Weihenstephaner Modell - Energieeinsparung bei der Produktion von Pflanzen
Zierpflanzen stellen ein ökonomisch wichtiges Produkt des deutschen Gartenbaus dar. Ein zentraler Kosten- und Umweltfaktor bei der Unterglasproduktion von Zierpflanzen ist der hohe Heizbedarf in den Herbst- und Wintermonaten. Um die Heizkosten und damit auch den Kohlendioxidausstoß zu senken, wurde an der Hochschule Weihenstephan-Triesdorf ein neues, energiesparendes Klimaführungsmodell für die Kultur von Zierpflanzen entwickelt. Dieses Modell nutzt die Einstrahlung der Sonne am späten Nachmittag, um ein Wärmepolster für die frühen Abendstunden zu schaffen. Dadurch kann das Zuschalten der Heizung verzögert werden. Gleichzeitig werden die Tagestemperaturen am Morgen drastisch reduziert, um die benötigte Heizenergie weiter zu senken. In der Regel übernimmt die natürliche morgendliche Einstrahlung die Erwärmung des Gewächshauses. Die Untersuchungen haben gezeigt, dass durch die geänderte Temperaturführung je nach Jahreszeit und Sonnenscheinstunden 25 bis 80 % der Heizenergie eingespart werden können, ohne dass Qualitätsverluste bei den Pflanzen auftreten. Das Klimaführungsmodell findet breite Anwendung im bayerischen Gartenbau und wird inzwischen in 120 bayrischen Betrieben auf nahezu 400 000 m2 Gewächshausfläche angewendet. Dies zeigt deutlich, welchen entscheidenden Beitrag das Weihenstephaner Modell zur Kostensenkung und damit zur Wettbewerbsfähigkeit des Gartenbaus leistet.
Einleitung
In Deutschland gibt es über 8.000 Zierpflanzenbetriebe mit insgesamt mehr als 2.000 ha Gewächshausfläche. Einen signifikanten Teil des Umsatzes erwirtschaften diese zu Beginn der Beet- und Balkonsaison in den ersten Frühlingswochen sowie im Weihnachtsgeschäft mit dem Winterflor. Diese Jahreszeiten sind somit wichtige Kulturperioden in Deutschland. Viele der in dieser Zeit kultivierten Pflanzen sind wärmeliebend, z. B. Euphorbia pulcherrima oder Pelargonien und die Gewächshäuser müssen während dieser Perioden geheizt werden. In der Regel wird bei konstanten Tages- und Nachttemperaturen kultiviert, die durch computergesteuertes Heizen und Lüften eingestellt werden.
Die bisherige Forschung am Institut für Gartenbau hat gezeigt, dass die meisten Kulturen kühlere Temperaturen in den Morgenstunden ohne Qualitätsverlust hinnehmen. Diese morgendliche Absenkung der Temperatur wird im englischsprachigen Raum auch als "Cool Morning" (CM) bezeichnet. Weiterhin haben die Untersuchungen an der Hochschule Weihenstephan-Triesdorf und anderen Institutionen gezeigt, dass die meisten Zierpflanzen eine höhere Temperatur am Nachmittag ohne Qualitätsverluste verkraften. Mit dem Schließen der Lüftung am frühen Nachmittag kann so durch das einfallende Licht ein Wärmepolster geschaffen werden. Dieses Energiepolster hilft, die Wärmeversorgung, zumindest während der ersten Abendstunden, zu gewährleisten ("Warm Evening").
Basierend auf diesen Forschungsergebnissen wurde an der HSWT ein neues Klimaführungsmodell für den Zierpflanzenbau entwickelt. Es ersetzt die klassische isotherme Klimaführung durch eine dynamische. Die positiven Effekte von Cool Morning und Warm Evening werden kombiniert. Die dynamische Temperaturführung im Gewächshaus ist für den praktizierenden Gartenbau neu und ungewohnt. Es bedurfte einer vollständig neuen Konzeption der Regelparameter für die Klimasteuerung. In zahlreichen Versuchsreihen konnte gezeigt werden, dass die Qualität der Pflanzen, (zumindest) unter süddeutschen Lichtbedingungen, vergleichbar zu herkömmlich kultivierten ist. Der große Vorteil liegt darin, dass - ohne große Investitionen - eine Energieersparnis von 25 – 40 % erzielt werden kann.
Funktionsweise des Weihenstephaner Modells
Das Energiesparkonzept unterteilt sich in drei wichtige Phasen:
- Energieeinsparung durch Absenkung der Heiztemperaturen in den Morgenstunden
- Nutzung der Sonneneinstrahlung zur Deckung des Energiebedarfs am frühen Abend durch Heraufsetzen der Lüftungstemperaturen am Spätnachmittag
- Einsatz von Energie- und Verdunklungsschirmen zur Reduzierung des zu beheizenden Luftvolumens im Gewächshaus in der Nacht bzw. bei sehr geringer Einstrahlung.
