Verwendung von PV-Zellen für kommerzielle Hydrokulturgewächshäuser: Machbarkeitsstudie

Wasser- und Landknappheit führt zu einer steigenden Nachfrage nach Hydrokulturgewächshäusern. Diese nutzen Solarenergie, um Pflanzen in geschlossenen Räumen anzubauen, doch dies hat auch andere Aspekte. Die heute diskutierte Studie beleuchtet die Umwelt- und Energieaspekte der Photovoltaik für Hydrokulturgewächshäuser in der Provinz Elburs.

Gewächshäuser sind aufgrund ihrer Leistungsfähigkeit und ihrer Anpassungsfähigkeit an unterschiedliche Umgebungen weltweit beliebt. Aufgrund der geografischen Gegebenheiten und des ariden bis semiariden Klimas konzentriert sich der iranische Agrarsektor daher auf den Ausbau von Gewächshäusern.

Hydroponische Gewächshäuser sind im Hinblick auf Wasser- und Düngemittelverbrauch effizienter als herkömmliche Gewächshäuser. Sie erzielen zwar höhere Erträge, haben aber einen relativ höheren Energieverbrauch und höhere Kosten. Dies stellt in der kalten Jahreszeit ein großes Anbauproblem dar.

In den letzten Jahrzehnten wurden in mehreren Gewächshäusern nicht erneuerbare Energiequellen wie Erdgas und Erdöl genutzt , was zu Umweltverschmutzung durch Treibhausgase, globaler Erwärmung und Klimawandel führte.

Studie Photovoltaik für hydroponische Gewächshäuser

Die Forscher sammelten Daten aus einem 3000 m² großen Gewächshaus. Der Gesamtenergieverbrauch dieses Gewächshauses betrug rund 2 GJ pro Hektar, wobei Erdgas und Strom die Hauptquellen waren. Die berechnete Energieproduktivität betrug 8652.20 kg GJ pro Hektar, und das Energieverhältnis lag bei 1.

Die Ergebnisse der Lebenszyklusanalyse (LCA) zeigen, dass Erdgas den größten Einfluss hatte . Solarzellen verbessern die Umweltindikatoren und die Energieausbeute im Gewächshaus. Für das in der Studie untersuchte Gewächshaus werden etwa 120 m² Solarzellen benötigt, die lediglich 4 % des Daches bedecken.

Ziele der Studie Photovoltaik für Hydrokulturgewächshäuser

Die hier diskutierte Forschung verfolgt folgende Ziele:

• Untersuchung – Umweltauswirkungen und Energienutzungsmuster der Erdbeerproduktion im Gewächshaus während der Anbauperiode.
• Simulation einer PV-Anlage – Berechnung der genauen Fläche, die die Paneele zur Stromversorgung des Hydrokulturgewächshauses benötigen. Dabei wird auch die entsprechende Neigung der Paneele berücksichtigt.
• Vergleichende Analyse – Analyse der Umweltbelastungen in einem Hydrokulturgewächshaus mit und ohne Solaranlage.
• Das Wasser Produktivität Index wurde in der Studie ebenfalls untersucht.
• Gesamtstrahlung auf geneigte Oberfläche: Die durchschnittliche monatliche tägliche Strahlung, die auf den geneigten Oberflächen der Paneele empfangen wird, wurde berechnet. Dabei wurde die Strahlung berücksichtigt, die auf einer horizontalen Oberfläche empfangen wird.

Details der untersuchten Region

Als Untersuchungsstandort diente ein 3000 m2 großes kommerzielles hydroponisches Erdbeergewächshaus in der iranischen Provinz Elburs. Dort beträgt der durchschnittliche jährliche Niederschlag etwa 252 mm und die Durchschnittstemperatur liegt bei 14.1 °C. Der Standort liegt zudem 1300 m über dem Meeresspiegel, was die Darstellung der Innenansichten des Gewächshauses für die Studie erleichtert.

Berücksichtigte Energieverbrauchsparameter

Durch direkte Besuche und Messungen der verbrauchten Inputs konnten Daten für den Produktionszeitraum 2021–2022 erhoben werden. Anhand der Input-Energiekoeffizienten wurden die Gesamtenergieinputs berechnet. Nachfolgend sind die physischen Inputs und ihre Energieäquivalente vom Untersuchungsstandort aufgeführt.

