Technical ReportPDF Available

Machbarkeitsstudie zur Elektroenergieversorgung von Gewächshäusern bei einer volatilen Stromversorgung mit hohem Anteil erneuerbarer Energien (ELGEVOS) - Abschlussbericht zum Teilprojekt der Humboldt-Universität zu Berlin

Authors:

Abstract

In der Machbarkeitsstudie ELGEVOS wurde der Gewächshausbetrieb durch eine computersimulierte Lastverschiebung entsprechend den Preisschwankungen am Strommarkt optimiert, um geringere Stromkosten zu erreichen. Dabei wird die im konventionellen Betrieb auf Zeiten mit hohen Strompreis fallende Last reduziert bzw. auf einen späteren Zeitpunkt mit niedrigeren Preis verschoben. Hierzu muss das Energieregime des Gewächshauses so gesteuert werden, dass eine Unterbrechung oder Reduzierung der Stromzufuhr über einen thermischen Speicher abgefangen und ein Stromüberschuss über eine Elektrowärmepumpe oder Widerstandsheizung in eine längerfristige Speicherkapazität umgewandelt wird. Die Stromverbraucher sind zügig regelbar, während die Lufttemperatur im Gewächshaus auf Veränderungen der Energiezufuhr träge reagiert. Dennoch muss die Lastverschiebung zeitlich begrenzt erfolgen, damit die Luftmasse im Gewächshaus oder ein Pufferspeicher die volatile Betriebsstrategie abfangen kann, ohne das Pflanzenwachstum negativ zu beeinflussen. Die Simulationsergebnisse zeigen, dass durch ein strompreisoptimiertes Lastmanagement größere Kosteneinsparungen erzielt werden könnten. Aufgrund von sich ändernden politischen und regulatorischen Rahmenbedingungen hängt eine Bewertung jedoch von Einzelfallbetrachtungen ab. Derartige Untersuchungen können mit den im Projekt ELGEVOS entwickelten Simulationswerkzeugen durchgeführt werden. Als Einstieg in die komplexe Thematik zeigt eine interaktive Webanwendung (www.elgevos.de/animation) mögliche Anwendungsszenarien und vergleicht den strompreisoptimierten Betrieb unterschiedlicher Gewächshauskonfigurationen mit/ohne Stromlastmanagement.
Abschlussbericht
zum
ELGEVOS-Teilprojekt der Humboldt-Universität zu Berlin
Zuwendungsempfänger:
Humboldt-Universität zu Berlin (HUB)
Antragsnummer bei Rentenbank:
756 544
Aktenzeichen bei BLE:
28RZ5-023
Vorhabensbezeichnung:
Machbarkeitsstudie zur Elektroenergieversorgung von Gewächshäusern bei einer
volatilen Stromversorgung mit hohem Anteil erneuerbarer Energien (ELGEVOS)
Laufzeit des Vorhabens:
05/2015 – 07/2018
Bearbeiter:
Prof. Dr. sc. techn. Uwe Schmidt *
Tel.: 030 2093 46410
Mail: u.schmidt@agrar.hu-berlin.de
Dr. rer. hort. Ingo Schuch *
Tel.: 030 2093 46416
Mail: ingo.schuch@agrar.hu-berlin.de
* Humboldt-Universität zu Berlin
Lebenswissenschaftliche Fakultät
Albrecht Daniel-Thaer Institut für Agrar- und Gartenbauwissenschaften
Fachgebiet Biosystemtechnik
Albrecht-Thaer-Weg 3
14195 Berlin
Datum:
13.02.2019
Abschlussbericht „ELGEVOS“ – Teilprojekt der HUB
II
Die Förderung der Machbarkeitsstudie ELGEVOS erfolgte aus Mitteln des Zweckvermögens
des Bundes bei der Landwirtschaftlichen Rentenbank (LR). Die Projektträgerschaft oblag der
Bundesanstalt für Landwirtschaft und Ernährung (BLE).
Abschlussbericht „ELGEVOS“ – Teilprojekt der HUB
III
Inhalt
1 Einleitung .......................................................................................................................... 1
1.1 Aufgabenstellung ....................................................................................................... 1
1.2 Voraussetzungen des Vorhabens ............................................................................. 1
1.3 Ablauf des Teilprojekts der HUB ............................................................................... 2
1.4 Wissenschaftlicher und technischer Stand zu Projektbeginn .................................... 2
1.5 Zusammenarbeit mit anderen Stellen ....................................................................... 4
2 Ergebnisse des Teilprojekts der HUB ............................................................................... 5
2.1 Pflanzenbauliche Nebenversuche ............................................................................. 5
Volatile Heizung vs. Phytosignale ...................................................................... 5
Volatiler Kühlbetrieb vs. Ertrag ........................................................................... 6
2.2 Energiesimulation einer Solarkollektorgewächshausanlage ..................................... 7
Aufbau einer meteorologischen Datenbank ....................................................... 7
Modellparameter ................................................................................................ 8
Modellarchitektur ................................................................................................ 9
Submodell zur Speichertemperatur .................................................................... 9
Simulationen .................................................................................................... 10
2.3 Ergebnissverknüpfung der Teilprojekte ................................................................... 13
2.4 Verwertbarkeit der Ergebnisse ................................................................................ 15
2.5 Veröffentlichungen .................................................................................................. 16
3 Kurzfassung .................................................................................................................... 17
Abschlussbericht „ELGEVOS“ – Teilprojekt der HUB
1
1 Einleitung
1.1 Aufgabenstellung
In der Machbarkeitsstudie ELGEVOS wurden Energieversorgungsszenarien für Gewächshäu-
ser anhand von Modellen und Simulationen erprobt, die sich auf eine zunehmende Nutzung
erneuerbarer Energien einstellen und der damit einhergehenden Volatilität des Stromangebots
begegnen. Die Lösungsansätze sollten den elektrischen und thermischen Energiebedarf von
Gewächshäusern (v. a. zur Belichtung, Heizung/Kühlung) einbeziehen und wirtschaftlich sein.
Eine dynamische Strategie für das Energiemanagement muss die hohen Anforderungen für
eine intensive Pflanzenproduktion bzw. pflanzenbauliche Restriktionen bei der zeitlich flexiblen
Energieversorgung berücksichtigen. Dabei ist die Nutzung von Pufferkapazitäten durch ther-
mische Energiespeicher von großer Bedeutung.
1.2 Voraussetzungen des Vorhabens
Ein wesentlicher Anteil der Betriebskosten von Gewächshäusern entfällt auf die Strom- und
Wärmeversorgung und ist mit großen CO2-Emissionen verbunden. Ein wirtschaftlicher Betrieb
von Gewächshausanlagen und eine nachhaltige Produktion hängen daher essentiell von der
Entwicklung der Energiekosten und Minderung des CO2-Ausstoßes ab. Die Energieversor-
gung befindet sich derzeit mit der Energiewende in einer Phase des Umbruchs. Der Anteil der
erneuerbaren Energien nimmt stark zu und es werden steigende Kosten für fossile Primär-
energieträger (v. a. Öl und Gas) erwartet. Mit den erneuerbaren Energien zeichnet sich eine
steigende Volatilität im Strommarkt ab, da zur Nachfrage- auch eine zunehmende Angebots-
schwankung hinzukommt. Eine zeitweise hohe Windstromerzeugung führt teils zur Abriege-
lung erneuerbarer Energien wegen Stromnetzüberlastung und negativen Strommarktpreisen.
