TEIL C

Windenergie und Architektur (I)

Bei der Integration der Windenergie-Nutzung in Gebäudekonzepten ist in den letzten Jahren eine gewisse Akzeptanz erreicht worden, so daß man inzwischen davon ausgehen kann, daß viele der Entwürfe in Zukunft auch umgesetzt werden. Einige Bauten, in deren Konstruktion Windkraftwerke einbezogen sind, gibt es schon. Ebenso gibt es eine heftige Debatte über Sinn oder Unsinn des Ganzen. Ich denke, daß der Schlußabsatz eines Artikels auf buildinggreen.com vom Mai 2009 das Ganze recht gut zusammenfaßt:

There’s a wonderful synergy in the idea of combining form and function by generating electricity with turbines that reach into the sky on the buildings they will help to power. But in most cases, at least with today’s technology, it just doesn’t make sense.

Hier geht es um jedoch die Dokumentation der tatsächlichen Entwicklung, um die verschiedenen Ideen und Konzepte, die im Laufe der Jahre veröffentlicht worden sind, sowie um bereits erfolgte Umsetzungen, die häufig einen lobenswerten Versuchscharakter haben. Denn von den Ergebnissen werden langfristig alle profitieren.

Der Architekt Richard Rogers schlägt für seinen Tomigaya Exhibition Space und Turbine Tower in Tokio bereits 1992/1993 eine integrierte Windturbine vor, auf die der Wind durch die Architektonik zwischen die Gebäudeteile gelenkt werden soll. Windkanalstudien am Imperial College London beweisen, daß diese Technik genügend Energie erzeugen könnte, um das gesamte Gebäude zu versorgen.

Die Forschungsstudie für das Gebäude untersucht außerdem die Windverhältnisse und jahreszeitliche Klimaunterschiede, die Möglichkeiten der Wärmespeicherung und/oder der Nutzung bzw. Abschirmung der Sonneneinstrahlung – sowie die Nutzung der Windenergie mittels einer vertikalen Windturbine.

Vom September 1998 bis zum August 2000 läuft ein durch die Europäische Kommission unter JOULE III finanziertes Förderprogramm, dessen Ergebnisse im Juli 2001 auf der European Wind Energy Conference & Exhibition in Kopenhagen vorgestellt werden.

Das Projekt Wind Energy for the Built Environment (WEB) beschäftigt sich mit der Entwicklung eines mit Windenergie versorgten Wolkenkratzers.

Beteiligt ist u.a. die Universität Stuttgart, wo am Lehrstuhl für Baukonstruktion und Entwurf der Plan für ein knapp 200 m hohes Hochhaus mit drei Rotoren entsteht. Deren Energieertrag soll den Strombedarf des 50-stöckigen Zwillingsgebäudes etwa zur Hälfte decken.

Als weiteres Konzept wird ein vierteiliges Gebäudeensemble vorgestellt, das den Wind aus jeder Richtung nutzen kann.

Die Vorteile bestehen darin, daß sich die Windkraftanlage nicht mehr meilenweit entfernt, sondern direkt in dem Gebäude befindet, in welchem der Strom auch verbraucht wird. Aufwendige Kabeltrassen werden damit obsolet.

Außerdem ist durch die Form des Gebäudes gewährleistet, daß die Geschwindigkeit des Windes in der Mitte – wo sich die Rotoren drehen – größer ist als außen. Computersimulationen zeigen, daß der Wind dort aufs Doppelte beschleunigt wird.

Es wird zwar ein größeres Modell gebaut, mit dem das Verhalten des Rotors getestet wird, doch zur praktischen Anwendung gelangen die Pläne nicht.

Im Jahr 2000 wird für die britische Hauptstadt von dem Büro M3 Architects ein 450 m (andere Quellen: 485 m) hoher Citygate Ecotower mit 108 Stockwerken entworfen. Das Design des Hochhauses erinnert auf den ersten Blick an das berühmte Hotel Burj al Arab im Arabischen Golf.

