EP2094075A1 - Verfahren und anordnung zur kohlendioxid-versorgung von in einem gewächshaus angebauten pflanzen - Google Patents

Verfahren und anordnung zur kohlendioxid-versorgung von in einem gewächshaus angebauten pflanzen

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EP2094075A1
EP2094075A1 EP07822735A EP07822735A EP2094075A1 EP 2094075 A1 EP2094075 A1 EP 2094075A1 EP 07822735 A EP07822735 A EP 07822735A EP 07822735 A EP07822735 A EP 07822735A EP 2094075 A1 EP2094075 A1 EP 2094075A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
greenhouse
plants
supply
net
gas
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP07822735A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Hans-Peter Klaering
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Institut fur Gemuese- & Zierpflanzenbau Ev
Original Assignee
Institut fur Gemuese- & Zierpflanzenbau Ev
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Institut fur Gemuese- & Zierpflanzenbau Ev filed Critical Institut fur Gemuese- & Zierpflanzenbau Ev
Publication of EP2094075A1 publication Critical patent/EP2094075A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A01—AGRICULTURE; FORESTRY; ANIMAL HUSBANDRY; HUNTING; TRAPPING; FISHING
    • A01G—HORTICULTURE; CULTIVATION OF VEGETABLES, FLOWERS, RICE, FRUIT, VINES, HOPS OR SEAWEED; FORESTRY; WATERING
    • A01G9/00—Cultivation in receptacles, forcing-frames or greenhouses; Edging for beds, lawn or the like
    • A01G9/18—Greenhouses for treating plants with carbon dioxide or the like
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P60/00—Technologies relating to agriculture, livestock or agroalimentary industries
    • Y02P60/20—Reduction of greenhouse gas [GHG] emissions in agriculture, e.g. CO2

Definitions

  • the invention relates to a method and an arrangement for the carbon dioxide (CO 2 ) supply of plants grown in a greenhouse by means of CO 2 provided by technical or by the combustion of gas .
  • the supplied CO 2 comes, for example, from the exhaust gases of the greenhouse heating, which are cost-neutral in the combustion of natural gas available and can be introduced into the greenhouse without further treatment or technical CO 2 is used. It is also possible to burn natural gas or LPG (propane) directly in the greenhouse. This incurs not inconsiderable costs and an economical use is required.
  • the supply of CO 2 is regulated according to predetermined set values, that is, until reaching a predetermined concentration of CO 2 is supplied, when the concentration is exceeded, the supply is stopped. This setpoint is chosen empirically and partially changed when the greenhouses are ventilated. Such a CO 2 control is known, for example, from DE 37 80 614 A1.
  • the patent DD 243 422 A1 also criticizes the inertia and the high cost of such a CO 2 control and proposes the "biochemical CO 2 fertilization rates from a computer directly from the normative plant size in conjunction with the measurements of the global radiation meter and the indoor temperature sensor" . to calculate and to compensate for this by combustion of gas (preferably biogas) in the greenhouse from the thus released heat and the outside temperature, the time for terminating the supply of fuel gas and for opening the vent can be calculated in both the combination of the CO 2 -.
  • gas preferably biogas
  • the amount of CO 2 supplied is: the consumption of the plants, the predicted heating energy demand or the predicted ventilation time at low outdoor temperature and low irradiance is the in the CO 2 generation amount of heat generated far from meet the heating requirements, the amount of gas needed for the heating can, however, produce C0 2 concentrations which are toxic for the plants.
  • the greenhouse ventilation is then wide open and no technical CO 2 supply required.
  • the greenhouse heating and ventilation to regulate the air temperature and relative humidity in the greenhouse should be done solely on thermodynamic aspects, the CO 2 supply according to the needs of the plants. Both criteria require separate control or regulation and can not be controlled by the combustion of gas alone.
  • Construction elements is significantly changed.
  • a separate sensor is required for each greenhouse of a farm.
  • the solution is therefore altogether unsuitable for CO 2 fertilization.
  • the invention has for its object to provide a method and an arrangement with which the calculation and compensation of the absorbed by the plants CO 2 amount is to make in a simple manner, which lead to a clear controller behavior and behave cost-minimizing in each control phase. According to the invention the object is achieved by the features of claims 1, 9, 10 and 11. Expedient refinements are the subject of the dependent claims.
  • the net C0 2 uptake (P ne t) of the plants with a per se known, for a certain temperature range, which contains the greenhouse inside temperature, and a C0 2 concentration, which corresponds to the CO 2 concentration of the outside atmosphere is time-specific , general model of the net C0 2 gas exchange of C3 plants as a function of the leaf area of the plants and the photosynthetic active radiation (PAR), which is measured directly outside the greenhouse or derived from a radiation quantity measured there, and calculated by supplying the equivalent CO 2 , as long as the time-specific, compared to a greenhouse not supplied with CO 2 expected increase in greenhouse-grown products, the expected CO 2 -specific increase in yield on the basis of photosynthetically active radiation (PAR) and the air temperature (T) outside the greenhouse as well as the aktu price for the product being produced is greater than the cost of CO 2 feed.
  • PAR photosynthetic active radiation
  • the calculation is preferably done in clocks.
  • the CO 2 supply can also be done in (possibly the same) clock cycles or continuously.