Daher werden zunehmend flexible Kapazitäten sowohl zur Stromerzeugung und zum Strom-
verbrauch, aber auch zur Energiespeicherung benötigt. Hier bietet der Betrieb von Gewächs-
häusern interessante Lösungsmöglichkeiten. Neben der lichttechnischen Beeinflussung der
Photosynthese (ELGEVOS-Teilprojekt am Leibniz-Institut für Gemüse und Zierpflanzenbau,
IGZ) sind dies die Nutzung von Elektrowärmepumpen und die Speicherung von Wärme bzw.
Kälte (ELGEVOS-Teilprojekt an der HUB) in Wasserreservoirs. Für Betriebe mit energieinten-
siver Produktion wie bei Gewächshäusern kann daher die Fähigkeit, den Energieverbrauch an
die Volatilität des Angebots bzw. der Strompreise anzupassen und sogar gezielt Überschüsse
auszunutzen, ein entscheidendes Kriterium für die Wettbewerbsfähigkeit sein. Zudem führt
eine angebotsabhängige, zeitliche Verschiebung des Stromverbrauchs dazu, dass überwie-
gend Wind- und Solarenergie statt fossile Energieträger genutzt werden. Für Gewächshäuser
bedeutet dies, dass CO2-Emmissionen durch die zeitlich flexible Nutzung der Überschüsse
aus erneuerbaren Energien vermieden werden können.
Abschlussbericht „ELGEVOS“ – Teilprojekt der HUB
2
1.3 Ablauf des Teilprojekts der HUB
Mit Abschluss des ZINEG-Projektes bzw. der Entwicklung eines Solarkollektorgewächshauses
stehen umfängliche Datenbanken zum Aufbau eines komplexen Energiemodells zur Kopplung
von Gewächshäusern mit reversiblen Wärmepumpen (zur Kühlung/Heizung) und thermischen
Speichern zur Verfügung. Der Nachteil bei der Verwendung von Elektrowärmepumpen besteht
jedoch trotz des hohen Primärenergienutzungsgrades im Einsatz von, im Vergleich zu fossilen
Energieträgern, teuren Strom. Dies führte zur Überlegung einer Betriebsweise, bei der elektri-
sche Verbraucher v. a. dann angefordert werden, wenn diese netzdienlich sind und der Strom
dadurch günstig verfügbar ist. Dabei muss das energetische Regime des Gewächshauses so
gesteuert werden, dass eine Unterbrechung oder Reduzierung der Stromzufuhr über thermi-
sche Speicherung abgefangen und ein Stromüberschuss mit Elektrowärmepumpe oder Wi-
derstandsheizung in längerfristige thermische Speicherkapazität umgewandelt werden kann.
Hierzu wurde an der HUB neben pflanzenbaulichen Versuchen zur volatilen Heizung/Kühlung,
insbesondere ein Modell zur Simulation einer solchen Solarkollektorgewächshausanlage ent-
wickelt. Die Simulationsergebnisse wurden mit denen der anderen Teilprojekte (IGZ und IEE)
verknüpft und in Form eines Internetauftritts (www.elgevos.de) der Öffentlichkeit zugänglich
gemacht. Auf der Website werden interaktiv-konfigurierbare Anwendungsszenarien für Toma-
tengewächshäuser ohne/mit strompreisoptimierten Lastmanagement hinsichtlich der Kosten,
Erträge und Erlöse gegenübergestellt.
1.4 Wissenschaftlicher und technischer Stand zu Projektbeginn
In Gesellschaft und Politik besteht ein weitgehender Konsens bzgl. der Notwendigkeit einer
Umstrukturierung der Energieversorgung, aber auch der Energieverwendung. Der Anteil der
erneuerbaren Energien bei der Stromversorgung wird in den kommenden Jahren ansteigen.
Weiterhin muss der Verbrauch an fossilen Primärenergieträgern deutlich gesenkt werden, um
die umweltpolitischen Ziele einer stark verringerten CO2-Emmision zu erreichen. Bei diesem
Vorhaben treffen zwei förderpolitische Ziele aufeinander:
Der wachsende Anteil an fluktuierender Verstromung aus den erneuerbaren Energien
führt zu temporären Überschüssen, die von der Gewächshauswirtschaft genutzt wer-
den könnten, womit sich der Verbrauch an fossilen Energieträgern verringern ließe.
Die dadurch gewonnene Flexibilität beim Stromverbrauch könnte genutzt werden, um
fluktuierende erneuerbare Energie zu integrieren und Hindernisse für deren Ausbau
abzuschwächen.
Abschlussbericht „ELGEVOS“ – Teilprojekt der HUB
3
Gegenwärtig liegt der Anteil der erneuerbaren Energieträger bei der Jahresstromerzeugung in
Deutschland bei etwa 38 %. Bis 2030 will die Bundesregierung diesen Anteil sogar auf 65 %
erhöhen
. Studien zeigen, dass dies die Volatilität/Schwankung der Strompreise verstärkt
,
.
So kann ein Überangebot von erneuerbaren Energien zu negativen Börsenstrompreisen füh-
ren. Hohe Preise können hingegen bei einer sinkenden Verstromung von erneuerbaren Ener-
gien auftreten. Ein Gleichgewicht zwischen Stromerzeugung und -nachfrage ist zudem eine
Voraussetzung für eine stabile Netzfrequenz (50 Hz). Daher werden flexible Verbrauchs- und
Speichereinheiten benötigt.
Hierzu bietet der Betrieb von Gewächshäusern die Möglichkeit deren Energiebedarf zu flexi-
bilisieren und den Übertragungsnetzbetreibern die sogenannte Regelleistung
(RL) anzubie-
ten. Diese wird in positive und negative RL unterschieden. Bei der negativen RL werden Strom-
verbraucher eingeschaltet oder deren Leistung wird erhöht. Dagegen wird bei positiver RL der
Stromverbrauch reduziert. In diesem Kontext erscheint bei Gewächshäusern neben der her-
kömmlichen Verwendung von Lampen, die Erzeugung von thermischer aus elektrischer Ener-
gie über Wärmepumpen und Widerstandsheizungen geeignet zu sein. Mit dieser Art der Nutz-
wärmeerzeugung ließen sich fossile Brennstoffe ersetzen, da die Beheizung und Klimatisie-
rung von Gewächshäusern normalerweise mit einem hohen Verbrauch an fossilen Energieträ-
gern einhergeht. Damit verbunden sind entsprechende CO2-Emissionen.
Der Einsatz von Wärmepumpen zur Beheizung von Gewächshäusern wurde in den vergange-
nen Jahren mehrfach untersucht
,
,
. Eine Verbreitung dieser, in anderen Bereichen der Hei-
zungstechnik durchaus üblichen Technologie scheiterte jedoch bisher an den Kosten für die
Anlagenausstattung und Elektroenergie. Wie im Berliner ZINEG-Teilprojekt nachgewiesen
wurde, kann bei gleichzeitiger CO2-Düngung der Einsatz von Wärmepumpen zur Kühlung und
Heizung nicht nur den Energieverbrauch um bis zu 80 % senken, sondern auch zu Ertragsan-
stiegen von bis zu 32 % bei Tomaten führen
. Beim Absinken des Primärenergiefaktors von
3,0 im Jahr 2002 auf derzeit 1,8
stellt die Anwendung von Elektroenergie für Wärmepumpen
Graichen et al. (2019): Die Energiewende im Stromsektor: Stand der Dinge 2018 Rückblick auf die wesentli-
chen Entwicklungen sowie Ausblick auf 2019. Agora Energiewende, [www.agoraenergiewende.de]
Andor et al. (2010): Negative Strompreise und der Vorrang Erneuerbarer Energien. Zeitschrift für Energiewirt-
schaft, Vol. 34, No. 2, S. 91-99
Federico, T. (2012): Volatilität - Der Preis der Energiewende gefährdet die Versorgungssicherheit. Energiewirt-
schaftliche Tagesfragen, 62. Jg., Heft 1/2. S. 39-43
50Hertz Transmission GmbH (2019): Internetplattform zur Vergabe von Regelleistung. [www.regelleistung.net],
Abruf: 27.01.2019
Bot et al. (2005): The solar greenhouse: state of the art in energy saving and sustainable energy supply. Acta
Hort. (ISHS), 691, pp. 501-508
Kougias et al. (2011): Improvement of a heat pump coefficient of performance used in greenhouses. Acta Hort.