Das umweltfreundliche Gebäude beinhaltet die Integration großer PV-Flächen, sowie die Installation eines Windrades an der Spitze. Die Nutzung sieht eine Mischung aus Büros, Apartments und einem Hotel vor – was sich langsam als Standard herauszuarbeiten scheint.

Standort des geplanten, aber bislang noch nicht umgesetzten Turmes wäre an einen großen Verkehrsknotenpunkt in der Aldgate High Street, und mit seinen 108 Stockwerken wäre es das höchste Gebäude in Europa.

Die ersten tatsächlichen Umsetzungen, wie beispielsweise im Rahmen von Terry Farrells Green Building in Manchester, dienen auch mehr der Symbolik.

Eine derartige Anlage ist einfach zu klein, als daß sie einen signifikanten Beitrag zum Energiebedarf des Gebäudes leisten könnte. Da sind die ebenfalls auf dem Dach installierte thermische Solarkollektoren schon wesentlich effektiver. Außerdem kann man hier kaum von einer Gebäudeintegration reden. Trotzdem sollte das Haus im McIntosh Village, Manchester, nicht unterschlagen werden.

Das Wohngebäude in Form eines zehngeschossigen Zylinders wird zwischen 2003 und 2005 auf einem ehemaligen Industriegelände errichtet - als ‚Wohnturm mit Signalwirkung’.

Die Baukosten betragen 5,5 Mio. £ (andere Quellen: 6,5 Mio. £). Neben 32 Wohnungen gibt es eine Kindertagesstätte für 120 Kinder sowie eine große Arztpraxis.

Schon 2003 erhält der Bauherr Taylor Woodrow Developments den Creative Land Development Award, und 2006 werden mit dem Civic Trust Award das vorbildliche ökologische Design, die gute Einpassung in die Umgebung und die Nutzerfreundlichkeit des Gebäudes prämiert.

Die Grundsteinlegung des weltweit ersten Gebäudes, bei dem das Konzept der gebäudeintegrierten Windenergie in großem Maßstab tatsächlich umgesetzt wird, erfolgt im August 2004 in Manama.

Es handelt um das 240 m hohe Bahrain World Trade Center (WTC) von WS Atkins PLC, das ich bereits in der betreffenden Länderübersicht vorgestellt habe.

Die Installation der drei 225 kW Rotoren von jeweils 29 m Durchmesser des dänischen Unternehmens Norwin AS, die an Brückenkonstruktionen zwischen den beiden Türmen angebracht sind, erfolgt im März 2007 - zunächst zu Versuchszwecken, während die endgültige Integration dann im März 2008 erfolgt. Auch die Eröffnung des WTC wird im Jahr 2008 gefeiert.

Seit August 2008 liefert die unterste Turbine Strom, die mittlere ab September, und die oberste beginnt im Oktober mit ihrer Stromproduktion in 133 m Höhe. Jede von ihnen wiegt 11 Tonnen, von denen 6,5 Tonnen auf den Generator entfallen.

Die gewonnene Energie von insgesamt 1,1 - 1,3 GWh pro Jahr soll zwischen 11 % und 15 % des Strombedarfs des gesamten Gebäudes decken. Die Zusatzkosten durch die Integration der Windturbinen betragen dabei weniger als 3,5 % der Gesamtkosten des Bauprojektes in Höhe von 150 Mio. $.

Prof. Bert Blocken von Eindhoven University of Technology (TU/e) berichtet im April 2014 von Computersimulationen und Windkanalversuchen an einem Modell des Bahrain WTC, das eine falsche Auslegung der trichterförmigen Ausbildung der Türme belegt. Seiner Meinung nach basieren Ideen über Windströmungen oft auf Intuition, was zu suboptimalen Designs führt.

Blocken berechnet, daß die Türme 14 % mehr Windenergie produzieren würden, wären sie umgekehrt angeordnet.

Weiter hinten angesetzte Windkraftanlagen könnten sogar eine um 31 % höhere Energieausbeute pro Jahr ergeben, was aufgrund von konstruktiven und finanziellen Gründen allerdings keine realistische Option darstellt.

Nicht umgesetzt wird ein 2004 eingereichter architektonischer Vorschlag zum Bau des umstrittenen Freedom Towers in New York, der an der Stelle der im September 2001 zusammengestürzten WTC-Türme errichtet werden soll.