  • a corresponding arrangement comprising a data processing system, a computer program or a computer-readable storage medium containing a program for carrying out the method are each arranged to perform the following steps: - the expected increase in greenhouse-gas crops compared to a non-CO 2 greenhouse is measured in a timely manner from the expected CO 2 -specific yield increase on the basis of photosynthetically active radiation levels measured directly outside the greenhouse or from a derived from the radiation quantity measured there, and a value for the air temperature outside the greenhouse and the current price for the product produced,
  • the expected net C0 2 uptake of the plants is timed with a per se known, valid for a certain temperature range containing the greenhouse inside temperature and a C0 2 concentration corresponding to the C0 2 concentration of the outside atmosphere, general model of the net C0 2 gas exchange of C3 plants as a function of the leaf area of the plants and the value for the photosynthetic active radiation (PAR) and
  • the method controls the supply of CO 2 in the following manner:
  • the net C0 2 uptake of the plants with one for a given temperature, which corresponds to the greenhouse temperature, and a CO 2 concentration, which corresponds to the C0 2 concentration of the outside atmosphere, is known per se as a general model of the net C0 2 -Gas cartis of so-called C3 plants (all grown usually in greenhouses crops are C3 plants) in
  • the photosynthetically active radiation can also be calculated from the less expensive illuminance to be detected. It turns out a C0 2 concentration in the greenhouse, which is approximately equal to the C0 2 concentration in the outdoor area, which is why it can be dispensed with a measurement of the CO 2 concentration and consideration in the model. Since the air temperature is usually regulated in the cultivation of plants in the greenhouse in the favorable for the photosynthesis of the respective plant species range, they must not be included in the model. As the air temperature increases, photosynthesis and respiration increase equally in this relatively wide range, leaving the net C0 2 uptake virtually unchanged. In contrast, the net C0 2 uptake is decisively influenced by the irradiance (PAR) and the C0 2 concentration.
  • PAR irradiance
  • the method has a self-regulation effect (feedback control) in that when the CO 2 concentration in the greenhouse falls below the level of the outside atmosphere (currently 380 ppm, rising) for any reason with the constant value of CO 2 concentration, a higher CO 2 feed is calculated than for a calculation based on the real concentration in the greenhouse such that the CO 2 uptake of the plants overestimates, the CO 2 intake is inflated and so the desired value of C0 2 concentration is approximated again. (Conversely, overestimating the C0 2 concentration would also lead to the approximation of C0 2 concentration in the greenhouse to the given C0 2 concentration of ambient air by underestimation of CO 2 uptake and reduced CO 2 supply).
  • the C0 2 compensation makes sense only as long as the proceeds of the products compared to a greenhouse not supplied with CO 2 are greater than the costs for the C0 2 supply. The latter depend only on the amount of CO 2 to be supplied and on the current market price for CO 2 .
  • the increased yield of the products depends on the CO 2 - specific yield increase, which in turn depends on the leaf area and the photosynthetic active radiation
  • the ventilation rate is determined independently of the greenhouse type by the external radiation and the outside temperature as well as the target values of the temperature and relative humidity adjusted for the ventilation of the greenhouse.
  • the CO 2 supply is therefore interrupted when the by Exchanging air with the outside air reached CO 2 supply according to setpoints of the air temperature and relative humidity of open ventilation is economically more effective than the technical CO 2 supply.
  • the fulfillment of this criterion is derived empirically from the measurement of irradiance and air temperature outside the greenhouse, as well as current prices for the CO 2 and the product produced. Complicated models of plant growth and greenhouse climate with mostly unavailable parameters for different plant species and greenhouse types are not needed.
  • the amount of CO 2 used can be easily estimated only on the basis of a measurement of the external radiation and the leaf area.
  • the leaf area can be estimated with sufficient accuracy in a simple manner (for more details see, for example, Schwarz D. and Kläring, H. -P. 2001, Allometry to estimate leaf area of tomato, Journal of Plant Nutrition 24
  • the amount of CO 2 used is low and thus is the
  • the CO 2 supply is stopped immediately if it no longer profits.
  • the criterion for the adjustment of the CO 2 supply is determined in a simple manner. Detailed, difficult-to-capture parameters for each type of greenhouse are not needed.
  • Fig. 1 shows two possible functions for calculating the net CO 2 absorption of a fully developed
  • Fig. 2 is a flow chart for a control of C0 2 supply of a crop in the greenhouse after a
  • Model of the net-C0 2 -Germannähme and Fig. 3 is a diagram for the C0 2 -Nutzungskostoryen CNK for the C0 2 supply a culture in cucumbers
  • Fig. 1 shows two model functions with different degrees of complexity.
  • Function (1) (dashed) represents a fairly accurate representation of the actual net C0 2 absorption.
  • Function (2) is a simple approximation to function (1) with three linear sections.
  • function [2] is sufficiently accurate and can be implemented much easier on a controller. Both functions apply to a specific range of greenhouse temperature and C0 2 concentration as it is outdoors.
  • PAR present conditions of radiation
  • T outside temperature
  • the net C0 2 uptake of the plants increases first and the CO 2 concentration is reduced in a greenhouse not supplied with CO 2 .
  • the CO 2 -based yield increase in a greenhouse fed with CO 2 is growing.
  • the C0 2 utilization coefficient (CNK, g increase in yield per g CO 2 introduced ) increases due to the positive interaction of C0 2 concentration and irradiance in the process of net C0 2 uptake. But it also increase the air temperature and humidity in the greenhouse and from a certain irradiation and outdoor temperature, the greenhouse must first be aired less and with increasing irradiation and outside temperature more and more.
  • Empirical can be a function for the CO 2 - Use coefficients CNK depending on the outside temperature and the radiation gain as shown in Fig. 3 for the daily CNK of a cucumber culture. For example, if the price ratio of cucumber revenue to C0 2 cost (per kg) is 1: 1, then CO 2 supply is meaningful only under conditions that have a CNK greater than 1. If this is the case, the calculation of the net C0 2 absorption (P ne t) is released for the following time cycle.
  • PAR external exposure
  • the valve opening could have been completely blocked depending on the ambient conditions irradiation and outside temperature (T) and thus indirectly also depending on the ventilation rate. In this way, an ineffective supply of CO 2 could have been prevented, but this did not occur during the trial period.
