Intelligente Gewächshausinnovation bringt Pflanzen- und Energiebedarf ins Gleichgewicht
Hinter dem Begriff Agriphotovoltaik(öffnet in neuem Fenster) verbergen sich integrierte Systeme, die eine gleichzeitige Nutzung von Flächen für die landwirtschaftliche Erzeugung und die Sonnenenergienutzung ermöglichen. „Photovoltaiksysteme bieten zwar eine vielversprechende, für beide Seiten vorteilhafte Beziehung zwischen Nahrungsmitteln, Wasser und erneuerbaren Energien, aber wenn sie nicht richtig konzipiert sind, können sie die Ernteproduktivität gefährden“, erläutert Ibrahim Yehia, Koordinator des Projekts REGACE(öffnet in neuem Fenster). Um diesen Effekt abzumildern und einen Beitrag zum Trend des nachhaltigeren Anbaus zu leisten, hat das Team von REGACE ein von künstlicher Intelligenz (KI) unterstütztes adaptives agriphotovoltaisches System für Gewächshäuser entwickelt, mit dem Sonnenenergie erzeugt wird und gleichzeitig günstige Anbaubedingungen aufrechterhalten werden können. „Unser System meistert die Herausforderungen von dynamischem Licht und Schatten, der Stabilität des Treibhausklimas und der Effizienz der Bodennutzung und minimiert somit den Bedarf an kostspieligen zusätzlichen Flächen und spezieller Energieinfrastruktur“, berichtet Yehia.
Unter verschiedenen klimatischen Bedingungen evaluiert
Das Team von REGACE verfügt über umfassendes Fachwissen in den Bereichen Agronomie, erneuerbare Energien, Gewächshaustechnik, Klimaanalyse und digitale Überwachungssysteme und hat sechs agriphotovoltaische Gewächshaussysteme in Deutschland, Griechenland, Israel, Italien und Österreich entwickelt, installiert und erprobt. Kernstück des projekteigenen gewächshausintegrierten Photovoltaikkonzepts ist eine adaptive Regelungsstrategie. Im Gegensatz zu konventionellen statischen Gewächshaus-Photovoltaikinstallationen, die durch KI-basierte Prognosemodelle und Umgebungsüberwachung unterstützt werden, verfolgt die REGACE-Lösung auf dynamische Weise die Anforderungen der Pflanzen, die Gewächshausbedingungen und den Standort und reagiert darauf, indem die halbtransparenten Photovoltaikmodule präzise positioniert werden, um Sonneneinstrahlung und Abschattungsbedingungen besser zu steuern. Bei der Nutzung wird über eine digitale Steuerungsplattform auf die Überwachungs- und Betriebsschnittstelle zugegriffen, die eine Echtzeitvisualisierung der Umweltbedingungen, der Photovoltaikpositionierung und der Systemleistung gestattet. Die Plattform kann ebenso auf den Fernzugriff angepasst werden. In experimentellen Gewächshausversuchen wurden verschiedene Szenarien unter realen landwirtschaftlichen Bedingungen beobachtet, die Aufschluss darüber gaben, was für verschiedene Anbaukulturen (einschließlich Tomaten, Gurken und Auberginen), klimatische Bedingungen und Photovoltaikkonfigurationen am besten funktioniert. Außerdem wurden Computersimulationen durchgeführt, u. a. für das Pflanzenwachstum, die Einstrahlung, den Transport und die Luftströmung sowie die Analyse des Mikroklimas im Gewächshaus, ergänzt durch einen digitalen Zwilling(öffnet in neuem Fenster) unter Einsatz von maschinellem Lernen, um die Betriebsoptimierung unter wechselnden klimatischen Bedingungen zu unterstützen. „Anhand kombinierter Feldmessungen und Simulationen wurden die technische Realisierbarkeit und das betriebliche Potenzial unseres adaptiven, in das Gewächshaus integrierten Photovoltaikkonzepts demonstriert“, fügt Yehia hinzu. „Angesichts des breiten Spektrums der getesteten Pilotszenarien sind wir noch dabei, unsere Validierungsaktivitäten zu analysieren.“ Das Team von REGACE erprobte außerdem Strategien zur Aufrechterhaltung günstiger CO2-Werte für die Photosynthese der Kulturpflanzen einschließlich Belüftung, Wärme- und Strahlungsmanagement unter verschiedenen klimatischen Bedingungen, insbesondere im Mittelmeerraum. „Wir konnten beweisen, dass eine kontrollierte CO2-Anreicherung zu einer verbesserten Umweltstabilität im Gewächshaus und zu einer gesteigerten Photosynthese bei den Pflanzen beitragen kann, insbesondere unter Bedingungen, bei denen die Lichtverfügbarkeit und die Temperatur im optimalen Bereich liegen“, erklärt Yehia.
Verbesserte Ressourceneffizienz und Klimaresilienz
Die Demonstration, wie die Erzeugung erneuerbarer Energie ohne zusätzlichen Flächenbedarf in landwirtschaftliche Systeme integriert werden kann, trägt zur Erhaltung produktiver Agrarlandschaften bei und unterstützt gleichzeitig die Ziele der Dekarbonisierung, der Ressourceneffizienz und der Resilienz gegenüber Klimastress. Diese Vorteile unterstützen wiederum direkt mehrere wichtige europäische Prioritäten, darunter den europäischen Grünen Deal(öffnet in neuem Fenster), Klimaresilienzstrategien und den Übergang zu erneuerbaren Energien. Da es sich beim REGACE-System um eine aufgehängte, leichte Modulbauweise handelt, kann es innerhalb vorhandener Gewächshäuser als primäres Tragwerk installiert werden, wodurch Nachrüstungen vereinfacht werden. Zudem bestätigten die Pilotprojekte, die meist über zwei Jahre liefen, dass mit dem System ein stabiler Langzeitbetrieb bei minimaler Instandhaltung über die routinemäßige Photovoltaikreinigung hinaus zu gewährleisten ist. „Das anpassbare und modulare Design unterstützt außerdem die Skalierbarkeit, sodass das Ganze nicht nur für kommerzielle Gewächshäuser, sondern auch für die Erzeugung von hochwertigen Nutzpflanzen, die klimaangepasste geschützte Landwirtschaft, wassersparende Anbausysteme und integrierte ländliche Infrastrukturen für erneuerbare Energien interessant ist“, fügt Yehia hinzu. Um den Einsatz im industriellen Maßstab voranzutreiben, konzentriert sich das Team nun auf die weitere Optimierung des Systems, etwa die Verbesserung der adaptiven Regelungsstrategien und deren Validierung für weitere Anbaukulturarten und Gewächshaustypen.
