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Schwimmende Quartiere

„Eine Stadt am Wasser – allerdings, ohne dass der Bevölkerung diese Einzigartigkeit bewusst ist.“

Die Elbinsel Wilhelmsburg, südlich der Hamburger City, ist ein Stadtteil, der gänzlich von Wasser umschlossen ist, aber dieses Potential in keinster Weise ausschöpft. Unser Konzept für eine zukunftsorientierte Nutzung und Umgestaltung des Spreehafens, sowie der angrenzenden Wohngebiete ist es, die Menschen ans Wasser und sogar auf das Wasser zu bringen, um somit die vorhandenen Potentiale für Wohn-und Freiräumen nutzbar zu machen
und innovative Möglichkeiten für zukünftige Quartiere zu schaffen. Wir denken die ursprüngliche Form und Funktion des Deiches weiter und ergänzen bzw. kombinieren sie mit architektonischen Lösungen, um qualitativ hochwertiges Wohnen am Wasser mit der notwendigen Schutzfunktion des Deiches zu vereinen. Wir kreieren maritime, urbane und grüne Bereiche, die sich nicht gegeneinander abschotten, sondern fließend ineinander übergehen und voneinander profitieren. Wir wollen Impulse setzen, die das Augenmerk auf Wilhelmsburg richten. Grundlage dafür sind neue Büro- und Gewerbebereiche für nationale und internationale Unternehmen. Ziel ist es, dass sich ein struktureller Umbau der Arbeitswelt in Wilhelmsburg von der Hafenindustrie hin zu Dienstleistungs- und Produktionsunternehmen vollzieht. Die an den Stil der Hafencity angelehnten Gebäudekomplexe sollen den nördlichen Teil des Hafenbeckens bilden und den dort verlaufenden Veddelkanal flankieren und architektonisch prägen. In unmittelbarer Nähe zu dem Gewerbebereich, den wir als „Business-Area“ bezeichnen, sollen neue Wohngebiete entstehen. Der Bezug zum Wasser und die damit verbundenen Qualitäten sollen allgegenwärtig sein. Vor allem die Planung von Wohnlagen am Wasser ist uns wichtig. Wir wollen dadurch Situationen schaffen, die nicht überall in Hamburg vorhanden sind und damit Wilhelmsburg in den Fokus der Bevölkerung rücken. Die günstigen Grundstückspreise in Wilhelmsburg erlauben es, durch Maßnahmen der Landgewinnung und Aushubarbeiten im Bereich des Spreehafens einige besondere Grundstücke zu schaffen, die den direkten Bezug zum Wasser haben. Selbst die Erschließung der Gebäude kann komfortabel vom Wasser aus erfolgen. An die Historie des Gebiets angelehnt, soll hier ein Wohnquartier entstehen, das vom Hafenflair geprägt ist.

Im Herzen des Quartiers befindet sich ein besonderer Bereich, der vom öffentlichen Leben und Treiben auf dem Wasser geprägt sein soll: Ein bunt gemischtes Ensemble aus verschiedenen Gastronomie-und Einzelhandels- Dienstleistern, schwimmend auf dem Wasser. Die Grundlage für die von uns bezeichnete „Floating Area“ bilden die, für den Gütertransport typischen, Schubleichter. Diese werden konstruktiv ergänzt und über ein modulares System zur Basis für Restaurants, Bistros oder einer schwimmenden Markthalle. Die von uns gewählte Konstruktion sieht auch eine Reaktivierung der Schubleichter für die Schifffahrt vor. Der Spreehafen wurde in der Vergangenheit als Abstellplatz für ausgelagerte Schubleichter verwendet. Wir greifen diese Historie in unserem Entwurf auf und nutzen auch hier das vorhandene Potential. Eine Brücke verbindet den südlichen und nördlichen Teil des Quartiers miteinander und ist gleichzeitig die Erschließung für die „Floating-Area“. Städtebaulich als visuelle markante Landmarke geplant, bilden drei Wohntürme entlang der Brücke den Blickfang des Stadtteils. Dort sollen Wohnungen entstehen, die einen 360° Blick über ganz Hamburg bieten. Wichtig war der Ausbau von Schulen und Kindergärten, sowie Jungend- und Seniorenzentren. Diese Einrichtungen werden südlich des Deichs in das vorhandene Stadtbild integriert. Als Ergänzung planen wir in dem Gebiet neue Wohngebäude, die ein kostengünstiges, familienfreundliches Quartier im Grünen bilden sollen. Mit dem Ziel die Menschen ans Wasser zu bringen, gehen wir durchweg aktiv mit dem Tidehub der Elbe und den notwendigen Maßnahmen des Hochwasserschutzes um.