(ISHS), 952, pp. 441-447
Schuch et al. (2014): Energieeffizienz des Solarkollektorgewächshauses mit Wärmespeicher - ein Resümee aus
5 Jahren ZINEG-Projektarbeit. DGG-Proceedings, Vol. 4, No. 3, S. 1-5
Dannehl et al. (2013): Plant Production in Solar Collector Greenhouses - Influence on Yield, Energy Use Effi-
ciency and Reduction in CO2 Emissions. Journal of Agricultural Science 5, (10), pp. 34-45
EnEV (2015): Verordnung über energiesparenden Wärmeschutz und energiesparende Anlagentechnik bei Ge-
bäuden (Energieeinsparverordnung - EnEV). Bundesministeriums der Justiz (BMJ)
Abschlussbericht „ELGEVOS“ – Teilprojekt der HUB
4
mit Arbeitszahlen größer 3 aus emissionsrelevanten Gründen kein Problem mehr dar. Die
Preise für den Bezug von Wärmepumpenstrom sind jedoch nach wie vor zu hoch. Hier könnte
beim Betrieb des Gewächshauses als Anbieter von Regelleistung eine Win-win-Situation ent-
stehen, die auch niedrigere Stromkosten erwarten lässt.
Mit dem an der HUB entwickelten Solarkollektorgewächshaus steht ein technisches Konzept
bereit, bei dem Elektrowärmepumpen zur Kälte- und Wärmeerzeugung eingesetzt werden. Für
die aus dem Gewächshaus gewonnene solare Überschusswärme werden als Speicher große
oberirdische Wasserreservoirs genutzt, die auch als Regenauffangbecken für Bewässerungs-
zwecke verwendet werden können. Ferner besteht die Möglichkeit der Speicherung in Form
von chemischer Energie durch die Pflanze selbst. Dieser Ansatz geht davon aus, beim Abruf
von positiver Regelleistung und leerem Energiespeicher die Temperatur im Gewächshaus zeit-
weise niedriger zu fahren. Die Photosynthese wird dadurch kaum beeinträchtigt, jedoch das
Organwachstum und die phänologische Entwicklung gebremst. Die von der Pflanze produzier-
ten Kohlenhydrate werden dabei in vegetativen Pflanzenteilen gespeichert. Verbessert sich
die Heizenergiebereitstellung oder wird das Gewächshaus durch die Sonne erwärmt, können
das verringerte Wachstum und die langsame phänologische Entwicklung durch höheren Tem-
peraturen wieder kompensiert werden. Die gespeicherten Kohlenhydrate werden dabei ver-
braucht.
1.5 Zusammenarbeit mit anderen Stellen
Im Verbundvorhaben ELGEVOS arbeiteten mit dem Leibniz-Institut für Gemüse- und Zier-
pflanzenbau Großbeeren/Erfurt e.V. (IGZ), der Humboldt-Universität zu Berlin (HUB) und dem
Fraunhofer-Institut für Energiewirtschaft und Energiesystemtechnik Kassel (IEE) drei Einrich-
tungen aus unterschiedlichen Wissenschafts- und Technikbereichen zusammen, die in ihren
Forschungsfeldern voneinander abweichende Herangehensweisen und Lösungsansätze be-
nutzen. Dies macht solch ein interdisziplinäres Verbundvorhaben stark und führt zu neuartigen
Denkansätzen. Die Ergebnisse der Projektpartner IGZ und IEE sind in deren Schlussberichten
zusammengefasst.
Abschlussbericht „ELGEVOS“ – Teilprojekt der HUB
5
2 Ergebnisse des Teilprojekts der HUB
2.1 Pflanzenbauliche Nebenversuche
Volatile Heizung vs. Phytosignale
In den Wintermonaten 2015/16 wurde ein Gewächshausversuch zur volatilen Heizwärmever-
sorgung eines Tomatenbestandes durchgeführt, um die Auswirkung auf Phytosignale (v. a.
Transpiration und Blatttemperatur) zu ermitteln. Erwartungsgemäß zeigte sich (vgl. Abb. 1),
dass ein gut gedämmtes Gewächshaus (Ucs 1,8 W/m²K) den zeitweisen Temperaturabfall
(blaue Linie) durch Unterbrechung der Heizwärmezufuhr (2,5 h) adäquat puffert (TBlatt 1 K).
In diesem Kontext ließ sich über eine im Pflanzenbestand hängende Aluflügelrohreizung das
phytosanitäre Risiko durch eine Taupunktabstandserhöhung (blaue Strichlinie) minimieren.
Abb. 1: Auswirkung der nächtlichen Temperaturabsenkung im Gewächshaus auf Bedingungen im Tomatenbestand
Im Zeitraum des Versuchs war der Wärmeverbrauch der niedertemperierten Bestandsheizung
(Vorlauf 40 °C) etwa 50 % gegenüber der Fußrohrheizung (Vorlauf 85 °C) reduziert. Dabei
ist hervorzuheben, dass die Bestandsheizung auch eine höhere Transpirationsrate und Blatt-
temperatur bewirkt, obwohl die Raumtemperatur durchschnittlich niedriger als bei der Fußrohr-
heizung ist. So ließe sich, sofern die Bestandsheizung an einen thermischen Speicher ange-
schlossen ist, auch in Zeiten mit reduzierter oder abgeschalteter Antriebsenergie für die Elekt-
rowärmepumpe, ein pflanzenbaulich notwendiges Mikroklima aufrechterhalten.
0
3
6
9
12
15
18
21
15
16
17
18
19
20
21
22
00:00 01:00 02:00 03:00 04:00 05:00 06:00
Heizleistung [kW/300 m²]
Transpiration [mg/m²s]
Taupunktabstand [K]
Luft- und Blatttemperatur [°C]
Zeit
Lufttemperatur Blatttemperatur Vegetationsheizung
Transpiration Taupunktabstand
Abschlussbericht „ELGEVOS“ – Teilprojekt der HUB
6
Volatiler Kühlbetrieb vs. Ertrag
In 2016 wurde tagsüber im Gewächshaus ein volatiler Kühlbetrieb (abwechselnd 2 h Kühlung
dann 2 h Lüftung) zur Ermittlung der Ertragsauswirkung angewandt. Im Vergleich zur konven-
tionellen Lüftungsstrategie zeigte sich kein nachteiliger Effekt auf Tomatenertrag (Abb. 2) und
Gewichtsklassen (Abb. 3). Gleichwohl wurde aber auch kein Mehrertrag erzielt, der sonst unter
kontinuierlicher Wärmepumpenkühlung
bzw.
dem damit einhergehenden Überschuss bei der
CO2-Düngung zu erwarten gewesen wäre (Kap. 1.4). Wird positive RL hingegen seltener als
bei der erprobten volatilen Wärmepumpenkühlung abgerufen, sind Mehrerträge zu erwarten.