  • the data acquisition and valve control was carried out with a commercial greenhouse control system. On the host computer of this system ran a working according to the inventive software program for calculating the net C0 2 -Avemnähme and the valve position. The exchange of measurement data and control instructions between the greenhouse control system and the program for calculating the net C0 2 uptake and the valve position was done via an ODBC interface.
  • the process allowed crops grown in spring and autumn to grow at near-production conditions to 35% over non-CO 2 greenhouses.
  • the solution can be realized in a simple manner separately, that is independent of a greenhouse control system. If necessary, propane or natural gas can also be burned in the greenhouse instead of the supply of technical CO 2 . Instead of the supply in pulses, a continuous C0 2 supply via a mass flow control is possible.

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anordnung zur Kohlendioxid (CO<SUB>2</SUB>)-Versorgung von in einem Gewächshaus angebauten Pflanzen mittels technischem oder durch Verbrennen von Gas bereitgestelltem CO<SUB>2</SUB>. Vorgeschlagen wird, dass die zeitspezifische Netto-CO<SUB>2</SUB>-Aufnahme (Pnet) der Pflanzen mit einem an sich bekannten, für einen bestimmten Temperaturbereich, der die Gewächshausinnentemperatur enthält, gültigen und eine CO<SUB>2</SUB>-Konzentration, die der CO<SUB>2</SUB>- Konzentration der Außenatmosphäre entspricht, allgemeingültigen Modell des Netto-CO<SUB>2</SUB>-Gaswechsels von C3-Pflanzen in Abhängigkeit von der Blattfläche der Pflanzen und der photosynthetisch aktiven Strahlung (PAR), die außerhalb des Gewächshauses direkt gemessen oder aus einer dort gemessenen Strahlungsgröße abgeleitet wird, berechnet und durch Zufuhr der entsprechenden Menge CO<SUB>2</SUB> kompensiert wird, solange wie der zeitspezifische, gegenüber einem nicht mit CO<SUB>2</SUB> versorgten Gewächshaus zu erwartende erhöhte Erlös der im Gewächshaus angebauten Erzeugnisse, der aus dem zu erwartenden CO<SUB>2</SUB>-spezifischen Ertragszuwachs anhand der photosynthetisch aktiven Strahlung (PAR) und der Lufttemperatur (T) außerhalb des Gewächshauses sowie des aktuellen Preises für das produzierte Erzeugnis abgeleitet wird, größer ist als die Kosten für die CO<SUB>2</SUB>-Zufuhr.

Description

Verfahren und Anordnung zur Kohlendioxid-Versorgung von in einem Gewächshaus angebauten Pflanzen
Beschreibung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anordnung zur Kohlendioxid (CO2) -Versorgung von in einem Gewächshaus angebauten Pflanzen mittels technischem oder durch Verbrennen von Gas bereitgestelltem CO2.
Gewächshäuser werden im Herbst, Winter und Frühjahr in Mittel- und Nordeuropa, in Nordamerika und in großen Teilen Asiens nur selten gelüftet. Energiesparende moderne Häuser sind zudem sehr dicht und haben nur einen geringen Luftaustausch mit der Umgebung. Infolge der CO2-Aufnähme der Pflanzen sinkt deshalb die C02-Konzentration im Gewächshaus am Tage auf sehr niedrige Werte, was eine deutliche Verringerung der Photosynthese und damit des Ertrags zur Folge hat.
Es ist bekannt, der Verringerung der C02-Konzentration im Gewächshaus durch die Zufuhr von CO2 zu begegnen. Das zugeführte CO2 stammt zum Beispiel aus den Abgasen der Gewächshausheizung, welche bei der Verbrennung von Erdgas kostenneutral zur Verfügung stehen und ohne weitere Aufbereitung ins Gewächshaus eingeleitet werden können oder es wird technisches CO2 verwendet. Möglich ist auch die Verbrennung von Erdgas oder Flüssiggas (Propan) direkt im Gewächshaus. Hierbei entstehen nicht unerhebliche Kosten und ein sparsamer Einsatz ist erforderlich. Die Zufuhr von CO2 wird nach vorgegebenen Sollwerten geregelt, das heißt bis zum Erreichen einer vorgegebenen Konzentration wird CO2 zugeführt, bei Überschreiten der Konzentration wird die Zufuhr gestoppt. Dieser Sollwert wird empirisch gewählt und teilweise bei Lüftung der Gewächshäuser verändert. Eine solche CO2-Regelung ist beispielsweise aus DE 37 80 614 Al bekannt.
Der Nachteil der Regelung nach Sollwerten besteht in der Ungewissheit des Verbrauches von CO2, da keine Kontrolle oder Limitierung der Kosten für das CO2, insbesondere bei geöffneter Gewächshauslüftung, möglich ist. Darüber hinaus erfordert diese Regelung eine genaue Messung der CO2- Konzentration, welche aufgrund des relativ hohen Gerätepreises, vor allem aber aufgrund der Anforderungen an Kalibrierung und Wartung in gärtnerischen Betrieben häufig nicht gegeben ist.
