Waterstof als structurerend element in energetisch zelfvoorzienende architectuur: kan dat? Jazeker. Het afstudeerproject van Bernard Aukema laat zien hoe de nog relatief onbekende waterstoftechnologie geïntegreerd in een gebouw kan leiden tot nieuwe architectuur die functioneert als een werkende machine.
Architectuur is naast ruimtelijke kwaliteit ook techniek, techniek die het ontwerp kan vormen en versterken. Het is daarom essentieel dat naast het ontwerpen ook technische verdieping plaatsvindt. Dit vond Bernard Aukema in zijn afstudeerrichting Architectural Engineering aan de TU Delft, een architectuurrichting die in hoge mate is geïntegreerd met (bouw)techniek, waarbij gedegen technisch onderzoek een voorwaarde is om tot architectuur te komen. Architectural Engineering, in de wandelgangen van de faculteit Bouwkunde ‘aE’ genoemd, is opgezet door hoogleraar Thijs Asselbergs in 2008.
Hy-Tech
Het door Bernard ontworpen gebouw is zo georganiseerd dat het de waterstoftechnologie zelf uitlegt. De bezoeker beweegt zich als molecuul door het gebouw en komt de verschillende processen van de waterstoftechnologie tegen. Het doel was om het gebouw energetisch zelfvoorzienend te laten zijn, waarbij de waterstoftechnologie als onderdeel van het energiesysteem in het gebouw kan worden geïntegreerd. Dit heeft geleid tot innovatief en integraal architectonisch ontwerp. Het afstudeerproject laat goed zien dat de waterstoftechnologie samen met andere duurzame energietechnieken in een integraal gebouwontwerp ook interessante architectuur kan opleveren, een nieuwe expressie geleid door de techniek.
Het ontwerp betreft een onderzoeks- en informatiecentrum voor de waterstoftechnologie zelf, ontworpen op het NDSM-terrein in Amsterdam-Noord. Juist omdat men op deze locatie experimenteel bezig is met duurzame energietechnieken past dit project op deze prominente plek in de stad Amsterdam.
Energetisch zelfvoorzienend
Energetisch zelfvoorzienend zijn betekent iets anders dan energieneutraliteit. Het gebouw is namelijk niet aangesloten op het elektriciteitsnet. Er zijn steeds meer gebouwen die energieneutraal genoemd worden: over het gehele jaar wordt netto evenveel elektriciteit geleverd aan het net, als dat het gebouw zelf gebruikt. Het gebouw hoeft de energieopslag dan niet zelf te faciliteren. Om de uitdaging te vergroten en de mogelijkheden van de waterstoftechnologie te onderzoeken in de architectuur is het doel gesteld om het afstudeerproject volledig energetisch zelfvoorzienend te ontwerpen. Het gebouw is daarom zelf voorzien van energieopslag, namelijk de waterstofopslag.
Het grootste gedeelte van de energie in het ontwerp wordt opgewekt met zonnepanelen op het dak. Er is echter een probleem: de zon schijnt niet altijd even lang en met eenzelfde intensiteit. De vraag en het aanbod van energie varieert sterk. Waterstof is in dit project ingezet om energie op te slaan en het gebouw het hele jaar energetisch onafhankelijk te kunnen laten zijn. Waterstof is op dit moment geen efficiënt opslagmedium. Er gaat veel energie in de vorm van warmte verloren bij het splitsen van water in waterstof en zuurstof en het weer terug omvormen naar elektriciteit. Juist deze warmte wordt ook toegepast in het gebouw als verwarming. Het onderzoek is gericht op de haalbaarheid en mogelijkheden van dit energieconcept.
Water en zonne-energie
Het dak heeft in het ontwerp twee belangrijke functies: het opvangen van zonne-energie en het opvangen van water. Juist deze twee elementen zijn nodig voor elektrolyse. Een groot deel van het dat dak is daarom voorzien van horizontale stroken amorfe zonnecellen die in aluminium profielen gelegd zijn en naar de zon gericht. Elke opstand van het aluminium profiel dient in het ontwerp als een goot, die het water onder afschot naar het midden van het gebouw brengt, waar het verder verwerkt wordt.
Windturbine
Er is gekozen voor een kleiner aandeel in windenergie vanwege de lagere windsnelheid in stedelijke omgevingen. Daarnaast is de visuele impact op de architectuur van windmolens veel groter als op een dergelijke schaal dezelfde hoeveelheid energie opgewekt wordt als met zonnepanelen op het dak. De windrichtingen spelen echter wel een belangrijke rol in het ontwerp.
De gebouwas is georiënteerd op het zuidwesten omdat dit de dominante windrichting is in de winter. Ook keert deze richting stedenbouwkundig terug op de locatie. De vorm van het gebouw dwingt de wind door een opening in het gebouw langs een verticale-as windturbine te stromen, waarna de opgewekte energie inzet wordt om de door de electrolyser geproduceerde waterstof te comprimeren. In de zomer komt de wind voor een groot gedeelte van de tijd uit het westen. Een koelere bries wordt langs de gevel van het gebouw omhoog gestuwd waarmee de westelijke kantoren worden geventileerd.
Structurerende techniek
Het dak vangt het regenwater en de zonne-energie op en deze twee elementen worden in de kop van het gebouw door de electrolysers, hangend boven de hoofden van de bezoekers, gebruikt om zuurstof en waterstof te produceren. De wind waait door het gebouw en de opgewekte windenergie wordt specifiek ingezet om de twee gassen in hun tanks te comprimeren.