Abb. 2: Tomatenerträge bei konventioneller Lüftungsstrategie (grün) und volatiler Kühlung (rot) im Gewächshaus
Abb. 3: Gewichtsklassen bei konventioneller Lüftungsstrategie (grün) und volatiler Kühlung (rot) im Gewächshaus,
dargestellt als relative Ertragsunterschiede gegenüber der konventionellen Lüftungsstrategie (100 %)
0
2
4
6
8
10
12
14
16
Tomatenertrag [ kg/m
2
]
konstante Lüftung (> 24 °C)
volatile Wärmepumpenkühlung (3x2 h/d mit 128 W /m² bei > 24 °C)
100 100
97
114
80
90
100
110
120
130
Früchte > 50 g Früchte < 50 g
Tomatenertrag [ % ]
konstantes Ablüften (bei > 24 °C)
volatile Wärmepumpenkühlung (3x2 h/d mit 128 W /m² bei > 24 °C)
el
el
Abschlussbericht „ELGEVOS“ – Teilprojekt der HUB
7
2.2 Energiesimulation einer Solarkollektorgewächshausanlage
Im ELGEVOS-Teilprojekt der HUB lag ein Schwerpunkt bei den Arbeiten zur energetischen
Simulation einer Solarkollektorgewächshausanlage. Hierzu entstand ein elektro-thermisches
Gewächshausmodell zur Kühlung/Heizung mit Elektrowärmepumpe und Widerstandsheizung
sowie Ladung und Entladung eines thermischen Energiespeichers.
Aufbau einer meteorologischen Datenbank
Für die energetischen (Teilprojekt der HUB) und pflanzenphysiologischen (Teilprojekt am IGZ)
Computersimulationen wurde eine Datenbank mit über 6 Mio. meteorologischen Messwerten
aufgebaut, um die Input-Zeitreihen zur Lufttemperatur, Globalstrahlung, Windgeschwindigkeit
und CO2-Konzentration (Abb. 4) zu generieren.
Abb. 4: Jahresverlauf der Außentemperatur (a), Globalstrahlung (b), Windgeschwindigkeit (c) und CO
2
-Konzentra-
tion (d) für den Standort Berlin (PLZ 14195) als Mittelwerte der Jahre 2010-2014 im 15-Minuten-Intervall
0.0
0.5
1.0
1.5
2.0
2.5
3.0
3.5
4.0
Jan
Feb
Mrz
Apr
Mai
Jun
Jul
Aug
Sep
Okt
Nov
Dez
Windgeschwindigkeit [m/s]
Windgeschwindigkeit c
-10
-5
0
5
10
15
20
25
30
35
Jan
Feb
Mrz
Apr
Mai
Jun
Jul
Aug
Sep
Okt
Nov
Dez
Lufttemperatur [°C]
Lufttemperatur
a
0
100
200
300
400
500
600
700
800
900
1000
Jan
Feb
Mrz
Apr
Mai
Jun
Jul
Aug
Sep
Okt
Nov
Dez
Globalstrahlung [W/m²]
Globalstrahlung
b
0
50
100
150
200
250
300
350
400
450
500
Jan
Feb
Mrz
Apr
Mai
Jun
Jul
Aug
Sep
Okt
Nov
Dez
CO2-Konzentration [ppm]
CO2-Konzentration
d
Abschlussbericht „ELGEVOS“ – Teilprojekt der HUB
8
Modellparameter
Neben den Wetterdaten (Kap. 2.2.1) wurden eine Vielzahl weiterer Eingangsgrößen (Tab. 1)
bei der Modellbildung berücksichtigt, die je nach simulierten Szenario angepasst wurden.
Tab. 1: Inputgrößen zur energetischen Simulation einer Gewächshausanlage mit solarthermischen Kollektoranteil,
elektrisch angetriebener Wärmepumpe/Widerstandsheizung und thermischen Speicher
MODELLPARAMETER EINHEIT
GEWÄCHSHAUS, Grundfläche ha
GEWÄCHSHAUS, Stehwandhöhe m
GEWÄCHSHAUS, Kappenhöhe m
GEWÄCHSHAUS, Kappenbreite m
GEWÄCHSHAUS, Hülltransmission %
GEWÄCHSHAUS, Ucs-Wert mit Doppelschirm, mit Einzelschirm, ohne Schirme Wth/m²K
GEWÄCHSHAUS, Solltemperatur Tag, Nacht °C
GEWÄCHSHAUS, Beleuchtungszeit h
GEWÄCHSHAUS, Beleuchtungs-Nennleistung Wel/m²
GEWÄCHSHAUS, Beleuchtungs-Wärmewirksamkeit %
GEWÄCHSHAUS, Kühltemperatur Jan, Feb, Mär,…, Dez °C
GEWÄCHSHAUS, Transpirations-Wärmewirksamkeit Jan, Feb, Mär,…, Dez %
GEWÄCHSHAUS, Kollektoranteil %
GEWÄCHSHAUS, Kollektorwirkungsgrad Jan, Feb, Mär,…, Dez -
WÄRMEPUMPE, Arbeitszahl warm, kalt -
WIDERSTANDSHEIZUNG, Wirkungsgrad -
THERMISCHER SPEICHER, Volumen
THERMISCHER SPEICHER, Grundfläche
THERMISCHER SPEICHER, Höhe m
THERMISCHER SPEICHER, Ucs-Wert Wth/m²K
THERMISCHER SPEICHER, Temperatur Min, Max °C
THERMISCHER SPEICHER, PCM-Anteil %
THERMISCHER SPEICHER, PCM-Schmelztemperatur °C
THERMISCHER SPEICHER, PCM-Schmelzenthalpie kJ/kg
THERMISCHER SPEICHER, Wärmemenge Wasser, Wasser + PCM kWhth/K
REGELLEISTUNG, Dauer neg, pos h/a
REGELLEISTUNG, Leistung neg, pos MWel
Abschlussbericht „ELGEVOS“ – Teilprojekt der HUB
9
Modellarchitektur
Nachdem die wesentlichen Einflussfaktoren auf die Energieströme der Solarkollektorgewächs-
hausanlage identifiziert wurden (siehe Kap. 2.2.2), galt es diese miteinander zu verknüpfen
(Abb. 5) und dabei die Wechselwirkungen innerhalb des Energiemodells zu berücksichtigen.
Abb. 5: Teilausschnitt aus dem Energiemodellschema einer Solarkollektorgewächshausanlage; Einflussgrößen
auf die Speichertemperatur sind nicht dargestellt (siehe hierzu Kap. 2.2.4)
Submodell zur Speichertemperatur
Zur Berechnung der Speichertemperatur einer Solarkollektorgewächshausanlage wurde ein
iterativer Ansatz auf Grundlage von sich wiederholenden Lade-/Entladevorgängen entwickelt
(Abb. 6). Die Kenntnis der Speichertemperatur ist essentiell zur Ermittlung des Elektroener-
giebedarfs der Wärmepumpe und Widerstandsheizung, aber auch zur Bewertung der energe-
tischen Effizienz (z. B. Arbeitszahl der Wärmepumpe und solarer/erneuerbarer Deckungsgrad
der Anlage).
