zentrale von Pertamina, der indonesischen staatlichen Öl- und Gasgesellschaft, die als futuristisches ,Energie-Leuchtfeuer das neue Modell einer nachhaltigen Entwicklung des Unternehmens symbolisieren, und gleichzeitig die Skyline von Jakarta auf dramatische Weise bereichern soll.

Die rund 530 m hoch geplante Zentrale wird 20.000 Mitarbeiter beherbergen, wobei das Gesamtensemble auch einen Ausstellungspavillon für darstellende Kunst, ein Café und eine Moschee besitzt. Neben einer zentralen Energieanlage wird es einen mit Solarpaneelen gedeckten ,Energie-Streifen geben, einen überdachten Gang, der die verschiedenen Bereiche auf dem Campus verbindet.

Das gekrümmte Profil des Wolkenkratzers ist konzipiert, um den Solarwärmeeintrag zu minimieren, während ein Außensonnenschutz zur Maximierung der Nutzung des natürlichen Tageslichts beiträgt.

Der wie die Blütenblätter einer knospenden Blume geformte Pertamina Wolkenkratzer wird sich an seiner sanft verjüngenden Spitze leicht öffnen. Die Öffnung in der abgerundeten Krone enthält einen ,Windtrichter, um Winde mit hoher Geschwindigkeit zu nutzen und in Energie umzuwandeln.

Das Hochhaus, dessen Fertigstellung für 2020 geplant ist, wird dann das höchste Wahrzeichen der Stadt sein, mit dem Doppelten der Höhe des aktuellen Rekordhalters. Und er soll dann 25 % der eigenen Energie aus erneuerbaren Quellen erzeugen.


2014

Das erste Design, das in diesem Jahr erscheint, stammt von dem schon mehrfach genannten Architekten Vincent Callebaut. Bei dem futuristischen Bauernhof namens Flavors Orchard, der, wie üblich, mit einer Vielfalt beeindruckender Grafiken präsentiert wird, handelt es sich um ein Konzept, um die massive Landflucht in China zu verlangsamen und die übliche Trennung zwischen den dichten urbanen Zentren und den Bauernhöfen, die sie versorgen, aufzuheben.

Flavors Orchard Grafik

Flavors Orchard (Grafik)

Das für Kunming konzipierte Stadtquartier, eine Prototyp-Siedlung, die alle Vorteile der Stadt und des Landes mischt, besteht aus 45 Energie-positiven Villen die auf einem riesigen, gemeinschaftlichen Obst- und Gemüsegarten stehen, der den Bewohnern viel frische Luft, Grünflächen und nahrhafte Produkte bietet.

Das Projekt nutzt modernste nachhaltige Technologien, wie eine automatische, mit dem Lauf der Sonne synchronisierte Temperaturregelung, sowie ein intelligentes Stromnetz, das Energie aus Photovoltaik und Windkraftanlagen erntet und verteilt. Gute Dämmung und dreifach verglaste Fenster reduzieren die Notwendigkeit zusätzlicher Kühlung und Heizung. Überschüssige Elektrizität soll in Elektrofahrzeugen als Pufferspeicher gespeichert werden.

Die Villen sind in drei Typen eingeteilt: Die Mobius-Villa hat eine bandförmige Struktur, ist mit einem Gründach versehen, und beinhaltet Schlafzimmer, Badezimmer, Büros, Bibliotheken und Spielräume. Die Mountain-Villa sieht aus wie ein riesiger chinesischer Fächer, speziell dafür entwickelt, um dem Lauf der Sonne folgen. Transparente Photovoltaik-Paneele sind mit Algen gefüllt, um Bio-Wasserstoff herzustellen, während die zweite Außenhaut des Gebäudes aus Schichtholz besteht und als riesige Windschutzscheibe wirkt.

Die Shell-Villa wiederum sitzt auf sechs Stahlstützen und ist die Basis der Windkraftanlagen. Geformt wie ein chinesischer Kegelhut, bietet das Gebäude einen Panoramablick über den gesamte Obstgarten. Wie man auf der Abbildung erkennen kann, soll es sich bei den Windrädern um die wohlbekannten, gewundenenen Darrieus-Typen handeln.


Im April 2014 folgt das Design des Studenten der TU Delft, Murtada Reza Alkaabi, der sich das Ziel gesetzt hat, eine ästhetisch ansprechende Lösung für die Ernte der Windenergie im städtischen Umfeld zu finden.

In seinem Entwurf gestaltet er ein abnehmbares winderntendes Fassadensystem für an der Küste gelegene Modulgebäude, das ebenso wie frühere Konzepte anderer Entwickler auf zahlreichen Platten basiert, welche auf die vorherrschenden Winde reagieren und schöne Muster auf den Fassaden zeichnen.

Phoenix Towers Grafik

Phoenix Towers
(Grafik)

Die Wind-Erntemechanismen sollen mit Photovoltaik-Anlagen, begrünten Dächern und einem Regenwasser-Sammelsystem kombiniert werden.


Das bislang jüngste Konzept beim aktuellen Update stammt vom Juni 2014, als das in Großbritannien ansässige Büro Chetwood Architects die Pläne für die Phoenix Towers in Wuhan, China, enthüllt, die im Falle ihrer Umsetzung das weltweit höchste Paar Wolkenkratzer sein werden.

Die überhohen Leuchtfeuer der Nachhaltigkeit, in in Zusammenarbeit mit der HuaYan Gruppe konzipiert werden, bilden das Herzstück von vier Masterplänen des Unternehmens.

Inspiriert von dem Symbol des chinesischen Phoenix, der aus zwei Vögeln besteht, welche die männlichen und weiblichen Prinzipien in perfekter Balance verbinden, entwickeln die Architekten zwei voneinander abhängige Türme – bei denen der ,männliche Turm (Feng) den ,weiblichen (Huang) mit erneuerbarer Energie speist.

Gemeinsam sollen die Türme mit einer Photovoltaik-Verkleidung, Windkraftanlagen, aufgehängten Himmelsgärten, Regenwassernutzungsanlagen, einer Abfallverwertung über Biomassekessel, thermischen Kaminen und Wasserstoff-Brennstoffzellen ausgestattet werden, um als ,Umwelt-Katalysatoren die Stadt Wuhan neu zu beleben.

Damit sollen die Türme ihren eigenen Strombedarf selbst erzeugen, und gleichzeitig einen Beitrag an dem umgebenden Bezirk leisten können.

 

Als nächstes komme ich zu einem besonders aktuellen Bereich, nämlich zu den Offshore-Windfarmen. Anschließend folgen die Grenzen der Nutzung von Windenergie.

 

Weiter mit den Offshore-Windfarmen...