 

Entlang einiger Küstenstreifen, vor allem in Asien, findet man riesige, von Algen geprägte Areale im Wasser. Dort werden Makro-Algen gezüchtet und dann weiter zu Kosmetik- oder pharmazeutischen Produkten bearbeitet. Diese Methode wird schon seit Jahren angewandt, doch liegen die Nachteile hierbei auf der Hand. Wenn man Algen für die Energiegewinnung, auf diese Weise züchten wollte, so würden riesige Flächen für den Anbau notwendig sein. Ganze Abschnitte der Meeresfläche würden der Algenzucht zum Opfer fallen. Mikro-Algen lösen dieses Problem. Diese Algenform braucht zum Wachsen, Licht, Wärme, Nährsalze und CO2. Wenn diese Rahmenbedingungen erfüllt sind, dann ist das Wachstum der Mikro-Algen unvergleichbar gut und steht in keiner Relation zu anderen Energienutzpflanzen. Man kann sagen, dass sich die Biomasse der Algen fast täglich verdoppelt, was pro Jahr ca. 100t Trockenmassen pro ha Anbaufläche ergibt. Es gibt sogar Prognosen, dass man mit bestimmten Arten pro Jahr und ha bis zu 550t Biotrockenmasse erhalten kann (zum Vergleich: Mais 7-18t, Raps 3-4t, Sojabohne 6-7t). Algen sind die  bedeutendsten phototrophen Primärproduzenten der Erde; dennoch werden von den über 30.000 bekannten Mikro-Algenarten derzeit nur ca. 10 wirtschaftlich genutzt.

Photobioreaktor

Mikroalgen lassen sich entweder in offenen Systemen („open-race-way-ponds“) oder geschlossenen Bioreaktoren züchten. In offenen Systemen wird das Wachstum der Algen in erster Linie durch die Verfügbarkeit von Sonnenlicht beeinflusst, daher ist der Flächenertrag durch die maximale Tiefe der Becken limitiert. Geschlossene Systeme bieten den Vorteil, dass sie durch eine funktionale Geometrie die Züchtung im Volumen, über die maximale Tiefe der Becken hinaus, ermöglichen. Sie können durch die Unterbindung von Verdunstung auch problemlos in ariden Gebieten betrieben werden und bieten die Möglichkeit der CO2-Fixierung aus Abgasen sowie der Nährstoffentfernung aus Abwässern. Für die energetische Verwertung, werden die Mikro-Algen in einen Hochleistungs-Biogasreaktor weitergeleitet. Die Mikroalgen könnten optional vor der energetischen Verwertung zur Wertstoffgewinnung genutzt werden, darüber hinaus sind die in der Algen-Biomasse gespeicherten Nährstoffe rückgewinnbar, was den Aufbau eines in sich geschlossenen Nährstoffkreislaufsystems ermöglicht. Sonnenlicht wird folglich photochemisch in Biomasse, biochemisch in energetisch nutzbares Biogas und schließlich in elektrischen Strom und Wärme umgewandelt. Überschüssige Biomasse kann als landwirtschaftlicher Dünger oder Ausgangsstoff zur weiteren Wertstoffrückgewinnung verwertet bzw. kompostiert werden.

Es gibt eine Vielzahl von Forschungsprojekten, welche die Potenziale von Mikro-Algen aufzeigen, auch wenn man im Bereich der Forschung hier noch ganz am Anfang steht. Dazu gehören z.B. auch die biologische CO2-Fixierung mittels Mikroalgen aus Abgas von Kohlekraftwerken bei RWE oder das Verbundprojekt „Hydro Mic Pro“ zur Wasserstoffgewinnung aus Mikro-Algen, am Institut für Chemie/Physikalische Chemie der Universität Potsdam.

Kläranlage

Aufgrund der noch recht hohen Preise für Mikroalgen (teilweise das 100-fache von anderen Energienutzpflanzen), ist man noch geneigt zu sagen, dass Mikro-Algen keine wirtschaftliche Alternative zu konventionellen Massen-Energiepflanzen darstellen. Aber da man sich noch am Anfang der Forschung befindet, sollte diese Aussage eher ein Anreiz sein weiter in der Thematik zu bleiben. Das wird durch die erheblichen Vorteile dieser neuen Energieform noch gestärkt.