Waterstof wordt opgeslagen buiten het gebouw, in donutvormige tanks in het water. De zuurstof wordt voor een gedeelte opgeslagen in tanks die zich in het dak van de entree bevinden. Elektriciteit wordt geproduceerd door de brandstofcellen onderin het gebouw als de twee gassen weer bij elkaar komen. De overige installaties zijn gesitueerd vlakbij de brandstofcellen onder de entree.
Om het auditorium (bovenste gedeelte van het gebouw) te verduisteren wordt gebruik gemaakt van EFTE kussens die voorzien zijn van een Wolfraamtrioxide (WO3) coating die van transparant naar blauw kleurt zodra er 2% waterstofgas in het kussen bijgemengd wordt. Er valt daarna minder licht binnen, en het licht dat binnenvalt is blauw, zodat dit de ‘waterstofbeleving’ vergroot.
Gebouw als motorblok
In de dwarsdoorsnede (afbeelding 6) ligt het dak op 6 graden afschot om het regenwater te kunnen verzamelen. In de lengtedoorsnede (afbeelding 7) is onder het dak te zien waar het regenwater wordt opgevangen en wordt gezuiverd tot puur H2O in de drie cilinders voordat het naar de electrolysers in de `kop’ gaat. Een deel van het opgevangen water wordt ingezet als toiletspoeling. Het dak ligt in de lengtedoorsnede op 30 graden hoofdzakelijk richting het zuiden om zoveel mogelijk zon op te vangen. Verder is in de lengtedoorsnede een waterbassin te zien. Dit bassin herbergt het overschot aan regenwater. Daarnaast wordt de massa van het water gebruikt om warmte in op te slaan die de apparatuur produceert, zodat dit in de winter kan dienen als warmtebron voor de warmtepomp. Boven het bassin groeien planten. De interne ventilatie verloopt langs deze groene `kassen’. De iets zuurstofrijkere lucht wordt daarnaast ook aangezogen door de brandstofcellen zodat ze hier samen met de waterstof uit de tanks elektriciteit mee kunnen produceren.
Integratie disciplines
De masterrichting Architectural Engineering brengt ruimtelijke, functionele, sociale en technologische mogelijkheden en ontwikkelingen samen. Techniek kan dienen als inspiratiebron en is een voorwaarde voor de voor de hedendaagse architectuur. Binnen de afstudeerstudio Architectural Engineering wordt techniek versmolten met architectuur: de een bepaalt de ander. Dat blijft soms een lastige opgave, maar Bernard Aukema is het wonderwel gelukt om een nieuwe vorm van ‘machine-architectuur’ te maken waarin niet de architectuur in zijn vormconcept en beeldwaarde centraal staat, maar de optimalisatie van de toegepaste technieken. Programma, ruimte, constructie en materiële uitwerking werden in een onderlinge samenhang gebracht die recht doet aan de onderdelen en hun rol in het technologisch concept van deze opgave. De vertaalslag van de hiervoor beschreven onderzoeksresultaten naar een ruimtelijke ordening en architectonische verbeelding kwam in het project van Bernard Aukema pas echt tot stand toen de metafoor van het motorblok werd gevonden en kon worden ‘gelezen’ als een gebouw. De ideale ligging aan het IJ (voor koeling en opslag van de waterstoftanks) en de perfecte oriëntatie op de zon en de wind gaven richting aan de uitwerking van de massa-opbouw van het gebouw. De expressieve dakvorm garandeert een maximale opvang van zonne-energie en regenwater. Waterbassins in het gebouw verzorgen de energieopslag in de vorm van warmte, waarboven planten groeien, die op hun beurt weer een bijdrage leveren aan de kwaliteit van het binnenklimaat. De ‘vin’ onder auditorium is een voorbeeld van elemtent waar alle disciplines samen komen. Het benadrukt de richting van het gebouw, graagt zowel het auditorium als een groot deel van het dak, biedt ruimte aan installaties onder de tribune, en zorgt ervoor dat de liggers het dunst kunnen zijn in het midden van het auditorium, zodat de wind goed onder het gebouw door kan stromen. Ook de verschillende programma onderdelen hebben een optimale plek in het gebouw gevonden. De openbare functies (auditorium en tentoonstellingsruimten) met uitzicht op het IJ en de verschillende energiesystemen; de kantoren en laboratoria aan de meer afgeschermde oostzijde van het gebouw. Bernard had een ongebruikelijk uitgangspunt door waterstoftechnologie centraal te stellen in zijn architectonische opgave. Met de toekomstige behoefte aan duurzame energiebronnen en efficiënte opslagvormen, is dit een maatschappelijk relevant onderwerp. Bernard is ervoor in specialistische literatuur gedoken, heeft zich het onderwerp eigen gemaakt en vertaald in architectuur. Daarmee heeft Bernard een belangrijke bijdrage geleverd aan de ontwikkeling van toepassingsmogelijkheden van waterstof in de gebouwde omgeving. En passant heeft hij er ook nog een nieuwe markante architectonische expressie bij geleverd.
Aldus de beoordeling door afstudeerbegeleiders van de Afdeling Architectural Engineering +Technology, Faculteit Bouwkunde, TU Delft: ir. J.F. Engels , prof.dr.ir. A.A.J.F. van den Dobbelsteen en prof.ir. M.F. Asselbergs.
Tekst: Bernard Aukema
Schrijf je in voor de nieuwsbrief
Ontvang iedere week het laatste nieuws en informatie op het gebied van architectuur in uw mailbox.
Gerelateerd
Tags:
afstudeerproject,
architect,
premium,
TU Delft,
waterstof,
windenergie,
zonne energie