Sense4Energy: Entwicklung und Einsatz eines flächendeckenden, kostengünstigen, robusten Sensornetzwerkes zur Energieffizienzsteigerung und Qualitätssicherung im Gewächshaus mittels umfassenden Monitoring der Lichtintensitäten, Lichtspektren und Umweltparameter

Hauptziel des Projekts Sense4Energy ist es mittels eines flächendeckenden, kostengünstigen und robusten Sensornetzwerks innerhalb der Gewächshäuser der Frutura Thermal Gemüsewelt deren Energieeffizienz zu steigern sowie eine gleichbleibende Qualität des Gemüses zu sichern.

Die Frutura Thermal Gemüsewelt setzt durch die Nutzung von Geothermie zur Wärmeversorgung ihrer Gewächshäuser neue Maßstäbe hinsichtlich klimafreundlicher und nachhaltiger Gemüseproduktion. Das Umweltbundesamt hat den CO2-Fußabdruck der Frutura Thermal-Gemüsewelt berechnet und kam dabei zu dem beeindruckenden Ergebnis, dass durch die Nutzung des Thermalwassers für das Beheizen der Gewächshäuser etwa 28.000 Tonnen CO2 jährlich im Vergleich zu Erdgas-beheizten Gewächshäusern eingespart werden [1]. Zusätzlich dazu wird durch den regionalen Anbau in Bad Blumau die Unterversorgung Österreichs mit beliebten Fruchtgemüsesorten vor allem im Winter verringert.

Um die Qualität und den Ertrag dieses Gemüses ganzjährig zu gewährleisten, sind die Lichtverhältnisse, d.h. Lichtintensitäten und Lichtspektren, in den Gewächshäusern von entscheidender Bedeutung. Um diese idealen Lichtverhältnisse sommers wie winters zu schaffen, ist eine künstliche Beleuchtung der Gewächshäuser in den Zeiten, wenn das natürliche Licht nicht ausreicht, unumgänglich. Dafür zeichnen derzeit Wetterstationen außerhalb des Gewächshauses die entsprechenden Umweltparameter auf und ermöglichen somit eine grobe Steuerung der künstlichen Beleuchtung. Mit diesem Ansatz kann jedoch die künstliche Beleuchtung nicht bedarfsgerecht und energieeffizient betrieben werden. Hinsichtlich eines energie- und ressourcenschonenderen und damit noch klimafreundlicheren Betriebs der Gewächshäuser ergibt sich die Notwendigkeit der Optimierung der Ansteuerung dieser künstlichen Beleuchtung. Darüber hinaus stellt eine zusätzliche flächendeckende Überwachung der klimatischen Verhältnisse – Temperatur, Luftdruck und Luftfeuchtigkeit - direkt im Gewächshaus eine weitere Maßnahme zur Qualitätssicherung dar.

Dafür werden im vorliegenden Projekt kostengünstige, kompakte und robuste Sensorknoten entwickelt, die es ermöglichen, sowohl die Licht- als auch die klimatischen Verhältnisse im Gewächshaus zu erfassen. Darüber hinaus erfolgt der erste Aufbau eines Sensornetzwerks sowie die Evaluierung der damit generierten Daten und eine erste Optimierungsstrategie.

PROJEKTZIELE IM DETAIL

ZIEL 1: ENTWICKLUNG KOSTENGÜNSTIGER, KOMPAKTER, ROBUSTER SENSORKNOTEN

Die Sensorknoten stellen die Bausteine des avisierten Netzwerks dar. Sie verfügen dabei über Lichtsensorik, sowohl im sichtbaren Licht als auch im Infrarot und UV Bereich, Sensoren zur Erfassung klimatischer Verhältnisse (z.B.: Luftdruck, Temperatur, etc.) sowie der dazugehörigen Versorgungs- und Ansteuerungselektronik, Verarbeitungskapazitäten und einer drahtlosen Kommunikationsschnittstelle.

ZIEL 2: ETABLIERUNG EINES FLÄCHENDECKENDEN SENSORNETZWERKS IM GEWÄCHSHAUS

Die entworfenen und gefertigten Sensorknoten werden danach räumlich verteilt im Gewächshaus auf 2 Hektar Fläche eingesetzt, um somit ein umfassendes und flächendeckendes Monitoring zu ermöglichen. Ziel dieses Sensornetzwerks ist, dass jeder der Sensorknoten drahtlos die Messwerte sowie seine eindeutige Identifikation an eine Basisstation übermittelt. Auf Basis der eindeutigen Identifikation des Sensorknoten kann eine Zuordnung der Messwerte zum jeweiligen Standort im Gewächshaus realisiert werden. Die Kommunikation innerhalb des Sensornetzwerks wird dabei mittels Mesh-Ansatz umgesetzt.