Ein erster Schritt ist es, die Photobioreaktoren mit einer Kläranlage zu koppeln, welche auch in unserem Entwurf die Grundlage für das Energiekonzept ist. Damit die Mikroalgen schneller wachsen und damit auch wirtschaftlich sind, ist es notwendig, diese mit genügend Stickstoff und Phosphor zu versorgen. Jeder kennt das Problem der Blaualgen in Badeseen zur Sommerzeit. Dieses Problem ist in unserem Fall die Ausgangssituation für die Algenzucht. Diese beide Stoffe, sowohl Phosphor, als auch Stickstoff, sind in den Abwässern der Einwohner enthalten und werden in der, zentral im Quartier gelegenen, Kläranlage gesammelt. Die Abwassermenge pro Person am Tag entspricht in etwa dem entsprechenden Wasserverbrauch. Der jeweilige ortsspezifische Wasserverbrauch bildet bei Neuplanungen heutzutage die Grundlage für die Schmutzwassermenge. Man geht dabei ca. von 130l pro Person am Tag aus. Den Stickstoffgehalt im Schmutzwasser nimmt man mit ca. 10 g – 12g pro Einwohner und Tag an, der Phosphorgehalt liegt bei ca. 1,8g. Inwiefern die Algenzucht von den beiden Stoffen abhängig ist, kann man in einem einfachen mathematischen Zusammenhang aufzeigen: 10kg produzierte Algenbiomasse ≈ 10kg Stickstoff und 0,1kg Phosphor (pro Jahr).

Unser Entwurf sieht ein Quartier mit 6.524 Einwohnern und 6.210 Arbeitsplätzen vor. Die von uns vorgesehene Kläranlage ist für 500 -10.000 EW dimensioniert. Wir haben uns für die Anlage „Clear Water S“ von der „Lausitzer Klärtechnik GmbH“ (LKT) entschieden. In Abhängigkeit von der Ausbaugröße besteht die Kläranlage aus einem, zwei oder drei SBR-Reaktoren.

Energiegewinnung

Im Gegensatz zu konventionellen Energiepflanzen können wir für Mikroalgen leider nicht auf Erkenntnisse und Erfahrung aus der Praxis zurückgegriffen. Daher stützen wir uns hierbei auf Forschungsergebnissen, bei denen zunächst grundlegende Untersuchungen zur Charakteristik der anaeroben Fermentation der Mikroalgen im Labor durchgeführt wurden. „Eine realistische Abschätzung erlaubt die Berechnung des Biogasertrags, auf Grundlage empirischer Ertragswerte (…), für den Protein- (50%), Kohlenhydrat- (4,7%) und Lipidgehalt (13%) der Mikroalgen zu 0,678 Nm3/kgoTS mit einem Methangehalt von 63,8 %.“23 Andere Prognosen gehen schon bis zu einem Methangehalt von bis zu 75%. Hierfür werden einige Zwischenschritte bis zur Fermentierung eingebracht. Das Biogas wird anschließend in ein BHKW geleitet und dort in thermische und elektrische Energie umgewandelt.

Wir gehen bei unserem Konzept von einem unteren Heizwert von Hu =35,8MJ/Nm3CH4 (Methan), und einem Wirkungsverhältnis des BHKW‘s von 40% zu 60% aus. Bei der von uns gewählten Größe der Kläranlage und der damit verbundenen Menge an Stickstoff und Phosphor, produzieren die Mikroalgen im Photobioreaktor pro Jahr 697.187 kg Biomasse. Dazu benötigen die Gewächshäuser eine Fläche von 3,5 ha. Die Fläche ist, je nach Größe des Quartiers erweiterbar. Die Biogasanlage hat eine Leistung von ca. 850 KW und produziert damit im Jahr 18.296.398 KWh Energie. In dem gesamten Quartier schaffen wir Wohneinheiten für 6.524 Personen. Unser Mikroalgensystem versorgt allein, nach Abzug des Eigenbedarfs, 5.150 Personen mit elektrischer Energie, den restlichen Strom bringen Photovoltaikanlagen auf, die in das System mit eingebunden werden. Diese Verbindung ist eine Weiterentwicklung der normalen Photobioreaktoren und wird als „Phyto-Voltaikanalge“ bezeichnet. Da den Mikroalgen eine begrenzte Lichtzufuhr ausreicht, können die Gewächshäuser mit Dünnschicht Photovoltaik-Modulen verkleidet werden. Die Photovoltaikmodule erstrecken sich über eine Fläche von 1,5ha und produzieren 1.854.769 KWh elektrischen Strom pro Jahr.

 

©2012 Maximilian Dolle, Tim Dückers

 

 

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