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Zunkunfts Initiative Niedrig Energie Gewächshaus (ZINEG) – gestern, heute, morgen

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Abstract

Six years ago, four universities and five research institutes started the joint research project ZINEG. Their goal was to produce plants in greenhouses with minimal consumption of fossil energy. In a system oriented approach they combined process engineering and cultivation measures. At the IGZ, research focused on cultivation measures in order to complement the newly developed greenhouses and obtain optimized, efficient plant production systems. It could be shown that lettuce and tomato plants grow well in temperatures below those which are conventionally applied. Yield and product quality were not negatively affected. At very high temperatures, however, humidity control is essential for good fruit set in tomato. When using transparent thermal screens by day, energy savings must be optimized against yield losses which are induced by light reduction. Future research will focus on the utilization of renewable energy. In particular, excess electrical energy which is deactivated until now can be used for lighting, heating and cooling greenhouses. This will further decrease the use of fossil fuels while considerably increasing the yield.
Jahresbericht IGZ · 2013/2014 5150 Jahresbericht IGZ · 2013/2014
Pflanzen wachsen besser oder schlechter je nach Ausgestaltung ihrer aktuellen oberirdischen und
unterirdischen Umgebungsbedingungen und wirken dabei auf ihre Umwelt zurück. In einigen
Bereichen des Gartenbaus, wie z.B. in Gewächshäusern oder im Feld unter Folien, kann dabei auf
das Mikroklima der Pflanzen durch technische und biologische Maßnahmen ganz gezielt Einfluss
genommen werden. Je nach aktueller Witterung kann der Gemüsebauer in gewissen Grenzen durch
technische Maßnahmen das Wachstum und die Qualitätsausprägung seiner Kulturen steuern.
4.1 Steuerung des Mikroklimas für eine
effiziente Pflanzenproduktion
barem Energieträger über Wärmeschutz-
verglasung oder maximale Isolierung der
Gewächshaushülle durch mehrere Ener-
gieschirme, bis zur geschlossenen Be-
triebsweise der Gewächshäuser. Bei ge-
schlossener Betriebsweise wurde am Tag
solare Wärme aus dem Gewächshaus aus-
gekoppelt und zwischengespeichert, um
sie später bei Bedarf wieder für die
Heizung zu nutzen. Im IGZ erforschten
wir kulturtechnische Methoden, um die
Betriebsweise der neu entwickelten
Gewächshäuser zu optimieren. Viele der
Erkenntnisse gelten aber auch für her-
kömmliche Gewächshäuser (Abb. 1 ,
Abb. 2 und Abb. 3 ).
Die einfachste und wirkungsvollste kul-
turtechnische Methode ist die Herabset-
zung der Temperatur. Verringert sich die
Temperatur im Gewächshaus um 1 K,
sinkt der Heizenergiebedarf um 7 %, al-
lerdings verzögert sich auch das Wachs-
tum. Wird die Anbautemperatur bei Salat
von 17 auf 10 °C herabgesetzt, verdoppelte
sich die Kulturzeit von vier auf acht Wo-
chen. Die Köpfe werden aber nur gering-
fügig größer (Abb. 2 ). Diese Verlänge-
rung vermindert leider den Erlös, weil
anstelle von zwei nur eine Ernte in acht
Wochen möglich ist. Zusätzlich nivelliert
sie die auf das Produkt bezogenen Heiz-
energieverbräuche der Temperaturvarian-
ten. Eine sinnvolle Alternative stellt die
vorzeitige Ernte kleinerer Salatköpfe bei
niedrigen Temperaturen dar. Das geringe-
re Kopfgewicht kann durch eine höhere
Bestandsdichte größtenteils kompensiert
werden. Diese Variante birgt einen weite-
ren positiven Aspekt: Infolge des früheren
Wachstumsstadiums und der niedrigen
Anbautemperatur enthält der Salat eine
wesentlich höhere Konzentra tion an Poly-
phenolen. Deren gesundheitsfördernde
Wirkung ist seit langem bekannt.
Auch die wärmeliebende Tomate kann
bei sehr niedrigen Temperaturen kulti-
viert werden. In einem weiten Bereich
wurde keine Wirkung der Temperatur auf
die Photosynthese temperaturangepasster
Pflanzen gefunden. Auch das Muster,
Vor nunmehr sechs Jahren begann ein
Forschungsverbund bestehend aus drei
Universitäten, einer Fachhochschule und
fünf außeruniversitären Forschungsein-
richtungen mit der Entwicklung neuer
Gewächshaustechnologien, welche mit ei-
ner deutlich verringerten Menge an fossi-
len Energieträgern auskommen sollten.