• Menschliche Arbeit: Ihr Energieeinsatz wurde anhand ihrer Arbeitszeit während des Produktionszeitraums zusammen mit den relevanten Koeffizienten berechnet.
• Stationäre Ausrüstung: Ihr Energiewert wurde unter Berücksichtigung des Gewichts der Geräte berechnet. Die Forscher verwendeten den Durchschnittswert pro Kilogramm und Jahr für stationäre Geräte (8–10 MJ kg−1 a−1).
• Strom und Erdgas: Mithilfe des Phasenzählers und des Gaszählers wurde der Gesamtverbrauch beider Quellen für stationäre Geräte, Beleuchtung und andere Zwecke während des Produktionszeitraums erfasst. Anschließend berechneten die Forscher anhand von Energiekoeffizienten das Energieäquivalent.
• Chemische Düngemittel und Biozide: Aufgrund ihrer krankheitsbekämpfenden Wirkung ist die Nachfrage nach diesen Materialien gestiegen. Der Gesamtverbrauch an chemischen Düngemitteln (Primär- und Sekundärnährstoffe) und Bioziden (Fungizide und Insektizide) während des Produktionszeitraums wurde mit seinem Energieäquivalent berechnet.
• Kunststoffbälle: Es wird zur Außenabdeckung des Gewächshauses und auch im Innenbereich verwendet. Anhand seines Gewichts und seiner Nutzungsdauer wurde die für den Produktionszeitraum erfasste Nylonmenge (Gewicht) berechnet. Der für die Berechnung verwendete Energiekoeffizient betrug 60 MJ/kg.
• Ausgang: Es handelte sich um die Menge der produzierten Erdbeeren, deren Gewicht zusammen mit dem Energiekoeffizienten berücksichtigt wurde. Dies half bei der Berechnung der Menge der abgegebenen Energie.
• Wasserproduktivitätsindex: Wassermenge, die pro Kubikmeter für die Produktion von 5 kg Erdbeeren in Hydrokultur verwendet wird.

Highlights: Energieverbrauchsmuster in hydroponischen Gewächshäusern im Irak

• Menschliche Arbeit: 19,200 h ha−1
• Erdgas: 119,693 m3 ha−1
• Stickstoffdünger: 423 kg ha−1
• Gesamtenergiebedarf (für verschiedene Prozesse im Gewächshaus): 8652 GJ ha−1 (für den gesamten Produktionszeitraum)
• Durchschnittlicher Erdbeerertrag: 120 Tonnen ha−1
• Gesamtausgangsenergie: 228 GJ ha−1
• Gesamtstromverbrauch: 159,300 MJ (44,250 kWh)
• Eingangsenergieverbrauch (Erdgas): 5925 GJ ha−1 (68 % der gesamten eingesetzten Energie).
• Elektrizität: Jede 10 von den Panels erzeugten Einheiten benötigen 1 Energieeinheit, 1 MJ (PV) = 0.1 MJ

Die Energiekennzahlen (Erdbeerproduktion) unter neuen Bedingungen sind in der letzten Spalte der folgenden Tabelle dargestellt. Es ist offensichtlich, dass PV alle Energiekennzahlen im Gewächshaus verbessert. Die Energiekennzahl in der neuen Situation betrug 0.033 und wurde durch den Einsatz von Solarmodulen erhöht.

Gründe für die Nutzung nicht erneuerbarer Energie in Gewächshäusern

Im Iran sind die Brennstoffpreise niedrig, was zu einer ineffizienten Nutzung in verschiedenen Industrien führt. Dies ist die Hauptursache für den hohen Erdgasverbrauch. Die Heizsysteme im untersuchten Gewächshaus sind wenig effizient. Sie basieren nicht auf einem intelligenten Heizsystem und verschwenden daher große Mengen Gas. Generell verursacht die Gewächshausbeheizung einen enormen Energieverbrauch.