Abschlussbericht „ELGEVOS“ – Teilprojekt der HUB
10
Abb. 6: Speichertemperaturmodell; Parameter (rot); Einheiten (grün); Q
cs
=
Wärmverbrauch; A
s
=
Hüllfläche;
i,cool
=
Kühlsollwert;
e
=
Außentemp.; Q
r,e
=
Globalstrahlung; T
r
=
Hülltransmission; W
lamp
=
Lampenstromverbrauch; η
th
=
therm. Wirkungsgrad; η
r
=
Wärmewirksamkeit; A
g
=
Grundfläche;
stor,before
=
Speichertemp.-Startwert; η
co
=
Kollektor-
wirkungsgrad; η
g
=
Flächenwirkungsgrad; C
stor
=
Speicherwärmekapazität; V
stor
r
=
Speichervolumen; A
s,roof
=
Spei-
cherdachfläche; R
s,e
=
äußerer Wärmeübergangswiderstand; d
=
Schichtdicke; λ
=
Wärmeleitfähigkeit; R
s,i
=
innerer
Wärmeübergangswiderstand; A
s,lat
=
Speicherseitenfläche;
stor
=
Speichertemp.-Endwert;
i
=
Innentemp.-Sollwert
Simulationen
Im Anschluss an die Modellbildung entstand ein MS Excel Tool. Mit diesem können Szenarien
zur Skalierung, Ausstattung und Betriebsweise eines Solarkollektorgewächshauses simuliert
werden. Die dabei generierten Zeitreihen zu den elektrischen Lastgängen wurden an den Pro-
jektpartner IEE weitergeleitet, um eine Anbindung an dessen Modellstrukturen zu ermöglichen.
Abschlussbericht „ELGEVOS“ – Teilprojekt der HUB
11
So ergibt sich bspw. beim Szenario einer 10 ha Gewächshausanlage mit Licht-, Wärme- und
Kältetechnik sowie der Anbindung an einen thermischen Großspeicher an 42,5 % der Gesamt-
zeit eines Jahres ein Strombedarf 1 MW und an 13,2 % ein Strombedarf 5 MW (Abb. 7).
Abb. 7: Simulierter Jahresverlauf der Speichertemperatur und des Strombedarfs zur Beleuchtung, Heizung sowie
Kühlung eines 10 ha Gewächshauses mit 25 % Solarkollektorfläche und thermischen Speicher (150.000 m³)
Weitere energetische Simulationen zur Solarkollektorgewächshausanlage (Abb. 8 bis Abb. 10)
beziehen sich auf die Gegenüberstellung eines volatilen Szenarios (126 h/a negative RL und
63 h/a positive RL) mit einem Basisszenario (ohne RL), wobei die Wärmepumpe und Wider-
standsheizung als elektrische Großverbraucher fungieren.
A
bb. 8: Simulierter Jahresverlauf der Wassertemperatur im
thermischen Speicher (150.000 m³) mit/ohne Regelleistung
beim 10 ha Gewächshaus mit 25 % Solarkollektorfläche
A
bb. 9: Simulierter erneuerbarer Deckungsgrad
mit/ohne Regelleistung beim Heizen eines 10 ha
Gewächshauses mit 25 % Solarkollektorfläche
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
0
2.000
4.000
6.000
8.000
10.000
12.000
14.000
16.000
18.000
20.000
Jan Feb Mrz Apr Mai Jun Jul Aug Sep Okt Nov Dez
Speichertemperatur [ °C ]
Elektrische Leistung [ kW ]
Lampen Widerstandsheizung Wärmepumpe (warm) Wärmepumpe (kalt) Energiespeicher
Abschlussbericht „ELGEVOS“ – Teilprojekt der HUB
12
Der Vergleich zeigt (Abb. 8 bis Abb. 10), dass sich aus energetischer Sicht für Gewächshaus-
anlagen die Teilnahme am Regelleistungsmarkt lohnen kann. Dabei hat die Bereitstellung von
negativer RL das Potential den Verbrauch von fossilen Brennstoffen zur Gewächshausheizung
zu senken, sofern der Regelleistungsbedarf zukünftig weiter steigt. Ein Praxistest unter Einbe-
zug von Gewächshäusern in das Stromnetzmanagement erfordert jedoch eine entsprechende
energietechnische Ausstattung solcher Anlagen (Lampen, Wärmepumpen, Energiespeicher)
sowie eine Präqualifikation bzw. Eignungsprüfung beim Übertragungsnetzbetreiber.
Ein weiterer Aspekt betraf die Simulation von Szenarien zur Erhöhung der Energiespeicher-
dichte mit steigendem Anteil eines Phasenwechselmaterials (PCM) und dessen Auswirkungen
auf die Wärmepumpeneffizienz und Einsparung fossiler Brennstoffe. Dabei wird eine ganzjäh-
rige solarthermische Heizungsunterstützung ab Szenario 2 erreicht (vgl. Abb. 11).
Abb. 11: Einfluss eines steigenden Solarkollektoranteils, Speichervolumens sowie PCM-Anteils auf die Speicher-
temperatur, Wärmepumpeneffizienz und den solaren Deckungsgrad
A
bb. 10: Simulierte Effizienz der Wärmepumpe
mit/ohne Regelleistung beim Heizen/Kühlen
eines 10 ha Gewächshauses mit 25 % Solar-
kollektorfläche und thermischen Speicher
(150.000 m³)
Abschlussbericht „ELGEVOS“ – Teilprojekt der HUB
13
2.3 Ergebnissverknüpfung der Teilprojekte
Gegen Projektende gelangte der ELGEVOS-Verbund zu der Entscheidung, die Ergebnisse der
Teilprojekte in verknüpfter und anschaulicher Form der Öffentlichkeit zur Verfügung zu stellen.
Für diesen Wissenstransfer wurde ein Internetauftritt (www.elgevos.de) erstellt. Dieser bietet
eine interaktive Webanwendung an, die es den Besuchern ermöglicht, mit konfigurierbaren
Gewächshäusern verschiedene Konzepte eines Stromlastmanagements zu beurteilen.
Dabei können über eine webbasierte Nutzeroberfläche (Abb. 12) unterschiedliche Szenarien
aus einer Datenbank geladen und als Animation wiedergegeben werden. Es stehen mehrere
Auswahloptionen zur Verfügung. Die Einstellmöglichkeiten reichen von einem beliebigen Zeit-
punkt innerhalb eines Zeitstrahls mit Referenzjahren, über die Art an elektrischen Verbrau-
chern (Beleuchtung, Heizung und/oder Kühlung) bis zur Lastverschiebung. Im Ergebnis kann
der strompreisoptimierte Betrieb mit dem Betrieb ohne Lastmanagement verglichen werden.
Abb. 12: Screenshot der ELGEVOS-Webseite; Animierter Vergleich eines konventionellen Gewächshauses (links)
mit einem Solarkollektorgewächshaus ohne Lastmanagement (Mitte) und mit Strompreisoptimierung (rechts)
Um die Szenarien besser miteinander vergleichen zu können ist der Bildschirm in drei Spalten
aufgeteilt (siehe Abb. 12). Die linke Spalte (Referenz) beschreibt ein Standardgewächshaus
mit Gasheizung und ohne Lampen, die mittlere und rechte Spalte (Konfiguration #1 und #2)
hingegen Gewächshäuser, die mit Stromverbrauchern (Lampen, Wärmepumpe, Widerstands-
heizung) ausgestattet und mit Lastverschiebung in Ihrer Betriebsweise kostenoptimiert werden
können. Der untere Bildschirmbereich gibt Hinweise zur Wirtschaftlichkeit und stellt den Frucht-
ertrag und Energieverbrauch sowie die Kosten und Erlöse in Bezug zueinander.
