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Title
Parametrische Planung für die pareto-effiziente Nutzung von solaren Energieeinträgen am Beispiel modularer Photobioreaktoren / vorgelegt von: Georg Schmitzberger
Additional Titles
Parametric planning for the pareto-efficient use of solar energy inputs using the example of modular photobioreactors
AuthorSchmitzberger, Georg
Thesis advisorHolzer, Peter
Published2018
Descriptionvii, 67 Blatt
Institutional NoteWien, FH Campus Wien, Masterarb., 2018
Date of SubmissionJuly 2018
LanguageGerman
Document typeMaster Thesis
Keywords (DE)Bioreaktor / Grasshopper / ISO-Container / Ladybug / Mikroalgen / Parametrische Planung / Parametrisches Design / Photobioreaktor / Rhinoceros
Keywords (EN)Bioreactor / Grasshopper / ISO-Container / Ladybug / Microalgae / Parametric Planning / Parametric Design / Photobioreactor / Rhinoceros
Keywords (GND)Sonnenenergie / Photoreaktor
URNurn:nbn:at:at-fhcw:1-5508 Persistent Identifier (URN)
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Parametrische Planung für die pareto-effiziente Nutzung von solaren Energieeinträgen am Beispiel modularer Photobioreaktoren [2.89 mb]
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Abstract (German)

Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Planung eines Photobioreaktors und der Optimierung desselben in Bezug auf die Ausnutzung der gegebenen Solarstrahlung.

Photobioreaktoren sind hoch technisierte Produktionsanlagen zur Züchtung von Mikroalgen, indem die Umweltbedingungen innerhalb des Reaktors möglichst genau auf die Bedürfnisse der Algen abgestimmt werden.

Mikroalgen, die sich in geschlossenen Kultivierungssystemen vermehren, können den Nahrungs- und Energiebedarf der Bevölkerung ergänzen und in Gebieten wachsen in denen sonst keine Landwirtschaft stattfindet, wie Trockengebiete, da kaum Wasser verschwendet wird, oder in Städten, wo ein begrenztes Platzangebot herrscht. Derzeit gibt es mehrere verschiedene Arten von Photobioreaktoren von denen sich der Röhrenphotobioreaktor als besonders zuverlässiges System etabliert hat.

Der Reaktor welcher dieser Arbeit zu Grunde liegt wurde als kostengünstiges, bedienerfreundliches, modulares und daher skalierbares Design entwickelt. Die Grundform bildet ein ISO-Container der weltweit zum Einsatz kommt und für den die nötige Infrastruktur für Herstellung und Transport vorhanden ist. In diesem Container werden Borsilikatglas-Röhren, in denen eine Algensuspension geführt wird, angeordnet. Die Wände des Containers sind offen, um dem Reaktor den Zugang zum für die Photosynthese essenziellen Licht zu ermöglichen.

Das Wachstum der Mikroalgen hängt von der Beleuchtungsstärke (lux) ab und wird in Verdopplungen pro Tag gemessen. Die Anordnung der parallel verlaufenden 11 Meter langen Röhren in einem Reaktormodul soll so aussehen, dass die einfallende solare Strahlung unter den Röhren pareto-effizient aufgeteilt wird. Dies bedeutet, dass unter gegebenen Lichtbedingungen die Verdopplungsrate der Algen im Gesamtsystem maximiert wird.

Um eine solche Anordnung zu finden wird das Prinzip der parametrischen Planung eingesetzt. Mit Grasshopper, einem visuellen Programmeditor welcher auf dem CAD-Programm Rhinoceros 3D basiert, und Ladybug, einem PlugIn zur Strahlungsanalyse, wird diese gesucht. Eine Vielzahl an zufälligen Anordnungen werden vom Programm generiert und Bemessungen daran durchgeführt um das beste Ergebnis, gemessen an der Wachstumsrate, zu erhalten. Durch das Verfahren der parametrischen Planung wird gezeigt welcher Photobioreaktor den höchsten Ertrag erbringen wird.

Abstract (English)

The present thesis deals with the planning of a photobioreactor and its optimization in relation to the utilization of the available solar radiation.

Photobioreactors are high-tech production plants for the cultivation of microalgae by matching the environmental conditions within the reactor as closely as possible to the needs of the algae.

Microalgae, which multiply in closed cultivation systems, can supplement the food and energy needs of the population and grow in areas where otherwise no agriculture takes place, such as drylands, since hardly any water is wasted, or in cities where limited space is available. Currently, there are several different types of photobioreactors, of which the tubular photobioreactor has established itself as a particularly reliable system.

The reactor underlying this thesis has been developed as a cost-effective, user-friendly, modular and therefore scalable design. The basic form is an ISO container used worldwide and for which the necessary infrastructure for production and transport is available. In this container, borosilicate glass tubes are arranged wherein an algal suspension is circulated. The walls of the container are open to allow the reactor access to the light essential for photosynthesis.

The growth of microalgae depends on illuminance (lux) and is measured in doublings per day. The arrangement of the parallel 11m long tubes in a reactor module should be orientated in a way that divides the incoming solar radiation between the tubes pareto-efficiently. This means that under given light conditions, the doubling rate of algae in the whole system is maximized.

To find such an arrangement, the principle of parametric planning is used. Grasshopper, a visual programming editor based on the Rhinoceros 3D CAD program, and Ladybug, a radiation analysis plugin, are used. A multitude of random arrangements are generated by the program and measurements performed on it to obtain the best result, measured by the growth rate. The process of parametric planning shows which photobioreactor will produce the highest yield.

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