Vorgeschlagene Lösungen

• Um den Erdgasverbrauch zu senken: Es sollten hocheffiziente Heizsysteme eingesetzt werden. Diese verursachen auch weniger Umweltverschmutzung.
• Um den Energieverbrauch zu senken: Es wird empfohlen, einen Wärmeschirm zu verwenden. Durch den Einsatz dieser Schirme wird der Platz um die Pflanzen im Gewächshaus reduziert. Dadurch muss nachts weniger Raum beheizt werden. Außerdem wird der Brennstoffverbrauch optimiert.
• Zur Vermeidung von Wärmeverlusten und Verbesserung der Isolierung: Beim Bau von Gewächshauswänden und -dächern sollten Materialien mit geringer Wärmeübertragung verwendet werden.
• Für die notwendige Heizung sorgen: Solarthermische Kollektoren sind aufgrund ihrer kostengünstigen Technologie empfehlenswert. Außerdem ist ein Bodenluftkollektor die beste und kostengünstigste Möglichkeit, das Gewächshaus zu heizen.
• Zur Speicherung von Wärme: Mit Phasenwechselmaterialien lässt sich Wärme problemlos für die Nacht speichern.

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Simulation eines Solarsystems auf dem Dach eines Gewächshauses

Wie bereits erwähnt, ist es möglich, den gesamten Stromverbrauch im Erdbeeranbau durch erneuerbare Energien zu ersetzen. Anhand des Stromverbrauchs (44,250 kWh) lässt sich die benötigte Panelfläche berechnen. Dies erfolgt unter Berücksichtigung der extraterrestrischen Strahlung (Ho) und der Gesamtstrahlung (H) auf einer horizontalen Fläche sowie der genannten Gleichungen.

Die Ergebnisse:

• Durchschnittliche tägliche Gesamtstrahlung (horizontale Oberfläche): 10.9 MJ m−2
• Strahlung (H) beobachtet im Juni: etwa 29 MJ m−2 (höchster Wert)
• Strahlung (H) beobachtet im Dezember: etwa 9 MJ m−2 (niedrigster Wert)
• Jährlicher durchschnittlicher Klarheitsindex: 63 %
• Erschöpfung der Sonneneinstrahlung: 27 %

Benötigte Neigung

Die letzte Spalte zeigt die monatliche durchschnittliche Sonneneinstrahlung pro Quadratmeter der installierten Solarzelle im untersuchten Gewächshaus. Die Ausrichtung betrug 35°48′ nach Süden. Demnach können jährlich 7736 MJ Solarenergie pro Quadratmeter Modulfläche gewonnen werden. Bei dieser Ausrichtung besteht die Möglichkeit, die empfangene Solarstrahlung um 12 % zu erhöhen.

Stromerzeugung

Wie die Studie zeigt, beträgt der jährliche Stromverbrauch 159,300 MJ . Um diese Menge zu erzeugen, werden ca. 120 m² Paneelfläche benötigt, was 4 % der Dachfläche entspricht. Dabei werden Beleuchtung und Heizung im Gewächshausinneren nicht beeinträchtigt.

Wenn Sie die Installation von Solarmodulen planen, informieren Sie sich über die Leistung eines 100-Watt-Solarmoduls an einem bewölkten Tag.

Verschiedene Vorstudien

Forscher haben verschiedene Methoden und Wege ausprobiert, um die Energieeffizienz von Gewächshäusern mit PV-Zellen zu untersuchen. Ihre Schlussfolgerungen finden Sie im Folgenden:

Studie Nr. 1

In Japan untersuchten Forscher , wie sich die Beschattung durch Photovoltaikanlagen auf das Wachstum von Winterzwiebeln auswirkt. Zwei verschiedene Anordnungen von Solarmodulen wurden getestet. Die schachbrettartige Anordnung zeigte keinen signifikanten Einfluss auf das Pflanzenwachstum. Die geradlinige Anordnung hingegen wirkte sich positiv aus und deckte den Energiebedarf des Gewächshauses durch erneuerbare Energien.

Studie Nr. 2

Die Forscher untersuchten hier die Auswirkungen von in Gewächshäuser integrierten Solaranlagen auf die Pflanzenproduktion. Die Ergebnisse waren positiv und zeigten, dass die Photovoltaikanlagen nicht nur die benötigte Strommenge liefern, sondern auch den Bewässerungsbedarf der Pflanzen reduzieren.