Eine ausführliche Beschreibung zu den Rahmenbedingungen und Eingangsparametern der
simulierten Szenarien in der Webanwendung ist dem Schlussbericht des Projektpartners IEE
sowie der Projektwebseite (www.elgevos.de/animation) zu entnehmen.
Abschlussbericht „ELGEVOS“ – Teilprojekt der HUB
14
Mit der ELGEVOS-Website wird aufgezeigt, dass sich die Stromkosten für ein Solarkollektor-
gewächshauses mit „Gasheizung und Elektrowärmepumpe“ durch Lastmanagement soweit
senken lassen, dass es hinsichtlich des Anteils der Energiekosten am Tomatenverkaufserlös
wirtschaftlich betrieben werden kann und dabei auf dem Effizienzniveau der Betriebsweise mit
alleiniger „Gasheizung“ liegt (Tab. 2, Szenarien 1 und 2). Zudem entstünde im Vergleich zu
Gewächshäusern mit fossilen Brennstoffen ein ökologischer Mehrwert durch die Verwendung
von Strom aus erneuerbaren Energien, was letztlich CO2-Emissionen mindert. Außerdem kann
eine fossile Heizung dem Stromnetz keine Regelleistung zur Verfügung stellen.
Wird beim Kollektorgewächshaus die Gasheizung durch eine E-Heizung (Widerstandsheizung)
in Kombination mit einer Elektrowärmepumpe ersetzt, steigt der Anteil der Energiekosten am
Verkaufserlös an (Tab. 2, Szenario 3). Dieses Szenario könnte bei steigenden Gaspreisen und
sinkenden oder zumindest stagnierenden Stromkosten von größerem Interesse sein.
Der Einsatz einer Beleuchtung rechnet sich unter den gegebenen Rahmenbedingungen auch
mit Strompreisoptimierung nicht (Tab. 2, Szenarien 4-6), da die Steuern und Umlagen an den
Stromkosten zu hoch sind. Obwohl sich nennenswerte Kosteneinsparungen ergeben, über-
steigen die Mehrkosten der Stromversorgung die Erlöse durch Ertragssteigerungen deutlich.
Tab. 2: Simulationsszenarien zur energietechnischen Ausstattung eines 10 ha Gewächshauses (Typ ZINEG) mit
Kennzahlen zum Tomatenertrag, Energieverbrauch und zur Wirtschaftlichkeit; ohne Lastmanagement (schwarz);
mit Lastmanagement bzw. Strompreisoptimierung (rot)
Ertrag
kg/m²
Gasverbrauch
m³/m²
Stromverbrauch
kWh/m²
Energiekosten/Ertrag
€/kg
Energiekosten/Erlös
%
Szenario 1
„Gasheizung“ 46,66 18,24 - 0,15 11,48
Szenario 2
„Gasheizung,
Wärmepumpe“
50,39 5,24 53,56 0,20
0,18
16,06
14,47
Szenario 3
„E-Heizung,
Wärmepumpe“
50,39 - 110,08 0,33
0,30
26,33
23,25
Szenario 4
„Gasheizung,
Beleuchtung“
55,29 16,98 291,04 0,92
0,80
60,11
52,10
Szenario 5
„Gasheizung,
Wärmepumpe,
Beleuchtung“
59,71 8,98 344,33 0,94
0,81
61,51
53,10
Szenario 6
„E-Heizung,
Wärmepumpe,
Beleuchtung“
59,71 - 441,71 1,13
0,97
73,82
63,42
Abschlussbericht „ELGEVOS“ – Teilprojekt der HUB
15
2.4 Verwertbarkeit der Ergebnisse
Die Menge an nicht genutzten Überschüssen bei der Verstromung aus nachhaltigen Quellen
wie Wasserkraft, Wind- und Sonnenenergie soll zukünftig weiter steigen. Die Nutzung solcher
Überschüsse bietet ein großes Potential für Gewächshausbetriebe, ihre fossilen CO2-Emissi-
onen zu verringern, die Produktivität zu erhöhen sowie Energiekosten zu senken. Zudem
könnte die dadurch gewonnene Flexibilität netzdienlich genutzt werden, um Hindernisse für
den Ausbau der erneuerbaren Energien abzuschwächen.
Die ELGEVOS-Projektergebnisse zeigen, dass Betreiber von großen Gewächshausanlagen
durch ein strompreisoptimiertes Lastmanagement neben Einsparungen bei den Stromkosten,
auch Erlöse durch die Teilnahme am Regelleistungsmarkt erzielen können. Zusätzlich könnte
der Einsatz von Elektrowärmepumpen zur Kühlung im Gewächshaus und Wiederverwendung
der gewonnen Wärme für spätere Heizzwecke nicht nur den fossilen Energieverbrauch sen-
ken, sondern auch zu Ertragsanstiegen führen (siehe ZINEG). Aufgrund von sich ändernden
politischen und regulatorischen Rahmenbedingungen hängt eine Bewertung jedoch von Ein-
zelfalluntersuchungen ab. Das Projektkonsortium kann derartige Untersuchungen mit den ent-
wickelten Simulationswerkzeugen durchführen, die zuvor an den jeweiligen Anwendungsfall
angepasst werden müssen. Als Einstieg in die Thematik zeigt eine interaktive Webanwendung
(www.elgevos.de/animation) mögliche Anwendungsszenarien und vergleicht den strompreis-
optimierten Betrieb bei unterschiedlichen Gewächshauskonfigurationen mit dem Betrieb ohne
Stromlastmanagement. Als Besucher der Website werden vorrangig Gewächshausplaner und
-betreiber, Technikberater, Wissenschaftler und Experten der Energiebranche sowie politische
Entscheidungsträger angesehen.
In der Machbarkeitsstudie ELGEVOS wurden die Grundlagen zur volatilen Stromversorgung
von Gewächshäusern vor allem theoretisch mit Hilfe von Simulationen untersucht, die teilweise
durch kleinskalierte Anbauversuche validiert wurden. Das Vorhaben schafft so die Basis für
weitere Untersuchungen und praktische Tests. Eine Erprobung unter Einbezug von großen
Gewächshäusern in das Stromnetzmanagement erfordert jedoch zunächst Investitionen auf-
grund der energietechnischen Ausstattung solcher Anlagen (z. B. mit Lampen, Wärmepumpe,
Widerstandsheizung, Energiespeicher).
Ein sinnvolles Folgeprojekt beträfe die Präqualifizierung eines großen Gewächshauses oder
Gewächshausverbundes für die Teilnahme am Regelleistungsmarkt.
Abschlussbericht „ELGEVOS“ – Teilprojekt der HUB
16
2.5 Veröffentlichungen
Es folgt eine antichronologische Auflistung der projektbezogenen Veröffentlichungen (Artikel,
Vorträge, Poster, Pressemitteilungen, Webseiten) unter Beteiligung der HUB:
KLAWITTER (2018): Strom nutzen, wenn er am günstigsten ist. TASPO. 152(48):3.
ELGEVOS-VERBUND (2018): Lastmanagement mit Gewächshäusern: ELGEVOS-Animation
online!. Fraunhofer-Institut für Energiewirtschaft und Energiesystemtechnik (IEE).