Auf die Spitze des Gebäudes wollte das Architekturbüro Skidmore, Owings & Merrill eine 150 m hohe offene Käfigkonstruktion setzen, in deren Innern sich (dann in rund 400 m Höhe) 30 Windrotoren drehen. Dabei sollten sich darunter befindliche Bauelemente den Wind so nach oben leiten, daß damit 20 % – 25 % des Gebäude-Energiebedarfs hätten gedeckt werden können.

Für die Mitarbeiter des beratenden Ingenieurbüros Battle McCarthy sei die Ablehnung des Konzeptes die größte Enttäuschung ihres Lebens gewesen, wird berichtet.

Eigentlich sollte das neue New York Sports and Convention Centre (NYSCC) am Hudson River schon 2005 fertig sein – als neue Heimat der New York Jets. Der Entwurf von Kohn Pedersen Fox Associates sieht vor, neben der Solar- auch die Windenergie zu nutzen, wobei an zwei Reihen von Senkrechtachsern (vermutlich Savonius-Rotoren) gedacht ist.

Außerdem sollte das 18.580 m³ große Stadion mit seinen 75.000 Sitzen blendfrei mit Tageslicht versorgt und natürlich belüftet werden.

Das Projekt wird jedoch abgesagt, da es nicht gelingt, die Zustimmung der staatlichen Kontrollgremien dafür zu erhalten. Nähere Details darüber gibt es nicht.

Zu den neueren Plänen gehört der Skyhouse Wohnturm von Marks Barfield Architects, die auch das zur Zeit europaweit größte Riesenrad ,London Eye’ errichtet haben.

Im Zentrum der dreigegliederten Bauwerks dreht sich ein Senkrechtachser in Form einer langgestreckten Spirale, die genügend Energie erzeugt um alle öffentlichen Bereiche des Gebäudes mit Strom und Licht zu versorgen, egal aus welcher Richtung der Wind auch bläst.

Das Architekturbüro stellt mit dem Liverpool Edge building ein weiteres Projekt vor, auf dessen Dach mehrere Spiralturbinen vorgesehen sind, die rund 10 % des Gebäudebedarfs decken können.

Von Marks Barfield stammt übrigens auch der innovative Entwurf eines ,Darrieus-Baumes’ - einer Y-förmigen Struktur, in der sich auf mehreren Ebenen diverse kleine Rotoren drehen. Eine Technologie mit ganz eigener Ästhetik, die bislang leider noch nicht umgesetzt wurde.

Inzwischen haben die Architekten ein neues englisches Wort erfunden, um das Objekt ihres Interesses zu bezeichnen: urbane Windturbinen heißen demzufolge künftig Urbines. Durchgesetzt hat sich der Begriff bislang allerdings nicht.

Die Ingenieure von Hamiltons Architects integrieren ‚Urbinen’ in die Pläne für ihr Castle house (auch unter dem Namen Castlewind Tower sowie Strata SE1 Elephant & Castle bekannt), einem 143 m hohen und 42-stöckigen Hochhaus mit 408 Apartments in Southwark, London.

Im Gegensatz zum WTC in Bahrain (s.o.) sind die Windkraftwerke hier direkt in die Fassade des Bauwerks eingelassen. Die durchschnittliche Windgeschwindigkeit auf der Installationshöhe wird mit 64 km/h angegeben.

Die drei jeweils 9 m durchmessende 19 kW Windturbinen der dänischen Firma Norwin AS, die im oberen Gebäudeteil installiert werden, sollen die den gesamten Beleuchtungsbedarf des Gebäudes decken, was ca. 8 % des Gesamtenergiebedarfs entspricht.

Sie sind mit fünf Rotorblättern ausgestattet, anstatt wie sonst üblich drei, um die Lärmemissionen zu reduzieren. Als Jahresertrag werden 50 MWh erwartet.

Die Detailplanung wird im März 2006 festgeschrieben, Baubeginn ist im dritten Quartal 2007, und die Gesamtkosten werden mit 113,5 Mio. £ angegeben. Zwischenzeitlich hat sich der Name Strata SE1 durchgesetzt.