Dafür wurde ein systemorientierter An-
satz mit Kombination von technischen
und kulturtechnischen Maßnahmen ge-
wählt. In Berlin, Hannover, Schifferstadt
und Osnabrück wurden Forschungs- und
Demonstrationsobjekte gebaut und getes-
tet. Zahlreiche technische Möglichkeiten,
den Verbrauch fossiler Brennstoffe zu ver-
ringern, wurden untersucht. Sie reichten
von der Nutzung von Holz als erneuer-
Zukunfts Initiative Niedrig
Energie Gewächshaus (ZINEG) –
gestern, heute, morgen
Abb. 1: Tomatenpflanzen in einem
Versuch zur Wirkung niedriger Temperatur
auf Ertrag und Fruchtqualität.
HANS-PETER KLÄRING · CHRISTINE BECKER · ANGELIKA KRUMBEIN · INGO SCHUCH ·
ANGELA SCHMIDT · ANNA FRANZISKA HAHN · INGO HAUSCHILD · KERSTEN MAIKATH
Energie sparen
macht Salat gesünder
52 Jahresbericht IGZ · 2013/2014 Jahresbericht IGZ · 2013/2014 53
0
2
4
6
8
10
07. Apr 21. Apr 05. Mai 19. Mai 02. Jun
Ertrag, kg m-2
20/18 °C 16/14 °C 11/9 °C
Heizungssollwert Tag/NachtHeizungssollwert Tag/Nacht
0
6
12
18
13. Mrz. 27. Mrz. 10. Apr. 24. Apr. 8. Mai. 22. Mai. 5. Jun. 19. Jun. 3. Jul.
Ertrag, kg m-2
Pannovy, Temperaturintegration
Pannovy, konstante Heizungssollwerte
Komeett, Temperaturintegration
Komeett, konstante Heizungssollwerte
nach dem die Assimilate auf die einzelnen
Kompartimente verteilt werden , blieb
weitestgehend unberührt. Daher war der
Gesamtertrag durch eine Temperaturab-
senkung nicht verringert. Jedoch verzö-
gert sich der Ertragsbeginn um ungefähr
4 Tage je 1 K Temperaturabsenkung. Al-
lerdings wird das in den folgenden Wo-
chen durch größere Ernten wieder kom-
pensiert (Abb. 4 ). Eine Möglichkeit, die
Ernteverzögerung zu vermeiden und
trotzdem Heizenergie einzusparen, be-
steht darin, Temperaturintegrationsstrate-
gien anzuwenden. Die Idee dahinter ist
folgende: Ist der Bedarf an Heizenergie
hoch, werden die Pflanzen bei niedrigen
Temperaturen kultiviert. Das verzögerte
Wachstum wird später kompensiert, wenn
höhere Temperaturen im Gewächshaus
durch hohe solare Einstrahlung oder hohe
Außentemperaturen gratis erreicht wer-
den. Diese Möglichkeit wurde in einem
Versuch mit Tomate erfolgreich demonst-
riert (Abb. 5 ).
Weitere kulturtechnische Methoden,
den Einsatz fossiler Energieträger zu ver-
ringern, sind die Nutzung transparenter
Energieschirme auch am Tage und die
Kultivierung der Pflanzen bei sehr hohen
Temperaturen. Bei der Entscheidung,
transparente Energieschirme tagsüber
einzusetzen, spielen ökologische und öko-
nomische Aspekte eine Rolle: Verringerte
Abb. 4: Ertragsverlauf von Tomate der Sorte Pannovy in Abhängigkeit von den Sollwer ten für die Heizung. Niedrige Temperaturen verzögern den Beginn
der Ernte, kompensieren das aber durch höhere Erntemengen im Verlauf des Anbaus. Die mittlere Standardabweichung aller Punkte ist 0,2 kg m-2 (n=2).
Abb. 5: Ertragsverlauf von zwei Tomatensorten bei konstanter und variabler Temperatur. Die blauen und roten Abschnitte auf der x-Achse markieren den
Wechsel von kühlen und sehr warmen Perioden bei der variablen Einstellung von Heizungssollwerten. In kühlen Perioden zurückgebliebene Fruchtentwicklung
wurde durch beschleunigte Fruchtreife in wärmeren Perioden kompensiert. Die mittlere Standardabweichung aller Punkte ist 0,16 kg m-2 (n=3).
CO2-Emissionen und Heizkosten müssen
gegen Ertragsverluste durch verminderte
Lichtintensität abgewogen werden.
Bleibt die Gewächshauslüftung bei ho-
her Einstrahlung lange geschlossen, kann
sehr viel solare Überschussenergie für die
spätere Nutzung ausgekoppelt werden.
Gleichzeitig kann die Photosynthese der
Pflanzen erhöht werden, weil CO2-Anrei-
cherung über einen längeren Zeitraum
möglich ist. Beim Anbau von Gurke sind
dieser Strategie kaum Grenzen gesetzt.
