DE102006054504B4

DE102006054504B4 - Verfahren und Anordnung zur Kohlendioxid-Versorgung von in einem Gewächshaus angebauten Pflanzen

Info

Publication number: DE102006054504B4
Application number: DE102006054504A
Authority: DE
Inventors: Hans-Peter Dr. Kläring
Original assignee: INST GEMUESE und ZIERPFLANZENB; Institut fur Gemuese- und Zierpflanzenbau Ev
Current assignee: INST GEMUESE und ZIERPFLANZENB; Institut fur Gemuese- und Zierpflanzenbau Ev
Priority date: 2006-11-20
Filing date: 2006-11-20
Publication date: 2008-09-25
Anticipated expiration: 2026-11-21
Also published as: WO2008061976A8; EP2094075A1; WO2008061976A1; DE102006054504A1

Abstract

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-CO₂-Aufnahme (P_net) der Pflanzen mit einem an sich bekannten, für eine bestimmten Temperaturbereich, der die Gewächshausinnentemperatur enthält, gültigen und eine CO₂-Konzentration, die der CO₂-Konzentration der Außenatmosphäre entspricht, allgemeingültigen Modell des Netto-CO₂-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...

Description

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 sowie ein entsprechendes Computerprogramm oder ein Speichermedium, auf dem ein solches Computerprogramm gespeichert ist.
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-Aufnahme der Pflanzen sinkt deshalb die CO₂-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 CO₂-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 T2 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 A1 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 CO₂-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 DD 243 422 A1 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 CO₂-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 CO₂-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. Das Verfahren soll mit einem entsprechenden Computerprogramm oder einem Speichermedium, auf dem ein solches Computerprogramm gespeichert ist, realisierbar sein.
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-CO₂-Aufnahme (P_net) der Pflanzen mit einem an sich bekannten, für einen bestimmten Temperaturbereich, der die Gewächshausinnentemperatur enthält, gültigen und eine CO₂-Konzentration, die der CO₂-Konzentration der Außenatmosphäre entspricht, allgemeingültigen Modell des Netto-CO₂-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-CO₂-Aufnahme der Pflanzen für den Zeittakt mit einem an sich bekannten, für einen bestimmten Temperaturbereich, der die Gewächshausinnentemperatur enthält, gültigen und eine CO₂-Konzentration, die der CO₂-Konzentration der Außenatmosphäre entspricht, allgemeingültigen Modell des Netto-CO₂-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-CO₂-Aufnahme aufgenommen werden.
Das Verfahren steuert die Zufuhr von CO₂ auf folgende Weise:
Es wird die Netto-CO₂-Aufnahme der Pflanzen mit einem für eine bestimmte Temperatur, die der Gewächshausinnentemperatur entspricht, und einer CO₂-Konzentration, die der CO₂-Konzentration der Außenatmosphäre entspricht, an sich bekannten allgemeingültigen Modell des Netto-CO₂-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 CO₂-Konzentration im Gewächshaus ein, die etwa gleich der CO₂-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-CO₂-Aufnahme nahezu unverändert bleibt. Dagegen wird die Netto-CO₂-Aufnahme von der Bestrahlungsstärke (PAR) und der CO₂-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 CO₂-Konzentration wieder angenähert wird. (Ein Übersteigen der CO₂-Konzentration würde umgekehrt durch Unterschätzung der CO₂-Aufnahme und verringerte CO₂-Zufuhr ebenfalls zur Annäherung CO₂-Konzentration im Gewächshaus an die vorgegebene CO₂-Konzentration der Umgebungsluft führen).
Die CO₂-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 CO₂-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 CO₂-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
1 zwei mögliche Funktionen zur Berechnung der Netto-CO₂-Aufnahme eines voll entwickelten Pflanzenbestandes,
2 ein Flussbild für eine Steuerung der CO₂-Versorgung eines Pflanzenbestandes im Gewächshaus nach einem Modell der Netto-CO₂-Aufnahme und
3 ein Diagramm für den CO₂-Nutzungskoeffizienten CNK für die CO₂-Versorgung einer Gurkenkultur in Abhängigkeit von der Bestrahlung und Lufttemperatur der Umgebung.
Die Berechnung der Netto-CO₂-Aufnahme kann nach an sich bekannten Modellen erfolgen, die eine verschieden große Kompliziertheit aufweisen können. 1 zeigt zwei Modellfunktionen mit unterschiedlichem Kompliziertheitsgrad. Funktion (1) (gestrichelt) stellt eine ziemlich genaue Wiedergabe der tatsächlichen Netto-CO₂-Aufnahme 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 CO₂-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 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 CO₂-Versorgung. Der durch CO₂-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-CO₂-Aufnahme 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 CO₂-Nutzungskoeffizient (CNK, g Ertragszuwachs je g zugeführtes CO₂) steigt auf Grund der positiven Wechselwirkung von CO₂-Konzentration und Bestrahlungsstärke im Prozess der Netto-CO₂-Aufnahme. 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-CO₂-Aufnahme geregeltem, steigendem CO₂ Verbrauch. Das hat ein dramatisches Absinken des CO₂-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 3 für den täglichen CNK einer Gurkenkultur gezeigt ist. Wenn zum Beispiel das Preisverhältnis von Gurkenerlös zu CO₂-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-CO₂-Aufnahme (P_net) für den folgenden Zeittakt freigegeben.
Die Netto-CO₂-Aufnahme der Pflanzen (P_net) wurde alle drei Minuten aus den Mittelwerten der Umweltvariablen Strahlung (PAR) für diesen Zeittakt und der wöchentlich gemessenen Blattfläche prognostiziert (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-Aufnahme (P_{net 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 (2). Auf diese Weise musste kein zweiter Zeittakt für die CO₂-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-CO₂-Aufnahme und der Ventilstellung. Der Austausch der Messdaten und Steueranweisungen zwischen dem Gewächshausregelsystem und dem Programm zur Berechnung der Netto-CO₂-Aufnahme 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 CO₂-Versorgung über eine Masseflussregelung möglich.