ZIEL 3: DATENAUSWERTUNG BZW. ABLEITUNG VON OPTIMIERUNGSPOTENTIALEN

Die erfassten Messwerte stehen sowohl für kurzzeitige Analysen z.B.: Verlauf der Lichtverhältnisse innerhalb eines Tages, als auch für längerfristige Auswertungen zur Verfügung. Darauf aufbauend werden in Zusammenarbeit mit den Experten der Frutura Thermal Gemüsewelt Optimierungsstrategien hinsichtlich des Einsatzes der bestehenden künstlichen Beleuchtung ausgearbeitet.

ZIEL 4: ERKENNEN LOKALER ABWEICHUNGEN - SCHATTENWURF

Durch das flächendeckende Monitoring werden lokale Abweichungen zwischen den einzelnen Bereichen im Gewächshaus, wie zum Beispiel Schattenwurf durch die baulichen Strukturen des Gewächshauses oder der angrenzenden Forstflächen erkannt. Besonders der aufgrund des saisonalen Sonnenstandes veränderliche Schattenwurf wird dabei im Ansteuerungskonzept der künstlichen Beleuchtung gesondert berücksichtigt.

ZIEL 5: ERKENNEN LOKALER ABWEICHUNGEN - VERSCHATTUNG

Ziel ist es in den Monaten (März bis September), wenn keine künstliche Beleuchtung notwendig ist, sondern im Gegenteil das einfallende Sonnenlicht mittels Schattierfarbe reduziert werden muss, Abweichungen in der Verschattung räumlich aufgelöst zu erkennen. Dadurch werden lokale Abweichungen frühzeitig erkannt und es werden zielgerichtete Gegenmaßnahmen, z.B.: Änderung der Schattierfarbe, ermöglicht.

ZIEL 6: GENERIERUNG DER DATENBASIS FÜR ZUKÜNFTIGE ERWEITERUNGEN BZW. ADAPTIERUNGEN

Durch das umfassende Monitoring im Gewächshaus wird eine zuverlässige Datenbasis für geplante Erweiterungen bzw. Adaptierungen des künstlichen Beleuchtungssystems, zum Beispiel Umrüsten der bisherigen Natriumdampflampen auf LED Technologie, zur Verfügung gestellt.

SCHWERPUNKTE, DIE DAS PROJEKT Sense4Energy ADDRESSIERT:

Das Projekt Sense4Energy addressiert dabei die wichtigsten Schwerpunkte des Aufrufs zur Einreichung von Forschungsprojekten im Bereich der Versorgungs- und Ernährungssicherheit in folgender Weise:

STÄRKUNG DER REGIONALEN LAND-, FORST-, UND WASSERWIRTSCHAFT DURCH EINSATZ NEUER TECHNOLOGIEN

Das geplante System adressiert diesen Schwerpunkt durch die mittels des geplanten Sensornetzwerks realisierte Digitalisierung der regionalen Gemüseproduktion der Frutura Thermal Gemüsewelt. Durch den Einsatz der Sensorknoten direkt im Gewächshaus können wichtige Optimierungspotentiale und Konzepte identifiziert werden.

FÖRDERUNG VON EMISSIONSEFFIZIENTER, LOKALER PRODUKTION UND WERTSCHÖPFUNG

Wie bereits am Beginn erwähnt setzt die Frutura Thermal Gemüsewelt neue Maßstäbe hinsichtlich emmissionseffizienter, lokaler Produktion und Wertschöpfung im Bereich des Gemüseanbaus. Durch die Realisierung des geplanten Systems wird dieses Vorbildprojekt darin unterstützt weitere Effizienzsteigerungsmaßnahmen realisieren zu können und somit den Standort zu stärken.

FÖRDERUNG RESILIENTER VERSORGUNGSSYSTEME

Das in diesem Projekt avisierte umfassende Monitoring der Lichtverhältnisse sowie der klimatischen Bedingungen im Gewächshaus steigert die Resilienz gegenüber kritischen Bedingungen insofern, als dass diese frühzeitig erkannt werden können und entsprechende Gegenmaßnahmen umgesetzt, z.B.: stärkere Verschattung.

LEBENSMITTELSICHERHEIT UND –QUALITÄT

Zur Sicherstellung gleichbleibender Qualität und des Ertrags über die gesamte Fläche ist die Erfassung lokaler Abweichungen, wie im Projekt Sense4Energy geplant, von essenzieller Bedeutung. Erst dadurch können zielgerichtet Maßnahmen auf den entsprechenden Flächen gesetzt werden.

Zusammenfassend ist das ambitionierte Ziel dieses Projekts Sense4Energy durch die sensorgestützte, flächendeckende Überwachung des Gewächshauses auf 2 Hektar Fläche (von den insgesamt 6,5 ha künstlich beleuchteter Fläche) eine effizientere und resilientere Gemüseproduktion zu ermöglichen. Mit dem avisierten System werden die tatsächlichen Licht und klimatischen Verhältnisse dort aufgezeichnet, wo sie auch wirksam werden und liefern damit die Datenbasis um effizientere Ansteuerungskonzepte der künstlichen Beleuchtung bzw. eine zielgerichtete Adaptierung überhaupt zu ermöglichen. Zusätzlich sollen Problemstellung wie Schattenwurf oder räumlich unterschiedlich starke Verschattung erkannt werden, die derzeit nicht systematisch erfasst werden. Auch hinsichtlich des möglichen Anbaus neuer Gemüsesorten ist eine zuverlässige Datenbasis, wie sie im Rahmen dieses Projekts geschaffen werden soll, für zukünftige Entwicklungen unerlässlich.