Im März 2010 werden die Windrotoren installiert, und im Mai soll der exponierte Wolkenkratzer fertig sein. Er hat sogar schon einen Spitznamen: The Razor (der Rasierer).

Im August 2010 wird der Strata SE1 mit dem Carbuncle Cup ausgezeichnet – für das häßlichste Gebäude in Großbritannien, dessen Bau in den letzten 12 Monaten abgeschlossen wurde. Als Trost kann das Bauwerk im Laufe der Jahre 2010 und 2011 aber auch sieben anerkannte Preise einheimsen, wie z.B. den City of London Sustainable City Award 2011.

Prof. Bert Blocken zufolge, der im April 2014 bereits die falsche Bauweise des Bahrain WTC beanstandet hat (s.o.), wurden auch in der Gestaltung des Strata SE1 in London Fehler gemacht. Die Turbinen drehen sich kaum, und wenn sie es tun, dann es ist wegen ihres Lärms fast unmöglich, in den darunter liegenden Büros zu arbeiten.

Um Projekte wie dieses in Zukunft besser zu bauen, führt Blocken nun eine Arbeitsgruppe in einem großen europäischen Konsortiums, deren Ziel es ist, wirksame Forschung zur Erstellung von Leitlinien zur die Erzeugung von Windenergie im urbanen Umfeld durchzuführen.

Schon erwähnt hatte ich die ab 2005 entwickelten Windtürme von Prof. Majid Rashidi an der Cleveland State University (s. Neue Designs und Rotorformen).

Seine Smart Energy Spires werden 2007 beispielsweise in die Entwürfe des Agri-Tower integriert, der die neue Bewegung der ‚vertikalen Landwirtschaft’ repräsentiert, die zunehmend Interesse weckt. Das grundlegende Konzept dafür wurde erstmals 1999 von Dickson Despommier, einem Professor der Umweltwissenschaften der Columbia University in New York City, entwickelt.

Einige Stichworte für weitere enstprechende Recherchen: Die SKYFarm von Gordon Graff, The Living Tower von Pierre Sartoux, Konzepte von Waimond Ip, oder eben die Agri-Tower Vertical Farms von Chris Jacobs (in der Presse erstmals im Mai 2009 erschienen), der auf die Dächer der Etagen-Farmen PV-Solarheliostaten und/oder unterschiedliche Windkraftsysteme setzt.

Für das Buch der Synergie ist ein eigenes Kapitel darüber geplant, einen konkreten Zeitpunkt dafür kann ich allerdings noch nicht nennen.

Erstmals realisiert werden soll das Konzept im Rahmen eines 200 Mio. $ teuren Projektes in Las Vegas. Man erwartet, mit der Vertical Farm den jährlichen Nahrungsbedarf von 72.000 Personen decken zu können. Insgesamt sollen 100 verschiedene Nutzpflanzen angebaut werden.

Die 30-stöckige Farm könnte pro Jahr 25 Mio. $ für ihre Produkte einnehmen, sowie 15 Mio. $ durch besuchende Touristen. Die Planungsdetails werden 2008 erarbeitet, in Betrieb gehen soll das Gebäude Mitte 2010.

Bislang scheint eine Umsetzung aber nicht erfolgt zu sein.

Das Architekturbüro Skidmore, Owings & Merrill (SOM) präsentiert im August 2006 den Entwurf eines 309,6 m hohen Hochhauses mit 71 Stockwerken, das mit einer Vielzahl energiesparender und umweltschützender Technologien ausgestattet ist.

Dazu gehören wie hinterlüftete Fassaden, bei denen die Warmluft zwischen den Glasscheiben nach oben steigt und zu einer technischen Etage abgeführt wird, während diese Luftströmung für eine Abkühlung der Scheiben und somit für eine angenehme Raumtemperatur sorgt. Es gibt wasserlose Urinale, Tageslichtsysteme und eine Kondensatrückspeisung. Außerdem sind Windkraft- und Photovoltaikanlagen vorgesehen, ebenso wie eine Nutzung der Erdwärme.