Claims

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-CO₂-Aufnahme (P_net) der Pflanzen mit einem an sich bekannten, für eine bestimmten Temperaturbereich, der die Gewächshausinnentemperatur enthält, gültigen und eine CO₂-Konzentration, die der CO₂-Konzentration der Außenatmosphäre entspricht, allgemeingültigen Modell des Netto-CO₂-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.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die photosynthetisch aktive Strahlung (PAR) aus der Beleuchtungsstärke abgeleitet wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Berechnung der Netto-CO₂-Aufnahme (P_net) und die Zufuhr von CO₂ in Zeittakten erfolgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Netto-CO₂-Aufnahme (P_net) mehrerer Zeittakte so lange kumuliert und die Zufuhr der entsprechenden Menge CO₂ erst dann freigegeben wird, wenn die kumulierte Menge der Netto-CO₂-Aufnahme (P_{net kum}) größer ist als die in einem Zeittakt durch ein Ventil fließende CO₂-Menge.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die CO₂-Zufuhr zum Gewächshaus in jedem Zeittakt entsprechend der ermittelten Netto-CO₂-Aufnahme (P_net) erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Netto-CO₂-Aufnahmerate kontinuierlich berechnet und die entsprechende CO₂-Zufuhrrate kontinuierlich geregelt werden.
Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die CO₂-Zufuhr mit Hilfe eines Massestromreglers durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Gas Erdgas oder Propangas verbrannt wird.
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-CO₂-Aufnahme der Pflanzen für den folgenden Zeittakt mit einem an sich bekannten, für einen bestimmten Temperaturbereich, der die Gewächshausinnentemperatur enthält, gültigen und eine CO₂-Konzentration, die der CO₂-Konzentration der Außenatmosphäre entspricht, allgemeingültigen Modell des Netto-CO₂-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.
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-CO₂-Aufnahme der Pflanzen für den folgenden Zeittakt mit einem an sich bekannten, für einen bestimmten Temperaturbereich, der die Gewächshausinnentemperatur enthält, gültigen und eine CO₂-Konzentration, die der CO₂-Konzentration der Außenatmosphäre entspricht, allgemeingültigen Modell des Netto-CO₂-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.
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-CO₂-Aufnahme der Pflanzen für den folgenden Zeittakt mit einem an sich bekannten, für einen bestimmten Temperaturbereich, der die Gewächshausinnentemperatur enthält, gültigen und eine CO₂-Konzentration, die der CO₂-Konzentration der Außenatmosphäre entspricht, allgemeingültigen Modell des Netto-CO₂-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.