Energieeinsparung und Effizienzsteigerung in der gärtnerischen Produktion durch LED Belichtungssysteme

Abstract

Die Investitionskosten für eine LED-Belichtung sind derzeit für den Einsatz im Gartenbau häufig noch zu hoch. Die vielfältigen Vorteile gerade im Bereich der Pflanzenbelichtung, lassen aber einen zunehmenden Einsatz von LEDs erwarten. In Klimakammern sind LEDs schon heute zum Standard geworden und auch in Gewächshäusern werden in Zukunft immer häufiger LEDs die richtige Wahl für die Zusatzbelichtung sein.

Hintergrund

LEDs (lichtemittierende Dioden) haben bereits in vielen Bereichen des täglichen Lebens herkömmliche Leuchtmittel abgelöst. Nicht zuletzt aufgrund der höheren Lichtausbeute von LEDs sind Glüh- und Halogenlampen weitgehend vom Markt verschwunden. Gegenüber den auch als Energiesparlampen bekannten Kompaktleuchtstofflampen sind sie im Vorteil, weil beim Einschalten der LEDs sofort die gesamte Lichtleistung zur Verfügung steht. Zur Steigerung der Photosyntheseleistung an lichtarmen Tagen erfolgt in Gewächshäusern häufig eine Zusatzbelichtung, die sogenannte Assimilationsbelichtung. Hierfür kommen heute in der Regel Hochdruck-Entladungslampen (HID-Lampen), meist Natriumdampflampen, zum Einsatz. Diese haben ebenfalls einen hohen Wirkungsgrad, verfügen jedoch über kein optimales Spektrum für die Photosynthese. Hier sind LEDs eindeutig im Vorteil. Sie lassen sich mit fast jedem Lichtspektrum ausstatten und können an die Bedürfnisse der Pflanze optimal angepasst werden. Weitere Anwendungsfelder von LEDs in der Pflanzenproduktion finden sich in geschlossenen Kulturräumen wie z. B. Phytokammern, In-vitro-Laboren oder Indoor-Farmen. Dort ersetzen sie das natürliche Tageslicht. Zudem wirkt sich für diese Anwendungsgebiete ein weiterer Unterschied der LEDs gegenüber den Natriumdampflampen positiv aus. LEDs strahlen wesentlich weniger Wärme ab und können daher sehr nah an der Pflanze oder auch im Pflanzenbestand eingesetzt werden.

Abb. 1: Sonnenblumen von links: Natriumdampflampe (SON-T) – LED Valoya B150 – LED blau 450nm (Osram) – LED rot 660nm (Osram) – LED blau-rot-dunkelrot (Optogan) – LED blau-rot (Optogan) – Natriumdampflampe #2 (SON-T) – Kontrolle (ohne Belichtung)

Abb. 2: Sonnenblumen von links: Natriumdampflampe (SON-T) – LED Valoya B150 – LED blau 450nm (Osram) – LED rot 660nm (Osram) – LED blau-rot-dunkelrot (Optogan) – LED blau-rot (Optogan) – Natriumdampflampe #2 (SON-T) – Kontrolle (ohne Belichtung)

Forschungsansatz

Trotz Weiterentwicklungen und Kostensenkungen in der LED-Produktion liegen die Investitionskosten für eine LED-Belichtung noch beim Mehrfachen gegenüber Natriumdampflampen. Diese werden selbst durch Stromeinsparungen im laufenden Betrieb kaum kompensiert. Das Institut für Gartenbau der Hochschule Weihenstephan-Triesdorf erforschte in einem dreijährigen Projekt, welche Argumente trotzdem für den Einsatz von LEDs in der Pflanzenbelichtung sprechen. Das Forschungsprojekt stellte dabei folgende Fragestellungen in den Mittelpunkt: » Wie wirken sich die einzelnen Lichtspektren auf die Morphologie (Struktur und Form) der Pflanze aus? » Können verschiedene Spektren den Gehalt an Inhaltsstoffen einer Pflanze beeinflussen? » Welchen Einfluss haben verschiedene Lichtfarben auf die Bewurzelung von Stecklingen? » Welches Energieeinsparpotenzial und welchen Mehrwert besitzt eine LED-Belichtung gegenüber Natriumdampflampen?