Aus De 36 14 387 Al sind auch ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Kohlendioxidversorgung von Pflanzen bekannt, nach denen keine direkte Messung der CO2- Konzentration mittels Gasanalyse erfolgen soll. Stattdessen soll die Flamme eines Vergleichsgases beobachtet werden, die sich bei einem bestimmten CO2-Anteil in der Raumluft von ihrem Brenner entfernt. Diese, für den Bereich von 500- 5000 ppm vorgeschlagene, indirekte Art der CO2- Konzentrationsbestimmung ist jedoch nicht hinreichend genau, insbesondere, wenn die C02-Konzentration Werte von weniger als 500 ppm annimmt. Es bleibt außerdem der bereits angesprochene Nachteil eines unkontrollierten Verbrauchs von CO2, zumal keine Kopplung mit der Lüftungsstellung des Gewächshauses vorgesehen ist. Die Patentschrift DD 243 422 Al bemängelt ebenfalls die Trägheit und die hohen Kosten einer solchen CO2-Regelung und schlägt vor, die „biochemischen CO2-Düngungsraten von einem Computer direkt aus der normativen Pflanzengröße in Verbindung mit den Messwerten des Globalstrahlungsmessers und des Innentemperaturfühlers" zu berechnen und diese durch Verbrennung von Gas (vorzugsweise Biogas) im Gewächshaus zu kompensieren. Aus der dabei frei werdenden Wärmemenge und der Außentemperatur werden sowohl der Zeitpunkt für die Beendigung der Brenngaszufuhr und für das Öffnen der Lüftung berechnet. Die Kombination der CO2- Versorgung mit der Heizung und Lüftung enthält hierbei allerdings Widersprüche in sich, da nicht klar ist, was das Kriterium für die zugeführte CO2-Menge ist: Der Verbrauch der Pflanzen, der vorausberechnete Heizenergiebedarf oder der vorausberechnete Lüftungszeitpunkt. Bei niedriger Außentemperatur und geringer Bestrahlungsstärke ist die bei der CO2-Erzeugung entstehende Wärmemenge weit davon entfernt, den Heizenergiebedarf zu decken, die für die Heizung benötigte Gasmenge kann dagegen C02-Konzentrationen erzeugen, welche bereits toxisch für die Pflanzen sind. Bei moderater Bestrahlungsstärke wird dagegen oft keine weitere technische Heizung mehr benötigt, um die erforderliche Temperatur im Gewächshaus zu halten, das von den Pflanzen aufgenommene CO2 muss jedoch ersetzt werden, wofür die bei dieser Bestrahlungsstärke geringen Lüftungsraten wahrscheinlich allein nicht ausreichen. Bei hoher Bestrahlungsstärke ist die Gewächshauslüftung dann weit geöffnet und keine technische CO2-Zufuhr erforderlich. Die Gewächshausheizung und Lüftung zur Regelung der Lufttemperatur und relativen Luftfeuchtigkeit im Gewächshaus sollten allein nach thermodynamischen Gesichtspunkten erfolgen, die CO2-Zufuhr nach dem Bedarf der Pflanzen. Beide Kriterien erfordern eine getrennte Regelung oder Steuerung und können mit der Verbrennung von Gas allein nicht beherrscht werden.
Unklar ist dabei auch die Berechnung der „normativen" CO2- Aufnahmeraten für alle gärtnerischen Nutzpflanzen für jedes mögliche Alter der Pflanzen und alle möglichen
Kombinationen von Temperatur und Globalstrahlung. Auch die
Punktmessung der Globalstrahlung innerhalb des
Gewächshauses liefert keine repräsentativen Werte für den Pflanzenbestand und die CO2-Aufnahme für kurze
Zeitabschnitte, da sie durch Schattenwürfe von
Konstruktionselementen deutlich verändert wird. Darüber hinaus wird für jedes Gewächshaus eines Betriebes ein separater Sensor benötigt. Die Lösung ist deshalb insgesamt nicht geeignet für eine CO2-Düngung.
Moderne Gewächshäuser haben keine Zweipunktregelung sondern eine gleitende Öffnung der Lüftung. Diese erfolgt nicht nur bei Überschreiten von Sollwerten der Temperatur, sondern auch von Sollwerten der relativen Luftfeuchtigkeit. Die Notwendigkeit der Regelung der Luftfeuchtigkeit wird bei der Regelung der C02-Konzentration bisher nicht berücksichtigt .
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Anordnung anzugeben, mit denen die Berechnung und Kompensierung der von den Pflanzen aufgenommenen CO2-Menge auf einfache Weise vorzunehmen ist, die zu einem eindeutigen Reglerverhalten führen und die sich in jeder Regelungsphase kostenminimierend verhalten. Erfindungsgemäß wird die Aufgabe gelöst durch die Merkmale der Ansprüche 1, 9, 10 und 11. Zweckmäßige Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
Danach wird zeitspezifisch die Netto-C02-Aufnähme (Pnet) der Pflanzen mit einem an sich bekannten, für einen bestimmten Temperaturbereich, der die Gewächshausinnentemperatur enthält, gültigen und eine C02-Konzentration, die der CO2- Konzentration der Außenatmosphäre entspricht, allgemeingültigen Modell des Netto-C02-Gaswechsels von C3- Pflanzen in Abhängigkeit von der Blattfläche der Pflanzen und der photosynthetisch aktiven Strahlung (PAR) , die außerhalb des Gewächshauses direkt gemessen oder aus einer dort gemessenen Strahlungsgröße abgeleitet wird, berechnet und durch Zufuhr der entsprechenden Menge CO2 kompensiert, solange wie der zeitspezifische, gegenüber einem nicht mit CO2 versorgten Gewächshaus zu erwartende erhöhte Erlös der im Gewächshaus angebauten Erzeugnisse, der aus dem zu erwartenden CO2-spezifischen Ertragszuwachs anhand der photosynthetisch aktiven Strahlung (PAR) und der Lufttemperatur (T) außerhalb des Gewächshauses sowie des aktuellen Preises für das produzierte Erzeugnis abgeleitet wird, größer ist als die Kosten für die CO2-Zufuhr.
Die Berechnung erfolgt in bevorzugter Weise in Zeittakten.
Die CO2-Zufuhr kann ebenfalls in (möglichst den gleichen) Zeittakten oder auch kontinuierlich erfolgen.