[www.iee.fraunhofer.de/de/presse-infothek/Presse-Medien/Pressemitteilun-
gen/2018/elgevos.html]
ELGEVOS-VERBUND (2018): ELGEVOS-Website. [www.elgevos.de]
KREMPLER; SCHUCH; RAMÍREZ; KLÄRING; SCHMIDT (2018): Energiespeicher und deren Potenti-
ale zur Integration im Gewächshausanbau. 52. Gartenbauwissenschaftliche Jahresta-
gung, Geisenheim, BHGL-Schriftenreihe 33:10.
SCHUCH; KLÄRING; RAMÍREZ; ZIMMERMANN; SCHMIDT (2017): Steigerung der erneuerbaren
Energieversorgung durch einen volatilen Strommarkt. 51. Gartenbauwissenschaftliche
Jahrestagung, Osnabrück, BHGL-Schriftenreihe 32:92.
RAMÍREZ; KLÄRING; SCHMIDT; SCHUCH; ZIMMERMANN (2017): Validation of crop photosynthesis
models for intermittent supplemental lighting in greenhouses plant production. 51. Gar-
tenbauwissenschaftliche Jahrestagung, Osnabrück, BHGL-Schriftenreihe 32:27.
SCHUCH; MIRANDA; RAMÍREZ; KLÄRING; SCHMIDT (2017): Energy simulation tool for active solar
collector greenhouses. GreenSys 2017, Peking (China), Book of Abstracts, 202.
KLÄRING; SCHMIDT; SCHUCH; RAMÍREZ; HOCHLOFF; ZIMMERMANN (2016): Machbarkeitsstudie
zur Elektroenergieversorgung von Gewächshäusern bei einer volatilen Stromversor-
gung mit hohem Anteil erneuerbarer Energien. Innovationstage 2016, Bonn, Tagungs-
band, 61-64.
SCHUCH; DANNEHL; SCHMIDT (2016): Power supply of greenhouses by using volatile electricity
grid with high proportion of renewables. SHE 2016, Chania (Griechenland), Book of
Abstracts, 195-196.
SCHUCH (2016): Entwicklung eines Tools zur energetischen Simulation eines skalierbaren Ge-
wächshauses mit Solarkollektor, Wärmepumpe und thermischen Speicher. KTBL-Ar-
beitskreis 2016 „Berater und Wissenschaftler für Technik im Gartenbau“, Schloss
Spindlhof Regenstauf, Vortrag am 19.09.2016.
SCHMIDT; SCHUCH (2016): ELGEVOS – Studie zur Elektroenergieversorgung von Gewächs-
häusern aus einem volatilen Stromnetz mit hohen Anteil erneuerbarer Energien. Le-
benswissenschaftliche Fakultät der Humboldt-Universität zu Berlin.
[https://fakultaeten.hu-berlin.de/de/lewi/forschung/profil/agrar/elgevos]
Abschlussbericht „ELGEVOS“ – Teilprojekt der HUB
17
ELGEVOS-VERBUND (2016): ELGEVOS - Power Supply of Greenhouses in an Electricity Sys-
tem with High Share of Renewable Energy Sources. ResearchGate.
[www.researchgate.net/project/ELGEVOS-Power-Supply-of-Greenhouses-in-an-
Electricity-System-with-High-Share-of-Renewable-Energy-Sources]
ELGEVOS-VERBUND (2015): Gurken und Tomaten auch im Winter produzieren durch Nutzung
von Energieüberschüssen im Stromnetz. Zentralverband Gartenbau e.V. (ZVG).
[www.hortigate.de]
SCHMIDT (2015): Machbarkeitsstudie zur Elektroenergieversorgung von Gewächshäusern bei
einer volatilen Stromversorgung mit hohem Anteil erneuerbarer Energien. KTBL-Ar-
beitskreis 2015 „Berater und Wissenschaftler für Technik im Gartenbau“, Freizeit- und
Bildungsstätte Trebbin, Vortrag am 15.09.2015.
ELGEVOS-VERBUND (2015): ELGEVOS ist gestartet…. Zukunftsinitiative Niedrigenergiege-
wächshaus (ZINEG). [www.zineg.net/html/elgevos.html]
3 Kurzfassung
In der Machbarkeitsstudie ELGEVOS wurde der Gewächshausbetrieb durch eine computersi-
mulierte Lastverschiebung entsprechend den Preisschwankungen am Strommarkt optimiert,
um geringere Stromkosten zu erreichen. Dabei wird die im konventionellen Betrieb auf Zeiten
mit hohen Strompreis fallende Last reduziert bzw. auf einen späteren Zeitpunkt mit niedrigeren
Preis verschoben.
Hierzu muss das Energieregime des Gewächshauses so gesteuert werden, dass eine Unter-
brechung oder Reduzierung der Stromzufuhr über einen thermischen Speicher abgefangen
und ein Stromüberschuss über eine Elektrowärmepumpe oder Widerstandsheizung in eine
längerfristige Speicherkapazität umgewandelt wird. Die Stromverbraucher sind zügig regelbar,
während die Lufttemperatur im Gewächshaus auf Veränderungen der Energiezufuhr träge re-
agiert. Dennoch muss die Lastverschiebung zeitlich begrenzt erfolgen, damit die Luftmasse im
Gewächshaus oder ein Pufferspeicher die volatile Betriebsstrategie abfangen kann, ohne das
Pflanzenwachstum negativ zu beeinflussen.
Die Simulationsergebnisse zeigen, dass durch ein strompreisoptimiertes Lastmanagement
größere Kosteneinsparungen erzielt werden könnten. Aufgrund von sich ändernden politischen
und regulatorischen Rahmenbedingungen hängt eine Bewertung jedoch von Einzelfallbetrach-
tungen ab. Derartige Untersuchungen können mit den im Projekt ELGEVOS entwickelten Si-
mulationswerkzeugen durchgeführt werden. Als Einstieg in die komplexe Thematik zeigt eine
interaktive Webanwendung (www.elgevos.de/animation) mögliche Anwendungsszenarien und
vergleicht den strompreisoptimierten Betrieb unterschiedlicher Gewächshauskonfigurationen
mit/ohne Stromlastmanagement.
... Suggestions to solve this problem include decentralised solutions, e.g. greenhouse with thermal storage 73 , and long-term storage of gas and electricity within the EU energy grid infrastructure 74,75 . Hydrogen, currently rather expensive, can be produced sustainably and generate both heat and electricity 76 and the German national hydrogen strategy includes storage of hydrogen 77 . ...
Article
Full-text available
Sustainably feeding the rapidly growing urban populations requires resource-efficient food production solutions, such as aquaponics. To assess its upscaled fruition in city regions, we applied system analysis to depict determinants of aquaponics at a mesoscale. Using Berlin as a case study, site potentials regarding the production of freshwater fish, tomatoes, and lettuce to achieve self-sufficiency were investigated. We analysed planning documents by text mining and applied geographic information system procedures to evaluate this technology’s spatial efficacy in intra- and peri-urban spaces, considering aspects of economy, sustainability and spatial distribution. In a facility-based approach, we contrasted specific intra- and peri-urban site potentials with their different boundary conditions. A thereupon-based scenario allocates approximately 20% of the production volume in Berlin, 80% in its hinterland, and emphasises the crucial use of circular economy resources in both spaces. Policy recommendations and the transferability of this realistic approach will support the implementation of aquaponics.