Studie Nr. 3

Diese Studie untersuchte das Pflanzenwachstum und die Energieeffizienz von Dachpaneelen. Zwei Installationsarten wurden analysiert: die feste Installation und die Sonnennachführung. Die Ergebnisse zeigten, dass die Sonnennachführung mehr Strom erzeugte als die feste Installation und somit das Gewächshaus mit ausreichend Energie versorgen kann.

Kürzlich wurde entdeckt, dass neue Bakterien die Treibhausgasemissionen in der Landwirtschaft reduzieren könnten, so Forscher der NMBU.

Studie Nr. 4

Eine weitere Studie aus Kanada untersuchte die Auswirkungen von halbtransparenten Photovoltaikmodulen auf Gewächshausdächern. Die Ergebnisse zeigten, dass die Solarmodule zwar zu einer inneren Verschattung führten, aber auch 43.7 % des für die Beleuchtung des Gewächshauses benötigten Stroms lieferten.

Studie Nr. 5

In einer Studie nutzten Forscher Solarluftkollektoren mit Phasenwechselmaterial (PCM) zur Beheizung eines Gewächshauses. Sie kamen zu dem Schluss, dass die Innentemperatur der Gewächshäuser, insbesondere nachts, höher blieb als bei herkömmlichen Solarheizsystemen.

Studie Nr. 6

In Shiraz, Iran, wurden die thermo-ökologischen Bedingungen eines mit Solarmodulen ausgestatteten Gewächshauses untersucht. Dabei wurden rund 14 verschiedene Anordnungen der Module geprüft. Es zeigte sich, dass selbst bei einer Dachbedeckung von 19.2 % mit Modulen die Beleuchtungsstärke des Gewächshauses nicht signifikant beeinträchtigt wurde. Im Gegenteil, der Erdgasverbrauch und die CO₂-Emissionen sanken deutlich.

Verschiedene Forschungsarbeiten zu Solartechnologien konzentrierten sich auf einen Aspekt: ​​ihre Leistung und ihre Auswirkungen auf Treibhauseffekte. Die Umweltauswirkungen dieser Technologien wurden in diesen Studien meist nicht besonders berücksichtigt.

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Fazit

Ziel dieser Forschungsarbeit war die Bewertung des Energieverbrauchsmusters sowie eine Umweltanalyse des untersuchten Standorts. Das hydroponische Gewächshaus in der Provinz Alborz zeigte, dass die Nutzung von PV-Zellen zur Stromerzeugung anstelle nicht erneuerbarer Ressourcen möglich ist. Aus den Ergebnissen der Studie zogen die Forscher folgende Schlussfolgerungen.

Der Großteil der eingesetzten Energie wurde aus Erdgas und Strom gewonnen.

• Die Energieindizes zeigen, dass die Erdbeerproduktion in Hydrokulturgewächshäusern energieintensiv ist.
• Die Ergebnisse der Ökobilanz zeigen, dass Schäden am Ökosystem und an der menschlichen Gesundheit auf stationäre Anlagen und Elektrizität zurückzuführen sind. Auch in der Kategorie der Ressourcenschäden trägt Erdgas am meisten dazu bei.
• Die Machbarkeitsstudie zur Nutzung von Solarenergie im Gewächshaus zeigte, dass rund 120 m² Solarzellen die benötigte Strommenge liefern können. Die Installation auf dem Dach beeinträchtigt zudem nicht die Beleuchtung im Gewächshaus.
• Mit PV-Anlagen in Gewächshäusern lassen sich der Energieverbrauch und die negativen Auswirkungen auf die Umwelt insgesamt reduzieren.

Mit PV-Technologien und Energieoptimierungstechniken können Hydrokulturgewächshäuser energieeffizienter werden. Daher erscheint diese Forschung zum Nachweis der Wirksamkeit von Photovoltaik für Hydrokulturgewächshäuser wirkungsvoll.

Quelle : Nutzung von Photovoltaikzellen für ein kommerzielles Hydrokultur-Gewächshaus