Eine entsprechende Anordnung, die eine Datenverarbeitungsanlage umfasst, ein Computerprogramm oder ein computerlesbares Speichermedium, das ein Programm zur Durchführung des Verfahrens enthält, sind jeweils so eingerichtet, dass sie, folgende Schritte durchführen: - der gegenüber einem nicht mit CO2 versorgten Gewächshaus zu erwartende erhöhte Erlös der im Gewächshaus angebauten Pflanzen wird in einem Zeittakt aus dem zu erwartenden CO2-spezifischen Ertragszuwachs anhand der Werte für die photosynthetisch aktive Strahlung, die außerhalb des Gewächshauses direkt gemessen oder aus einer dort gemessenen Strahlungsgröße abgeleitet wurde, und eines Wertes für die Lufttemperatur außerhalb des Gewächshauses sowie des aktuellen Preises für das produzierte Erzeugnis abgeleitet,
- falls der erhöhte Erlös größer ist als die Kosten für die dazu aufzubringende CO2-Zufuhr wird die zu erwartende Netto-C02-Aufnähme der Pflanzen für den Zeittakt mit einem an sich bekannten, für einen bestimmten Temperaturbereich, der die Gewächshausinnentemperatur enthält, gültigen und eine C02-Konzentration, die der C02-Konzentration der Außenatmosphäre entspricht, allgemeingültigen Modell des Netto-C02-Gaswechsels von C3-Pflanzen in Abhängigkeit von der Blattfläche der Pflanzen und dem Wert für die photosynthetisch aktive Strahlung (PAR) , berechnet und
- die Zufuhr der berechneten Menge CO2 zum Gewächshaus freigegeben.
Gegebenenfalls können weitere klimatische Einflussgrößen oder Bedingungen in der Wurzelumgebung oder Zustandsvariablen der Pflanzen in das Modell der Netto-C02- Aufnahme aufgenommen werden. Das Verfahren steuert die Zufuhr von CO2 auf folgende Weise :
Es wird die Netto-C02-Aufnähme der Pflanzen mit einem für eine bestimmte Temperatur, die der Gewächshausinnentemperatur entspricht, und einer CO2- Konzentration, die der C02-Konzentration der Außenatmosphäre entspricht, an sich bekannten allgemeingültigen Modell des Netto-C02-Gaswechsels von so genannten C3-Pflanzen (alle üblicherweise in Gewächshäusern aufgezogenen Kulturpflanzen sind C3-Pflanzen) in
Abhängigkeit von der Blattfläche und der außerhalb des
Gewächshauses gemessenen photosynthetisch aktiven Strahlung
(PAR) berechnet und durch Zufuhr der entsprechenden Menge
CO2 kompensiert. Die photosynthetisch aktive Strahlung kann auch aus der preiswerter zu erfassenden Beleuchtungsstärke berechnet werden. Es stellt sich eine C02-Konzentration im Gewächshaus ein, die etwa gleich der C02-Konzentration im Außenbereich ist, weshalb auch auf eine Messung der CO2- Konzentration und Berücksichtigung im Modell verzichtet werden kann. Da auch die Lufttemperatur beim Anbau von Pflanzen im Gewächshaus in dem für die Photosynthese der jeweiligen Pflanzenart günstigen Bereich üblicherweise geregelt wird, muss auch sie nicht ins Modell einfließen. Mit steigender Lufttemperatur erhöhen sich in diesem relativ breiten Bereich gleichermaßen die Photosynthese und die Atmung, wodurch dann die Netto-C02-Aufnähme nahezu unverändert bleibt. Dagegen wird die Netto-C02-Aufnähme von der Bestrahlungsstärke (PAR) und der C02-Konzentration entscheidend beeinflusst.
Das Verfahren hat einen Selbstregelungseffekt (Feedback Regelung) insofern, als dass bei Sinken der CO2- Konzentration im Gewächshaus unter den Wert der Außenatmosphäre (gegenwärtig 380 ppm, Tendenz steigend) aus irgendwelchen Gründen mit dem konstanten Wert der CO2- Konzentration eine höhere CO2-Zufuhr berechnet wird als bei einer Rechnung auf der Grundlage der realen Konzentration im Gewächshaus, so dass die CO2-Aufnahme der Pflanzen überschätzt, die CO2-Zufuhr überhöht und so der angestrebte Wert der C02-Konzentration wieder angenähert wird. (Ein Übersteigen der C02-Konzentration würde umgekehrt durch Unterschätzung der CO2-Aufnahme und verringerte CO2-Zufuhr ebenfalls zur Annäherung C02-Konzentration im Gewächshaus an die vorgegebene C02-Konzentration der Umgebungsluft führen) .
Die C02-Kompensation ist aber nur solange sinnvoll, wie der gegenüber einem nicht mit CO2 versorgten Gewächshaus erhöhte Erlös der Erzeugnisse größer ist als die Kosten für die C02-Versorgung. Letztere hängen nur von der zuzuführenden CO2-Menge sowie vom aktuellen Marktpreis für CO2 ab. Der erhöhte Erlös der Erzeugnisse hängt vom CO2- spezifischen Ertragszuwachs ab, der wiederum von der Blattfläche und der photosynthetisch aktiven Strahlung
(PAR) abhängt, sowie vom aktuellen Marktpreis für das angebaute Erzeugnis. Ist bei einer bestimmten Temperatur und Bestrahlungsstärke der erzielbare Gewinn für die bei diesen Bedingungen zu erwartenden Ertragszuwachs geringer als der Preis der hierzu benötigten, berechneten CO2-Menge, so ist keine künstliche Zuführung von CO2, sondern ein CO2- Austausch allein durch die ohnehin vorhandene Lüftung angezeigt .