Abb. 3: Versuch mit Basilikum

Abb. 4: Anzahl Wurzeln von Poinsettien bei unterschiedlichen Belichtungen

Ergebnisse

Zur Produktion von kompakten, qualitativ hochwertigen Topfpflanzen werden häufig chemische Hemmstoffe eingesetzt, die das Längenwachstum der Pflanzen reduzieren. Für die Versuche wurden Topf-Sonnenblumen genutzt, da hier Unterschiede im Zuwachs und beim Blütenbeginn unmittelbar erkennbar sind. An dieser Modellpflanze sollte gezeigt werden, wie sich der Einfluss von LED-Licht verschiedener Wellenlängen auf das Höhenwachstum auswirkt und ob ein Verzicht oder zumindest eine Reduktion von chemischen Wachstumsregulatoren möglich ist. Die verschiedenen Belichtungsvarianten zeigten zum Teil große Unterschiede bezüglich Pflanzenhöhe, Frischgewicht und Frühzeitigkeit. Am kompaktesten wuchsen die Sonnenblumen, die mit roten LEDs (660 nm) belichtet wurden. Blaues Licht (450 nm) führte zu verstärktem Längenwachstum. Gleiches gilt für dunkelrotes Licht (730 nm), das für das menschliche Auge kaum mehr sichtbar ist, jedoch das Phytochrom-System der Pflanze beeinflusst. Die besten Qualitäten erzielte man mit LEDs, die neben einem Rot- und Blauanteil auch einen Weißanteil besaßen (Abb. 1 und 2).

Rosmarinsäure gehört zur Stoffklasse der Polyphenole. Als Antioxidant wird ihr eine gesundheitsfördernde Wirkung zugeschrieben. Sie ist auch in Basilikum enthalten, eine der Hauptkulturen in der Topfkräuterproduktion (Abb. 3). Ein Versuch in einer Dunkelkammer ohne natürliches Tageslicht zeigte, dass mit steigendem Rotlichtanteil auch der Gehalt an Rosmarinsäure anstieg. Diese Erkenntnis könnte in Zukunft beispielsweise in der hochintensiven Produktion in Mehrlagenkulturen Anwendung finden.

In einem weiteren Teilprojekt wurde nachgewiesen, dass eine Zusatzbelichtung mit LEDs die Bewurzelung von Poinsettien-Stecklingen fördert und beschleunigt. Das Wurzelwachstum konnte durch die LED-Belichtung verbessert werden, wobei das verwendete Spektrum entscheidend ist. Mischlicht (rot-blau-weiß) erbrachte die besten Ergebnisse, eine ausschließlich blaue Belichtung schnitt signifikant am schlechtesten ab (Abb. 4). Begleitende Assimilationsmessungen zeigten, dass in den ersten sieben Tagen nach dem Stecken keine Photosynthese stattfindet. In diesem Zeitraum kann auf eine Zusatzbelichtung verzichtet werden, ohne negative Auswirkungen auf die Bewurzelung befürchten zu müssen.

Publikationen

Mempel, H.; Schwend, T.; Prucker, D. (2016): Energieeinsparung und Effizienzsteigerung in der gärtnerischen Produktion durch LED-Belichtungssysteme . zweiseitig.

Schwend, T.; Prucker, D.; Haas, H.; Mempel, H. (2016): Wärmestrahlung, LED und Streckungswachstum. Gärtnerbörse (10), S. 62-65.
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Schwend, T.; Kriedel, M.; Prucker, D.; Peisl, S.; Mempel, H. (2016): On the role of the light regime in root development of Euphorbia pulcherrima leafy stem cuttings. European Journal of Horticultural Science (EJHS) 81 (3), S. 148-151. DOI: 10.17660/eJHS.2016/81.3.2
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The development of primordial roots of Euphorbia pulcherrima cuttings coincides with a significant increase in photosynthesis. Therefore, Svenson and Davies (1990) suggested that supplementary lighting has no effect on root development of Euphorbia pulcherrima cuttings before primordial roots develop. In this study this hypothesis was experimentally challenged. Cuttings were cultivated with supplementary lighting from the day of sticking and compared to cuttings that were exposed to the same lighting after primordial root development. Our data show that both sets of cuttings developed equally well and both did better than cuttings that were cultivated without supplementary light. Moreover, the data show that light quality had a major impact on root number, length and weight. Therefore, this study confirms the hypothesis of Svenson and Davies (1990) and shows that the positive effect of supplementary lighting is partially mediated by photoreceptors.

Schwend, T.; Prucker, D.; Peisl, S.; Nitsopoulos, A.; Mempel, H. (2016): The rosmarinic acid content of basil and borage correlates with the ratio of red and far-red light. European Journal of Horticultural Science 81 (5), S. 243-247. DOI: 10.17660/eJHS.2016/81.5.2
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Rosmarinic acid (RA) and caffeic acid (CA) are potent antixodiants and show antimicrobial activity against many fungal plant pathogens. Their biosynthesis employs enzymes of the phenylpropanoid pathway, a pathway that in mustard is regulated by phytochrome. If RA biosynthesis is regulated by phytochromes one would expect that the RA level correlated with the ratio of red to far-red light. In this paper we tested this hypothesis by growing basil and borage under different ratios of red to far-red light. CA and RA contents were measured with state of the art LC-MS/MS. Regression analysis showed that there is a significant inverse correlation of the ratio of red to far-red light and the content of RA, but not of CA. Hence, we conclude that RA biosynthesis is regulated by phytochrome.