Durch die optimale Ausrichtung des Wolkenkratzers zur Sonne soll deren Energie bestmöglich ausgenutzt werden. Photovoltaische Elemente der neuesten Generation an der Ost- und Südfassade erzeugen sauberen Strom und leisten gleichzeitig einen Beitrag zur Klimatisierung des Gebäudes.

Der knapp 310 m hohe Pearl River Tower wird in Guangzhou, China, gebaut. Er soll mit einer Fassade ausgestattet werden, die den Wind, der durch die Öffnungen des Gebäudes im ersten und zweiten Drittels seiner Höhe strömt, aufgrund des Venturi-Effekts um 150 – 250 % beschleunigt. Bei einem getesteten Labormodell konnte dadurch sogar eine 15 mal so hohe Stromerzeugung wie bei einer freistehenden Turbine erreicht werden.

Die Form des Gebäudes soll dabei gewährleisten, daß die Windenergieanlagen auch bei relativ geringen Winden aus unterschiedlichen Richtungen ausreichend Strom erzeugen. Die Darrieus-Helix-Turbinen, die Windgeschwindigkeiten bis zu 225 km/h aushalten können, werden voraussichtlich bis zu 4 % des Strombedarfs des Gebäudes decken können. Die erwirtschaftete Energie soll für die Beheizung, Ventilation, Klimatisierung und Entfeuchtung genutzt werden.

Als Turbinen werden die von Risto Joutsiniemi aus Finnland erfundenen und perfektionierten vertikalen Windside-Windräder eingesetzt, die u.a. den Vorteil eines absolut geräuschlosen Betriebs haben.

Das Gebäude, das eigentlich schon im Herbst 2009 bezugsfertig sein sollte, integriert neben den Windkraftanlagen auch ein modernes Solarthermie-System. Regenwasser, das von dem Gebäude gesammelt wird, soll nach Filterung mittels dieser Anlagen erhitzt und dann zur Warmwasserversorgung genutzt werden.

Tatsächlich wird der Bau erst Ende 2011 abgeschlossen. Das Bürogebäude ist eines der Energie-effizientesten Hochhäuser der Welt, und der erste wirklich ökologische Wolkenkratzer Chinas. Er wird teilweise durch die China National Tobacco Corporation genutzt.

Das in Chicago beheimatete Architektur-Beratungsbüro SOM war übrigens auch für das derzeit welthöchste Gebäude verantwortlich, den Burj Dubai bzw. Burj Khalifa.

Auch über die Windkraftanlage Aeroturbine der Firma Aerotecture International Inc. habe ich schon ausführlich berichtet (s.u. Neue Designs 2003).

Es handelt sich um einen fortschritlichen gedrillten Savonius-Rotor von 1,5 x 3 m Größe, der sowohl vertikal als auch horizontal errichtet werden kann.

Nachdem ab Oktober 2003 in erster Linie senkrecht ausgerichtete Anlagen auf verschiedenen Dächern installiert worden sind, was man eigentlich nicht als Gebäudeintegration bezeichnen kann, erhält das von Murphy/Jahn Architects entworfene Mercy Lakefront SRO Gebäude in Chicago, Illinois, im August 2006 eine horizontal ausgerichtete Reihe aus acht 520H Aeroturbinen mit jeweils 1,5 kW, die leicht zurückgesetzt nahe der Dachkante der Vorderseite installiert werden.

Die Geometrie und Ausrichtung des Gebäudes wurde speziell entwickelt, um die Geschwindigkeit des Windes zu erhöhen, wenn sie über die speziell abgerundete Kante des Daches strömt. Die Stromerzeugung der ersten batterielosen Installation des Unternehmens beginnt Anfang 2007, doch schon bald zeigt sich, daß die Anlagen nur sehr sporadisch laufen.

Auch in der Außenhaut eines im Jahr 2006 von Julien de Smedt Architects, mit Büros in Kopenhagen, Brüssel und Shanghai, gestalteten Hochhauses, das als eine selbstversorgende Turm-Stadt konzipiert ist, sollen Windkraftanlagen eingebettet werden.