Die Lüftungsrate wird unabhängig vom Gewächshaustyp aus der Außenstrahlung und der Außentemperatur sowie den für das Lüften des Gewächshauses eingestellten Sollwerten der Temperatur und relativen Luftfeuchtigkeit bestimmt. Die CO2-Zufuhr wird deshalb unterbrochen, wenn die durch Luftaustausch mit der Außenluft erreichte CO2-Zufuhr bei nach Sollwerten der Lufttemperatur und relativen Luftfeuchtigkeit geöffneter Lüftung ökonomisch effektiver ist als die technische CO2-Zufuhr. Die Erfüllung dieses Kriteriums wird empirisch aus der Messung der Bestrahlungsstärke und der Lufttemperatur außerhalb des Gewächshauses sowie den aktuellen Preisen für das CO2 und das produzierte Erzeugnis abgeleitet. Komplizierte Modelle des Pflanzenwachstums und des Gewächshausklimas mit meistens nicht verfügbaren Parametern für verschiedene Pflanzenarten und Gewächshaustypen werden nicht benötigt.
Dieser Ansatz hat gegenüber den bisherigen Lösungen wesentliche Vorteile:
1. Die eingesetzte Menge an CO2 ist nur auf der Basis einer Messung der Außenstrahlung und der Blattfläche leicht abschätzbar. Die Blattfläche lässt sich auf einfache Weise hinreichend genau abschätzen (Genaueres dazu ist z.B. in Schwarz D. und Kläring, H. -P. 2001, Allometry to estimate leaf area of tomato, Journal of Plant Nutrition 24
(8), 1291-1309, zu finden).
Die eingesetzte Menge an CO2 ist gering und somit ist der
C02-Nutzungskoeffizient sehr hoch.
2. Die CO2-Zufuhr wird sofort eingestellt, wenn sie keinen Profit mehr abwirft. Das Kriterium für die Einstellung der CO2-Zufuhr wird auf einfache Weise bestimmt. Detaillierte, schwer zu erfassende Parameter zum jeweiligen Gewächshaustyp werden nicht benötigt.
3. Alle benötigten Messwerte und Stellglieder sind bei kommerziellen Anlagen zur Regelung des Gewächshausklimas bereits vorhanden. Die Erfindung soll nachstehend anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert werden. In den zugehörigen Zeichnungen zeigen
Fig. 1 zwei mögliche Funktionen zur Berechnung der Netto- CO2-Aufnähme eines voll entwickelten
Pflanzenbestandes, Fig. 2 ein Flussbild für eine Steuerung der C02-Versorgung eines Pflanzenbestandes im Gewächshaus nach einem
Modell der Netto-C02-Aufnähme und Fig. 3 ein Diagramm für den C02-Nutzungskoeffizienten CNK für die C02-Versorgung einer Gurkenkultur in
Abhängigkeit von der Bestrahlung und Lufttemperatur der Umgebung.
Die Berechnung der Netto-C02-Aufnähme kann nach an sich bekannten Modellen erfolgen, die eine verschieden große Kompliziertheit aufweisen können. Fig. 1 zeigt zwei Modellfunktionen mit unterschiedlichem Kompliziertheitsgrad. Funktion (1) (gestrichelt) stellt eine ziemlich genaue Wiedergabe der tatsächlichen Netto-C02-Aufnähme dar. Funktion (2) ist eine einfache Näherung an die Funktion (1) mit drei linearen Abschnitten. Auch Funktion [2] ist ausreichend genau und lässt sich wesentlich einfacher auf einem Regler implementieren. Beide Funktionen gelten für eine bestimmten Bereich der Temperatur im Gewächshaus und die C02-Konzentration wie sie auch im Außenbereich vorliegt
(gegenwärtig 380 ppm) . Außerdem geht der Blattindex in die
Berechnung der Funktion ein. (Genaueres zur Berechnung der
Funktionen findet sich zum Beispiel in Kläring et al . ,
Model-based control of CO2 concentration in greenhouses at ambient levels increases cucumber yield. Agric. Forest Meteor. 2007, im Druck) . Für beide Funktionen wurde die Wirkung des Verfahrens auf den CO2-Gehalt im Gewächshaus, sowie auf das Wachstum und den Ertrag von Gurken geprüft. Den Verfahrensablauf zeigt das Flussmodell in Fig. 2. Es wurden jede Minute die Bestrahlungsstärke und die Lufttemperatur außerhalb des Gewächshauses gemessen. Zunächst wurde dann betrachtet, ob eine CO2-Zufuhr bei den vorliegenden Bedingungen von Strahlung (PAR) und Außentemperatur (T) überhaupt effektiv ist, das heißt ob ein gegenüber einem nicht mit CO2 versorgten Gewächshaus erhöhter Erlös der Erzeugnisse größer ist als die Kosten für die C02-Versorgung. Der durch C02-Zufuhr erreichbare Ertragszuwachs ist nämlich nicht konstant. Bei geringer Strahlung ist auch die CO2-Verwertung durch die Pflanzen geringer. Mit steigender Strahlung erhöht sich erst einmal die Netto-C02-Aufnähme der Pflanzen und es verringert sich in einem nicht mit CO2 versorgten Gewächshaus die CO2- Konzentration. Demgegenüber wächst der CO2-bedingte Ertragszuwachs in einem mit CO2 versorgten Gewächshaus. Auch der C02-Nutzungskoeffizient (CNK, g Ertragszuwachs je g zugeführtes CO2) steigt auf Grund der positiven Wechselwirkung von C02-Konzentration und Bestrahlungsstärke im Prozess der Netto-C02-Aufnähme . Es steigen aber auch die Lufttemperatur und die Luftfeuchtigkeit im Gewächshaus an und ab einer bestimmten Bestrahlung und Außentemperatur muss das Gewächshaus zunächst wenig und mit weiter steigender Bestrahlung und Außentemperatur immer stärker gelüftet werden. Unter diesen Bedingungen gelangt aber auch immer mehr (gratis) CO2 in ein nicht mit CO2 versorgtes Gewächshaus, wodurch sich die Differenz in der CO2- Konzentration und damit im Ertrag zwischen dem versorgten und nicht versorgten Gewächshaus immer mehr verringert - und das bei nach der Netto-C02-Aufnähme geregeltem, steigendem CO2 Verbrauch. Das hat ein dramatisches Absinken des C02-Nutzungskoeffizienten zur Folge bis schließlich eine CO2-Zufuhr ökonomisch nicht mehr gerechtfertigt ist. Empirisch lässt sich eine Funktion für den CO2- Nutzungskoeffizienten CNK in Abhängigkeit von der Außentemperatur und der Strahlung gewinnen wie sie in Fig. 3 für den täglichen CNK einer Gurkenkultur gezeigt ist. Wenn zum Beispiel das Preisverhältnis von Gurkenerlös zu C02-Kosten (je kg) bei 1:1 liegt, dann ist eine CO2-Zufuhr nur unter den Bedingungen sinnvoll, die einen CNK von größer als 1 aufweisen. Ist das der Fall, so wird die Berechnung der Netto-C02-Aufnähme (Pnet) für den folgenden Zeittakt freigegeben.