Schwend, T.; Beck, M.; Prucker, D.; Peisl, S.; Mempel, H. (2016): Test of a PAR sensor-based, dynamic regulation of LED lighting in greenhouse cultivation of Helianthus annuus. European Journal of Horticultural Science 81 (3), S. 152-156. DOI: 10.17660/eJHS.2016/81.3.3
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The intensity, and consequently the energy consumption, of light emitting diodes (LEDs) can be regulated. Therefore, LEDs can be implemented in new, dynamic energy saving strategies. Recently it has been shown that a program, which adjusts the intensity of a LED to the current solar PAR, reduced its energy consumption by 20%. The effect of a dynamic LED lighting on ornamental crops has not been tested. In this study we compared the growth of the model plant Helianthus annuus under a dynamic versus a static, control LED lighting. The data of this study show that the dynamic LED consumed 21% less energy than a control LED. However, there was no difference in crop quality or time to anthesis.

Schwend, T.; Prucker, D.; Mempel, H. (2016): Mit Licht hemmen? DEGA Gartenbau (7), S. 56-58.
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Schwend, T.; Prucker, D.; Mempel, H. (2015): Red light promotes compact growth of sunflowers. European Journal of Horticultural Science 80 (2), S. 56-61. DOI: 10.17660/eJHS.2015/80.2.2
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Light quality affects plant morphology. Hence, light quality is an important factor in the cultivation of ornamental plants. The recent advances in LED technology allow producers to adjust light quality to manipulate plant growth. For growers of ornamental plants the primary aim regarding plant morphology is to keep plants short and compact with attractive flowers. However, data on the effect of light quality on plant morphology are still sparse. This study provides data on the effect of different LED light regimes on height and fresh weight of shoot and flower, leaf area and compactness of the model plant Helianthus annuus. Regression analysis of these data shows that red light promotes compact growth.

Schwend, T.; Prucker, D.; Mempel, H. (2014): Der Einfluss von LED-Licht auf den Rosmarinsäuregehalt in Basilikum. Infodienst Weihenstephan, Dezember 2014 / Januar 2015.
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Schwend, T.; Prucker, D.; Mempel, H. (2014): Lässt sich das Spektrum von LED-Licht nutzen? DEGA Gartenbau (11), S. 54-55.
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Prucker, D.; Mempel, H. (2013): Einfluss der verschiedenen Wellenlängen einer LED-Belichtung auf das Pflanzenwachstum. Infodienst Weihenstephan, April 2013.
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Wissenschaftliche Poster

Schwend, T.; Mühlmann, C.; Beck, M.; Prucker, D.; Mempel, H. (2017): Regulation of greenhouse lighting with a PAR sensor. BHGL-Tagungsband 31/2015, S. 119.

Schwend, T.; Prucker, D.; Nitsopoulos, A.; Mempel, H. (2015): Correlation of rosmarinic acid content of basil with the ratio of far-red:red light. BHGL-Tagungsband 31/2015 (31), S. 121.

Beck, M.; Haas, H.; Henning, V.; Köhler, L.; Röber, R.; Jaksch, T.; Kohlrausch, F.; Neumaier, D.; Prucker, D. (2006): Untersuchungen zur Energieeinsparung durch eine der Lichtintensität angepaßte Temperatur und CO2-Versorgung. 43. Gartenbauwissenschaftliche Tagung der DGG und des BHGL, 22.-25.02., Potsdam.

Vorträge

Schwend, T.; Prucker, D.; Mempel, H. (2015): LED – the key for product design. Vortrag auf der Fruit Logistica Berlin, Februar 2015.
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Schwend, T.; Prucker, D.; Mempel, H. (2015): Red light promotes compact growth of sunflowers. BHGL - Schriftenreihe Band 31, 2015 (31), S. 56.

Medienbeiträge in Zusammenhang mit dem Projekt

Schumann, E. (2015): Mit Licht das Wachstum kontrollieren. Redaktioneller Beitrag zum Weihenstephaner Hochschulforum Gartenbau 2015. DEGA Gartenbau (9).

Medienbeitrag, .; Schwend, T. (2015): Sonnenblumen unter rotem & blauem Licht | Beitrag mit Interview von Dr. Thomas Schwend auf Youtube. Online auf Youtube, eingestellt am 17.11.2015.
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Projektleitung

Prof. Dr. Heike Susanne Mempel
T +49 8161 71-5853
heike.mempel[at]hswt.de

Projektbearbeitung

Dipl. Ing. (FH) Dietmar Prucker
T +49 8161 71-5595
dietmar.prucker[at]hswt.de

Dr. Thomas Schwend

Projektdauer

01.09.2013 - 31.08.2016