Der 1.111 m hohe Turm namens Shenzhen Logistic City (SLC) ist für die gleichnamige Stadt in China entwickelt worden, eine Umsetzung erfolgte bislang nicht.

Im Oktober 2006 präsentiert der Architekt Michael Jantzen unter dem Titel Wind Shaped Pavilion das relativ grobe Konzept einer Architektur, die in eine erneuerbare Energiequelle verwandelt wird.

Sein kinetisches Wind-Haus ist eine große Gewebestruktur, die sich in Segmenten um einen zentralen Stützrahmen dreht, und dabei genügend Strom erzeugen soll, um den Pavillon die ganze Nacht über mit Licht zu versorgen.

Der Architekt wird uns weiter unten noch in aller Ausführlichkeit begegnen.

Im November 2006 erhält die Firma OPPENheim Architecture + Design die Zustimmung für ein 115 m hohes Gebäude mit 25 Stockwerken in Miami. Der 40 Mio. $ Bau namens COR Tower soll im Juli 2007 begonnen und im Jahr 2009 abgeschlossen werden. Er beinhaltet 113 Eigentumswohnungen, Büroetagen und Verkaufsflächen.

An der Spitze der Exoskelett-Struktur sind effiziente Windkraftanlagen vorgesehen, die sich optimal in die Lochfassade integrieren lassen, außerdem sollen thermische und photovoltaische Solaranlagen integriert werden.

Bislang ist das Projekt aber nicht verwirklicht worden.

Einen Anteil von 35 % seines Energiebedarfs durch Wind- und Sonnenenergie decken soll auch das Hochhaus The Visionaire der Immobilienfirma Albanese Organization (AO), das ebenfalls im November 2006 bekannt wird.

Das 35-stöckige Hochhaus von Pelli Clarke Pelli Architects aus Milan ist für die Battery Park City in Lower Manhattan in New York konzipiert.

Das 310 Mio. $ Gebäude verfügt u.a. über gebäudeintegrierte Photovoltaik-Paneele mit 48 kW Leistung, ein Abwasser-Recycling-System und eine Gründach mit reicher Vegetation. Das Bauende erfolgt im Jahr 2008.

Finanzierungspartner ist übrigens die Helaba (Landesbank Hessen-Thuringen Girozentrale).

Informationen über die Art der geplanten Windkraftwerke oder eine Bestätigung ihres tatsächlichen Einsatzes habe ich bislang noch nicht gefunden. Die einzige Information betrifft die Installation einer 50 kW Mikro-Turbine.

Im Jahr 2009 gewinnt das Gebäude eine Ehrenauszeichnung des American Institute of Architects New York Chapter (AIANY).

Ein weiteres interessantes Urbinen-Projekt aus dem Jahr 2006 bildet der 152 m hohe und 38-stöckige Aquarius Tower in Atlanta, in den neben einem PV-Solardach auch 60 kleine Windturbinen integriert werden sollen, die sich in einer Art fünfgeschossigem Windtunnel befinden.

Das Gebäude, dessen Baubeginn wird für den Sommer 2007 anvisiert ist, soll damit rund 50 % seines Energiebedarfs erwirtschaften. Das Bauende ist für 2010 geplant.

Konzipiert wird das 70 Mio. $ Hochhaus von Antonio Escandari und dem Architekturbüro PFVS, weitere technische Details sind mir noch nicht bekannt. Geplant sind jedenfalls ein-, zwei- und drei-Zimmer-Einheiten mit Größen von 850 – 2.100 m², die 300.000 – 900.000 $ kosten werden, während die Penthouses zwischen 1 Mio. $ und 2,5 Mto $ in den Handel kommen sollen.

Bei einer Update-Recherche Anfang 2010 gibt es noch keine Hinweise auf eine tatsächliche Umsetzung des Baukonzepts.

Eine erneute Recherche beim Update Ende 2014 belegt, daß das Projekt zwischenzeitlich endgültig abgesagt worden ist. Die sehenswerte Homepage des Projekts ist allerdings noch immer Online.

Zur leichteren Übersicht erfolgt im weiteren eine Unterteilung nach Jahren.

 

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