Die Netto-C02-Aufnähme der Pflanzen (Pnet) wurde alle drei
Minuten aus den Mittelwerten der Umweltvariablen Strahlung
(PAR) für diesen Zeittakt und der wöchentlich gemessenen
Blattfläche prognostiziert (Fig. 1) und akkumuliert, wobei die Bestrahlungsstärke im Gewächshaus durch Multiplikation mit der Außenbestrahlung (PAR) mit dem Bestrahlungsstärkequotienten des Gewächshauses ermittelt wurde. Erst wenn die akkumulierte CO2-Aufnähme (Pnet kum) größer war als die in drei Minuten durch ein CO2-Ventil fließende Gasmenge, dann wurde für die nächsten drei Minuten das CO2-Ventil geöffnet und der Gewächshausluft CO2 zugeführt und die akkumulierte Menge um diesen Betrag verringert (Fig. 2). Auf diese Weise musste kein zweiter Zeittakt für die C02-Versorgung eingeführt werden.
Die Ventilöffnung hätte in Abhängigkeit von den Umgebungsbedingungen Bestrahlung und Außentemperatur (T) und damit indirekt auch in Abhängigkeit von der Belüftungsrate ganz gesperrt werden können. Auf diese Weise hätte eine nicht effektive CO2-Zufuhr verhindert werden können, was aber im Versuchszeitraum nicht eintrat. Die Messwerterfassung und Ventilsteuerung erfolgte mit einem kommerziellen Gewächshausregelsystem. Auf dem Leitrechner dieses Systems lief ein nach dem erfindungsgemäßen Verfahren arbeitendes Software-Programm zur Berechnung der Netto-C02-Aufnähme und der Ventilstellung. Der Austausch der Messdaten und Steueranweisungen zwischen dem Gewächshausregelsystem und dem Programm zur Berechnung der Netto-C02-Aufnähme und der Ventilstellung erfolgte über eine ODBC-Schnittstelle.
Mit dem Verfahren konnten beim Anbau von Gurken im Frühjahr und Herbst unter produktionsnahen Bedingungen Mehrerträge von 35 % gegenüber nicht mit CO2 versorgten Gewächshäusern erzielt werden.
Die Lösung lässt sich in einfacher Weise auch separat, das heißt unabhängig von einem Gewächshausregelsystem realisieren. Anstelle der Zufuhr von technischem CO2 kann gegebenenfalls auch Propan oder Erdgas im Gewächshaus verbrannt werden. Anstelle der Zufuhr in Impulsen ist auch eine kontinuierliche C02-Versorgung über eine Masseflussregelung möglich.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Kohlendioxid (CO2) -Versorgung von in einem Gewächshaus angebauten Pflanzen mittels technischem oder durch Verbrennen von Gas bereitgestelltem CO2, dadurch gekennzeichnet, dass die zeitspezifische Netto-C02-Aufnähme (Pnet) der Pflanzen mit einem an sich bekannten, für eine bestimmten Temperaturbereich, der die Gewächshausinnentemperatur enthält, gültigen und eine C02-Konzentration, die der CO2- Konzentration der Außenatmosphäre entspricht, allgemeingültigen Modell des Netto-C02-Gaswechsels von C3- Pflanzen in Abhängigkeit von der Blattfläche der Pflanzen und der photosynthetisch aktiven Strahlung (PAR) , die außerhalb des Gewächshauses direkt gemessen oder aus einer dort gemessenen Strahlungsgröße abgeleitet wird, berechnet und durch Zufuhr der entsprechenden Menge CO2 kompensiert wird, solange wie der zeitspezifische, gegenüber einem nicht mit CO2 versorgten Gewächshaus zu erwartende erhöhte Erlös der im Gewächshaus angebauten Erzeugnisse, der aus dem zu erwartenden CO2-spezifischen Ertragszuwachs anhand der photosynthetisch aktiven Strahlung (PAR) und der Lufttemperatur (T) außerhalb des Gewächshauses sowie des aktuellen Preises für das produzierte Erzeugnis abgeleitet wird, größer ist als die Kosten für die CO2-Zufuhr.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die photosynthetisch aktive Strahlung (PAR) aus der Beleuchtungsstärke abgeleitet wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Berechnung der Netto-C02-Aufnähme (Pnet) und die Zufuhr von CO2 in Zeittakten erfolgt.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Netto-CO2-Aufnähme (Pnet) mehrerer Zeittakte so lange kumuliert und die Zufuhr der entsprechenden Menge CO2 erst dann freigegeben wird, wenn die kumulierte Menge der Netto- CO2-Aufnahme (Pnet kum) größer ist als die in einem Zeittakt durch ein Ventil fließende CO2-Menge.
5. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die CO2-Zufuhr zum Gewächshaus in jedem Zeittakt entsprechend der ermittelten Netto-C02-Aufnähme (Pnet) erfolgt .
6. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Netto-C02-Aufnahrnerate kontinuierlich berechnet und die entsprechende CO2-Zufuhrrate kontinuierlich geregelt werden .
7. Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die CO2-Zufuhr mit Hilfe eines Massestromreglers durchgeführt wird.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Gas Erdgas oder Propangas verbrannt wird.
9. Anordnung zur Kohlendioxid (CO2) -Versorgung von in einem Gewächshaus angebauten Pflanzen mittels technischem oder durch Verbrennen von Gas bereitgestelltem CO2, eine Datenverarbeitungsanlage umfassend, die derart eingerichtet ist, dass folgende Schritte durchführbar sind:
- der gegenüber einem nicht mit CO2 versorgten Gewächshaus zu erwartende erhöhte Erlös der im Gewächshaus angebauten Pflanzen wird in einem Zeittakt aus dem zu erwartenden CO2-spezifischen Ertragszuwachs anhand eines Wertes für die photosynthetisch aktive Strahlung, die außerhalb des Gewächshauses direkt gemessen oder aus einer dort gemessenen Strahlungsgröße abgeleitet wurde, und eines Wertes für die Lufttemperatur außerhalb des Gewächshauses sowie des aktuellen Preises für das produzierte Erzeugnis abgeleitet,
- falls der erhöhte Erlös größer ist als die Kosten für die dazu aufzubringende CO2-Zufuhr wird die zu erwartende Netto-C02-Aufnähme der Pflanzen für den folgenden Zeittakt mit einem an sich bekannten, für einen bestimmten Temperaturbereich, der die Gewächshausinnentemperatur enthält, gültigen und eine C02-Konzentration, die der C02-Konzentration der Außenatmosphäre entspricht, allgemeingültigen Modell des Netto-C02-Gaswechsels von C3-Pflanzen in Abhängigkeit von der Blattfläche der Pflanzen und dem Wert für die photosynthetisch aktive Strahlung (PAR) , berechnet und
- die Zufuhr der berechneten Menge CO2 zum Gewächshaus freigegeben.
10. Computerprogramm zur Kohlendioxid (CO2) -Versorgung von in einem Gewächshaus angebauten Pflanzen mittels technischem oder durch Verbrennen von Gas bereitgestelltem CO2, das es einem Computer erlaubt, nachdem es in den Speicher des Computers geladen wurde, folgende Schritte durchzuführen: der gegenüber einem nicht mit CO2 versorgten Gewächshaus zu erwartende erhöhte Erlös der im Gewächshaus angebauten Pflanzen wird in einem Zeittakt aus dem zu erwartenden CO2-spezifischen Ertragszuwachs anhand eines Wertes für die photosynthetisch aktive Strahlung, die außerhalb des Gewächshauses direkt gemessen oder aus einer dort gemessenen Strahlungsgröße abgeleitet wurde, und eines Wertes für die Lufttemperatur außerhalb des Gewächshauses sowie des aktuellen Preises für das produzierte Erzeugnis abgeleitet, falls der erhöhte Erlös größer ist als die Kosten für die dazu aufzubringende CO2-Zufuhr wird die zu erwartende Netto-C02-Aufnähme der Pflanzen für den folgenden Zeittakt mit einem an sich bekannten, für einen bestimmten Temperaturbereich, der die Gewächshausinnentemperatur enthält, gültigen und eine C02-Konzentration, die der C02-Konzentration der Außenatmosphäre entspricht, allgemeingültigen Modell des Netto-C02-Gaswechsels von C3-Pflanzen in Abhängigkeit von der Blattfläche der Pflanzen und dem Wert für die photosynthetisch aktive Strahlung (PAR) , berechnet und - die Zufuhr der berechneten Menge CO2 zum Gewächshaus freigegeben .
11. Computerlesbares Speichermedium, auf dem ein Programm gespeichert ist, das es einem Computer ermöglicht, nachdem es in den Speicher des Computers geladen wurde, zur Kohlendioxid (CO2) -Versorgung von in einem Gewächshaus angebauten Pflanzen mittels technischem oder durch Verbrennen von Gas bereitgestelltem CO2 folgende Schritte durchzuführen :
- der gegenüber einem nicht mit CO2 versorgten Gewächshaus zu erwartende erhöhte Erlös der im Gewächshaus angebauten Pflanzen wird in einem Zeittakt aus dem zu erwartenden CO2-spezifischen Ertragszuwachs anhand eines Wertes für die photosynthetisch aktive Strahlung, die außerhalb des Gewächshauses direkt gemessen oder aus einer dort gemessenen Strahlungsgröße abgeleitet wurde, und eines Wertes für die Lufttemperatur außerhalb des Gewächshauses sowie des aktuellen Preises für das produzierte Erzeugnis abgeleitet,
- falls der erhöhte Erlös größer ist als die Kosten für die dazu aufzubringende CO2-Zufuhr wird die zu erwartende Netto-C02-Aufnähme der Pflanzen für den folgenden Zeittakt mit einem an sich bekannten, für einen bestimmten Temperaturbereich, der die Gewächshausinnentemperatur enthält, gültigen und eine C02-Konzentration, die der C02-Konzentration der Außenatmosphäre entspricht, allgemeingültigen Modell des Netto-C02-Gaswechsels von C3-Pflanzen in Abhängigkeit von der Blattfläche der Pflanzen und dem Wert für die photosynthetisch aktive Strahlung (PAR) , berechnet und
- die Zufuhr der berechneten Menge CO2 zum Gewächshaus freigegeben .
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