Die derzeitig gebräuchliste Form des Monitorings von Umweltparametern im Gewächshaus basiert auf einigen wenigen Sensordaten im Gewächshaus aufgezeichnet und Wetterstationen die außerhalb des Gewächshaus platziert sind. Die daraus resultierende Ansteuerung der künstlichen Beleuchtung bzw. die Anwendung der Verschattung erfolgt danach meist aufgrund von Erfahrungswerten der entsprechenden Betreiber. Im konkreten Fall der Frutura Thermal Gemüsewelt werden die entsprechenden Daten für den im Projekt ausgewählten Bereich von 2 Hektar, mit nur einer Messstation außerhalb des Gewächshauses und 2 Messstationen innerhalb des Gewächshauses aufgezeichnet. Hinsichtlich der für die Installation des Sensornetzwerks ausgewählten 2 Hektar Fläche ergibt sich daraus jedoch die Problemstellung, dass eine gezielte Ansteuerung aufgrund der fehlenden räumlich verteilten Datenbasis nicht realisierbar ist.

Mit der Umsetzung des in diesem Projekt geplanten flächendeckenden, kostengünstiger, robusten Sensornetzwerks innerhalb des Gewächshauses ergibt sich die für Praxis relevante Möglichkeit die tatsächliche Intensität und Spektrum des einfallenden Lichts räumlich verteilt zu erfassen. Konkret bedeutet, dass das erstmals gewisse Bereich in denen genügend Licht einfällt von Bereichen mit zu wenig Licht unterschieden werden können. Entsprechend kann folglich in den Bereichen mit ausreichend Licht die künstliche Beleuchtung reduziert oder ausgeschaltet werden, im Kontrast zum derzeitigen Ansatz, wo über die gesamte Fläche das künstliche Licht gesteuert wird. Hinsichtlich der derzeit eingesetzten ca. 1000 Natriumdampflampen mit einem Stromverbrauch von 1000 Watt je Lampe kann die Relevanz eines solchen Vorhabens zur Energieeffizienzsteigerung abgeleitet werden. Zusätzlich zur Aufzeichnung der Lichtverhältnisse ist die Erfassung mikroklimatischer Unterschiede, wie Temperatur und Luftfeuchtigkeit, innerhalb unterschiedlicher Bereiche auf den 2 Hektar Fläche während des Betriebs zusätzlich von großer Bedeutung.

Eine weitere in der Praxis auftretende Problematik betrifft den Schattenwurf innerhalb des Gewächshauses durch die baulichen Strukturen oder angrenzender Forstflächen. Dieser Schattenwurf kann derzeit nicht messtechnisch erfasst werden, da innerhalb des Gewächshauses keine Lichtsensorik vorhanden ist. In der Praxis führt dieser Effekt jedoch zu Schwankungen in der Qualität der Produktion in diesen Bereichen. Durch die geplante flächendeckende Überwachung werden diese Effekte erstmalig quantifizierbar und Gegenmaßnahmen realisierbar.

In den Monaten von März bis September, wenn keine künstliche Beleuchtung notwendig ist, sondern im Gegenteil Verschattungsfarbe zum Einsatz kommt, basiert die Entscheidung zur Erneuerung dieser Verschattungsfarbe ebenfalls auf Erfahrungswerten. Auch in diesem Fall kann das geplante System durch die flächendeckende Überwachung relevante Informationen für diese Entscheidung liefern.

Für die praktische Anwendung im laufenden Betrieb des Gewächshauses ist die geplante, nahtlose Integration des Sensornetzwerkes in die bestehende Strom/Spannungsversorgung von großer Bedeutung, um den Installationsaufwand möglichst gering zu halten.

Auch für zukünftige Erweiterungen bzw. Adaptierungen des Beleuchtungssystems wird mit Hilfe des geplanten Sensornetzwerks erst die notwendige Datenbasis geschaffen, die es ermöglich fundierte Entscheidungen zu treffen.

Ein weiterer wichtiger Punkt betrifft den nationalen Kompetenzaufbau hinsichtlich der Anwendung von Sensornetzwerken in dem auch für Österreich relevanten Sektor der Produktion von Obst und Gemüse in Gewächshäusern. Die in diesem Projekt erzielten Ergebnisse und aufgebauten Kompetenzen ermöglichen die Anwendung dieser technologischen Herangehensweise auch bei anderen Gemüse- oder Fruchtkulturen und Produzenten.