Praktisch wird das Weihenstephaner Modell so umgesetzt, dass drei Stunden vor Sonnenuntergang die Lüftungstemperaturen auf 25 – 27 °C eingestellt werden (Warm Evening). Im Optimalfall reichen drei Stunden aus, um ein ausreichendes Wärmepolster im Gewächshaus für den frühen Abend zu schaffen. Mit der Dämmerung schließen die Energieschirme. Eine Untertischheizung sorgt für die kulturspezifisch vorgegebene Heiztemperatur in einem reduzierten Luftvolumen.
Durch den Einsatz von Verdunklungsschirmen kann der Wärmeverlust weiter reduziert werden. Cool Morning wird dahingehend realisiert, dass nur die Heiztemperatur abgesenkt wird und nicht die Lüftungstemperatur. Die Heiztemperaturen werden mindestens ein bis zwei Stunden vor Sonnenaufgang auf eine pflanzenspezifische Temperaturuntergrenze zurückgenommen. Mit Tagesanbruch öffnen sowohl die Energieschirme, als auch die Verdunklungen und die kalte Luft aus den oberen Gewächshausbereichen vermischt sich mit der warmen aus dem Pflanzenbereich. In dieser Kulturphase kann das Gewächshaus natürlich abkühlen. Zur Sicherung des Bestandes sind Temperaturuntergrenzen eingestellt. Diese werden in der Regel nur sehr selten erreicht. Besonders an sonnigen Tagen übernimmt die natürliche Einstrahlung die Erwärmung der Gewächshausluft. Erst wenn nach vier bis fünf Stunden keine ausreichende Erwärmung des Gewächshauses erfolgt ist, wird die Heizung zugeschaltet.
Die schematische Darstellung der Reglereinstellungen zeigt Abbildung 2. Die moderne Klimasteuerung ermöglicht es, das Weihenstephaner Modell sehr exakt den Bedürfnissen der Pflanzen anzupassen. In manchen Fällen kann es durchaus sinnvoll sein, in den Abendstunden höhere Heiztemperaturen anzubieten und andererseits den Cool Morning bereits kurz nach Mitternacht einzuleiten. Insgesamt ergeben sich Anwendungsmöglichkeiten im gesamten Unterglasanbau.
Ergebnisse und Erfahrungen mit dem Weihenstephaner Modell
Das Modell wird an der HSWT seit 2008 entwickelt und getestet. Damit liegen langjährige Erfahrungen am Institut für Gartenbau vor. Zudem wenden inzwischen etwa 50 % der bayrischen Gärtner die Klimastrategie an. Die Ergebnisse der letzten 8 Jahre zeigen durchgehend, dass durch die Erhöhung der Gewächshaustemperatur am späten Nachmittag (Warm Evening) und durch den konsequenten Einsatz der Energieschirme die Heizung deutlich später zugeschalten werden muss. Zugleich wird durch die Absenkung der Temperatur am Morgen weniger Heizenergie benötigt. Das führt dazu, dass bei annähernd identischer Tagesmitteltemperatur (TMT) weniger Heizenergie benötigt wird. Im Laufe der Versuchsjahre wurde das Modell an nahezu allen praxisrelevanten Zierpflanzen getestet. Die Ergebnisse zeigen, dass die Produktion dieser Kulturen ohne Qualitätsverluste möglich ist. In Tabelle 1 sind die ermittelten Energieeinsparungen einiger ökonomisch bedeutender Kulturen zusammengefasst.
Praktische Anwendung in den gärtnerischen Betrieben in Bayern
Wie sich in den Versuchen zeigte, konnte zwischen 25 und 80 % der normalerweise benötigten Heizenergie eingespart werden (Tabelle 1). Bezogen auf einen Hektar Anbaufläche unter Glas ergibt das eine Einsparung von mindestens 250 MWh. Bedenkt man, dass bei der Umstellung von konventioneller Klimaführung auf das Weihenstephaner Modell kaum Kosten anfallen, werden die ökonomischen und ökologischen Dimensionen für die Praxis schnell erkennbar. Das Weihenstephaner Modell erfordert Anpassungen je nach Kultur und regionalen Gegebenheiten. Betriebe mit hoher technischer Ausstattung haben den Vorteil, die Sollwerte für Heizung und Lüftung individuell einstellen zu können. Energieschirme oder Verdunklungsgewebe sind zusätzliche Möglichkeiten, um den Heizbedarf in der Nacht zu senken.
Die praktischen Erfahrungen zeigen jedoch, dass eine regelmäßige Kontrolle und Wartung der Messfühler erforderlich ist, vor allem wenn die Temperaturführung im Gewächshaus im Grenzbereich erfolgt. Eine trockene Kulturführung unterstützt den Kulturerfolg. Werden die Gießarbeiten in den Vormittag verlegt, steigt die Luftfeuchte am Abend nicht unnötig an. Regionale Witterungsbedingungen wie z. B. Sonnenstunden nehmen Einfluss auf den Kulturerfolg. Gleiche Regelungssollwerte können deswegen zu unterschiedlicher Qualität führen. Wünschenswert wäre die Erstellung von Wachstumsmodellen, die mit Hilfe von intelligenter Klimasteuerung mehr Kultursicherheit für die Praxis bieten könnten. Neuere Forschungsansätze unter Berücksichtigung von Energieeinsparmodellen und LED-Belichtung zielen in diese Richtung.
Adressierte SDGs (Sustainable Development Goals)