Bei Tomate verklumpt aber bei hoher
Temperatur in Verbindung mit hoher
Luftfeuchtigkeit der Pollen, was Befruch-
tungsschäden und Ertragsverluste zur Fol-
ge hat. Rechtzeitiges Lüften ist daher bei
der Tomate zur Vermeidung zu hoher
Luftfeuchtigkeit unbedingt erforderlich.
Am 31. Dezember 2014 ist ZINEG mit
vielen theoretischen und praxisrelevanten
Erkenntnissen ausgelaufen. Der Sieg im
Wettbewerb um den deutschen Nachhal-
tigkeitspreis 2014 in der Kategorie For-
schung bestätigt sowohl die Aktualität der
bearbeiteten Fragestellung als auch der
erzielten Ergebnisse.
Wie geht es nun weiter? Die ZINEG-
Ergebnisse werden in die Praxis über-
führt. Es schließen sich aber auch neue
Forschungsthemen an, die auf den gewon-
nenen Erkenntnissen aufbauen. Eine gro-
ße Herausforderung ist, die Überschüsse
von Elektroenergie aus regenerativen
Energiequellen wie Windenergie und
Photovoltaik nutzbar zu machen. Gegen-
wärtig werden diese Überschüsse in gro-
ßem Maßstab abgeregelt. Steigt der Anteil
erneuerbarer Energien bei der Elektro-
energieversorgung, nehmen auch diese
Überschüsse zu. Gemeinsam mit Partnern
aus dem Energiebereich wollen wir Ver-
fahren entwickeln, diese kaum vorherseh-
baren und unregelmäßig anfallenden
Überschüsse zu nutzen, um Gewächshäu-
ser zu heizen, zu kühlen und die Pflanzen
zu belichten. Auf diese Weise wird der
Verbrauch fossiler Energieträger weiter
gesenkt und gleichzeitig der Ertrag der
Pflanzen erhöht (Abb. 6 ).
Kopfmasse, g FMErtrag, kg m-2
Ertrag, kg m-2
Heizungssollwert Tag/Nacht
20/18 °C 16/14 °C 11/9 °C
| | | | |
7. April 21. April 5. Mai 19. Mai 2. Juni
| | | | | | | | |
13. März 27. März 10. April 24. April 8. Mai 22. Mai 5. Juni 19. Juni 3. Juli
10
8
6
4
2
0
18
12
6
0
Abb. 2: Niedrigere Temperaturen verzögern das Pflanzenwachstum (linke Seite der Grafik). Sie erhöhen aber die Konzentration roter Flavonoide, (Anthocya-
ne) in rotem Salat, besonders in einem frühen Wachstumsstadium (rechte Seite der Grafik). Pflanzen, die sechs Wochen wuchsen, wurden erst bei nied-
rigeren, dann bei höheren bzw. erst bei höheren, dann bei niedrigen Temperaturen angebaut. Die Reihenfolge wird durch die Farbfolge in den Balken ange-
zeigt. Identische Buchstaben über den Balken zeigen an, dass sich die dargestellten Mit telwer te nicht signifikant unterscheiden (n = 3, Tukey HSD).
Abb. 3: Draufsicht auf marktreife Lollo Rosso-Köpfe, die erst bei höheren, dann bei niedrigen (links)
bzw. erst bei niedrigeren dann bei höheren Temperaturen (rechts) angebaut wurden. Durch seine
höhere Anthocyankonzentration hat der linke Kopf eine dunklere Farbe.
400
350
300
250
200
150
100
50
0
b
b
a
a
C
AB
AB
A
B
B
A
AB
Erntezeitpunkt (Wochen nach Pfl anzung) 20/15 °C 12/7 °C
2 4 4 6 6 8 2 4 4 6 6 8
6
5
4
3
2
1
0
Anthocyankonzentration, mg (g TM) -1
Pannovy, Temperaturintegration Pannovy, konstante Heizungssollwerte
Komeett, Termperaturintegration Komeett, konstante Heizungssollwerte
Abb. 6: Oft liefern Windkraftwerke und Solarzellen
mehr Strom als verbraucht werden kann. Dann
werden diese Ressourcen abgeregelt aber trotzdem
dem Lieferanten voll vergütet. Diese sonst ver-
lorenen Überschüsse an Elektroenergie wollen
wir für die Belichtung der Pflanzen und Heizung
der Gewächshäuser nutzen. Die Herausforderung
dabei folg t aus dem Widerspruch aus dem unregel-
mäßigen, kaum vorhersehbaren Eintreten der
Überschusssituationen und dem periodischen
Energiebedarf der Gewächshäuser.
4.1
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