Conference Paper
Full-text available
Im ELGEVOS-Verbund (bestehend aus IGZ, HU und Fraunhofer IWES) sollen Konzepte für Gewächshäuser entwickelt werden, die sich auf eine zunehmende Nutzung von erneuerbaren Energien einstellen (Ziel der Bundesregierung: 50 % bis 2030) und der damit einhergehenden Volatilität des Stromangebots bzw. der Strompreise begegnen. Die Lösungsansätze sollen den Energiebedarf von Gewächshausanlagen (v. a. zur Belichtung, Heizung und Kühlung) einbeziehen und dabei den hohen Anforderungen der Pflanzenproduktion gerecht werden.
Article
Full-text available
A convenient and economic method for greenhouse heating and cooling is the installation of Ground Source Heat Pumps (GSHP) to exploit shallow geothermal energy. GSHPs are attractive alternatives to conventional heating and cooling systems due to their higher energy utilisation efficiency. The technique relies on the fact that GSHP utilises the earth as a heat source in heating mode and as heat sink in cooling mode operation. In heating mode, GSHP absorbs heat from the ground and uses it to heat the greenhouse. In cooling operation mode, heat is absorbed from the internal greenhouse air and is transferred to the ground through its in ground heat exchanger. The heating performance of a GSHP is expressed by a dimensionless unit called Coefficient of Performance (COP). COP value depends on many factors, most important of which are: (a) the temperature difference (DT) between the generated heat pump thermal fluid and the heat source, and (b) the temperature stability of the heat source particularly between 0 and 30°C. The main objective of this research is to study the temperature variations among different depths and soil covering materials in order to maintain a higher COP value. Different soil covering materials, such as bare ground, ground covered by insulation material (i.e., extruded polystyrene) and ground covered by polyethylene film (greenhouse simulation) affects the underground temperature, even at the very shallow depth of 2.0 m. This can lead to an improved COP value due to a reduction of the temperature difference between the heat pump thermal fluid and the ground, as well as due to the fact that at 2.0 m depth the temperature remains rather constant.
Conference Paper
Full-text available
Angesichts wachsender Energiekosten und Umweltbelastungen durch fossile Brennstoffe ist die Steigerung der Energieeffizienz bei Gewächshäusern von großer Bedeutung. Daher wurde die ZukunftsInitiative NiedrigEnergieGewächshaus (ZINEG) initiiert. Das Gesamtziel der von 2009 bis 2014 durchgeführten nationalen Verbundforschung war es, den fossilen Wärmeverbrauch für die Gewächshausproduktion deutlich zu reduzieren. Hierzu wurde an der Humboldt-Universität das Konzept zur Nutzung von Gewächshäusern als thermische Solarkollektoren weiterentwickelt. Dafür ist die geschlossene Betriebsweise eine grundlegende Voraussetzung. Dies bedeutet, dass die solare Überschusswärme im Gewächshaus durch geeignete Kühltechnik unter möglichst geringem Energieaufwand abzuführen ist. Zudem erfordert eine spätere Nutzung der gewonnenen Solarwärme ein gut isoliertes Gewächshaus und adäquates Speicherkonzept. Zur technisch energetischen Bewertung einer solchen Kollektoranlage, die aus dem Gewächshaus, der Solartechnik und dem Speicher besteht, ergeben sich folgende zu beantwortende Fragen: 1) Wie hoch ist die Wärmeeinsparung bei differenten Schirmszenarien im Gewächshaus? 2) Wie hoch ist die Wärmepumpeneffizienz für den Kühl-/Heizbetrieb im Gewächshaus? 3) Welchen Einfluss hat die technische Kühlung auf das Gewächshausklima? 4) Wie viel Solarwärme kann durch den Kollektor in Speicherwärme umgesetzt werden? 5) Welche Wärmedämmung empfiehlt sich bei einem oberirdischen Mischspeicher?
Article
Full-text available
A semi-closed solar collector greenhouse was tested to evaluate the yield and the energy saving potential compared with a commercial greenhouse. As such, new algorithm for ventilation, carbon dioxide (CO2) enrichment, as well as for cooling and heating purposes initiated by a heat pump, cooling fins under the roof and a low temperature storage tank were developed. This cooling system showed that the collector greenhouse can be kept longer in the closed operation mode than a commercial one resulting in high levels of CO2 oncentrations, relative humidity and temperatures. Based on these conditions, the potosynthesis and associated CO2 fixations within the plant population were promoted during the experiment, resulting in a yield increase by 32%. These results were realized, although the mean light interception by energy screens and finned tube heat exchangers was increased by 11% compared to the reference greenhouse. The energy use efficiency was improved by 103% when the collector greenhouse was considered as energy production facility. In this context, the energy saving per kilogram produced tomatoes in the collector greenhouse is equivalent to the combustion of high amounts of different fossil fuels, where the reduced CO2 emissions ranged between 2.32 kg and 4.18 kg CO2 per kg produced tomatoes. The generated total heat was composed of approximately one-third of the latent heat and over two-thirds of the sensible heat, where a maximum collector efficiency factor of 0.7 was achieved.
Article
The objective of the solar greenhouse project was the development of a Dutch greenhouse system for high value crop production without the use of fossil fuels. The project was completed and the results are reported here. The main approach was to first design a greenhouse system requiring much less energy, next to balance the availability of natural energy with the system¿s energy demand, and finally to design control algorithms for dynamic system control. This paper discusses the first two design steps. Increasing the insulation value of the greenhouse cover was the first step towards a reduction in energy demand. The challenge was in maintaining a high light transmission at the same time. A first generation of suitable materials was developed. The realizable energy saving is almost 40 %. The next reduction in fossil fuel requirement was accomplished by capturing solar energy from the greenhouse during the summer months, storing it in an underground aquifer at modest temperatures, and finally using the stored energy during the winter months by using heat pumps. Then the total realizable energy saving is more then 60%. For sustainable energy supply per ha greenhouse at this low energy demand 32 ha biomass is needed, or 600 kW nominal wind power or 1.2 ha PV assuming storage via the public grid.
Lastmanagement mit Gewächshäusern: ELGEVOS-Animation online!. Fraunhofer-Institut für Energiewirtschaft und Energiesystemtechnik (IEE)
  • Elgevos-Verbund
ELGEVOS-VERBUND (2018): Lastmanagement mit Gewächshäusern: ELGEVOS-Animation online!. Fraunhofer-Institut für Energiewirtschaft und Energiesystemtechnik (IEE). [www.iee.fraunhofer.de/de/presse-infothek/Presse-Medien/Pressemitteilungen/2018/elgevos.html]
Machbarkeitsstudie zur Elektroenergieversorgung von Gewächshäusern bei einer volatilen Stromversorgung mit hohem Anteil erneuerbarer Energien
  • Zimmermann
ZIMMERMANN (2016): Machbarkeitsstudie zur Elektroenergieversorgung von Gewächshäusern bei einer volatilen Stromversorgung mit hohem Anteil erneuerbarer Energien. Innovationstage 2016, Bonn, Tagungsband, 61-64.
Entwicklung eines Tools zur energetischen Simulation eines skalierbaren Gewächshauses mit Solarkollektor
SCHUCH (2016): Entwicklung eines Tools zur energetischen Simulation eines skalierbaren Gewächshauses mit Solarkollektor, Wärmepumpe und thermischen Speicher. KTBL-Arbeitskreis 2016 "Berater und Wissenschaftler für Technik im Gartenbau", Schloss Spindlhof Regenstauf, Vortrag am 19.09.2016.