Energieeffizienz gegenüber CO2 als begrenzender Faktor im Gewächshaus

In gut isolierten und abgedichteten Gewächshäusern ist neben Licht und Feuchtigkeit der CO2-Gehalt ein limitierender Faktor für das Pflanzenwachstum und damit für den Ertrag. Im Folgenden finden Sie einige mögliche Lösungen für dieses Problem.

Es gibt zwei Gründe, warum die Luft in bepflanzten Gewächshäusern regelmäßig ausgetauscht werden muss:

1. Die hohe Luftfeuchtigkeit in geschlossenen Gewächshäusern stellt ein Problem dar, das in gut isolierten Häusern noch verschärft wird. Eine Lösung, neben dem Luftaustausch, ist die Installation von Entfeuchtungsgeräten.
2. Um den natürlichen CO₂-Gehalt in dichten Gewächshäusern zu erhalten, ist es notwendig, tagsüber regelmäßig zu lüften (Zwangslüftung). Der periodische Luftaustausch während der Heizperiode entfällt aufgrund der hohen Luftfeuchtigkeit durch den Einsatz von Luftentfeuchtern. Es gibt zwei Möglichkeiten, um den CO₂-Mangel im Pflanzenbestand auszugleichen: Man kann entweder zwangslüften, was jedoch zusätzliche Heizenergie erfordert, oder man kann eine CO₂-Begasung durchführen.

CO₂-Begasung bei geschlossenen Lüftungen gewinnt in dichten Gewächshäusern immer mehr an Bedeutung, vor allem in den Winter- und Übergangsmonaten. Es hat sich gezeigt, dass eine Erhöhung der CO₂-Konzentration, insbesondere in den lichtschwachen Wintermonaten zu einer höheren Photosyntheserate und damit zu einem höheren Ertrag bei gewissen Pflanzen führt.

Während Licht nicht durch einen anderen Wachstumsfaktor ersetzt werden kann, ist es erwiesen,  dass viele Pflanzen diesen minimalen Faktor etwas besser nutzen können, wenn alle anderen Wachstumsfaktoren im Verhältnis zueinander optimiert sind.

Da die CO₂-Überwachung relativ teuer ist, fehlt sie in den meisten Gewächshausbetrieben. Daher fehlt dem Gärtner auch der Bezug zum wichtigen Wachstumsfaktor CO₂.

Kohlendioxid (CO₂) ist ein farbloses und fast geruch- und geschmackloses Gas, das etwa

0,04 Vol-% der Atmosphäre ausmacht. Zur Messung des CO₂-Gehalts werden in der Fachliteratur oft Einheiten wie "ppm" und "vpm" verwendet. "ppm" steht für "parts per million" und entspricht beispielsweise 1 mg/kg, während "vpm" für "Volumenanteil pro Million" steht.

CO₂ entsteht bei der Verbrennung von kohlenstoffhaltigen Substanzen wie Kohle, Erdöl und Erdgas, sowie bei der Atmung von Tieren und Pflanzen und bei der alkoholischen Gärung. Das Gas ist nicht brennbar, gut löslich im Wasser (als "Kohlensäure") und wird unter Druck flüssig.

Bei -78°C wird CO₂ fest und bildet Trockeneis. Aufgrund seiner höheren Dichte als Luft (1.5-mal so schwer) sinkt CO₂ nach unten.

Pflanzen nehmen Kohlenstoff ausschließlich in Form von CO₂ über die Spaltöffnungen grüner Pflanzenteile auf. Etwa die Hälfte der Trockensubstanz einer Pflanze besteht aus Kohlenstoff.

Wenn der CO₂-Gehalt in der Luft eines Gewächshauses abnimmt, sinkt auch die Photosyntheseleistung der Pflanzen, was das Wachstum beeinträchtigt. Das Minimumgesetz besagt, dass der Wachstumsfaktor, der in Minimum ist, den Ertrag begrenzt. Das bedeutet, dass auch die zur Verfügung stehende Lichtmenge, Wärme und andere Wachstumsfaktoren nicht vollständig genutzt werden können, wenn der CO₂-Gehalt zu niedrig ist.

Wer sich mit Photosynthese beschäftigt, weiß, dass Pflanzen in drei CO₂-Photosynthesegruppen eingeteilt werden:

C3-Pflanzen

Die größte Pflanzengruppe führt eine sogenannte C3-Photosynthese durch und assimiliert am effektivsten unter normalen Temperatur- und Lichtverhältnissen. Die C3-Photosynthese entstand vor über 2 Milliarden Jahren, als der CO₂-Gehalt etwa 20% und der Sauerstoffgehalt fast Null betrug. C3-Pflanzen können daher eine höhere CO₂-Konzentration verarbeiten, die sogar über den derzeitigen natürlichen Gehalt der Atmosphäre hinausgeht. Das Kohlendioxid tritt passiv durch die Spaltöffnungen (Stomata) zur CO₂-Fixierung in einer Verbindung mit 3 Kohlenstoffatomen (C3) in die Zellen ein.

C4-Pflanzen

Vor 30 Millionen Jahren, mit höherem Lichteinfall, stiegen die Temperaturen und die Niederschlagsmenge nahm ab. Die CO₂-Konzentration sank kontinuierlich, während die Sauerstoffkonzentration anstieg und Trockengebiete entstanden. Diese Veränderungen bildeten die Grundlage für die Entwicklung von C4-Pflanzen, die sich an die neuen Klimabedingungen anpassten. Im Gegensatz zu C3-Pflanzen erfolgt bei C4-Pflanzen die CO₂-Fixierung und der anschließende Stoffwechsel aktiv in einer Zelle in zwei Schritten mit einer " CO₂-Pumpe" und räumlicher Trennung. Dadurch entsteht bei der C4-Fixierung eine Verbindung aus

4 Kohlenstoffatomen, anstelle von 3 Kohlenstoffatomen bei C3-Pflanzen. Obwohl nur etwa 3% der Gefässpflanzen C4-Photosynthese betreiben, machen sie etwa 25% der gesamten landgestützten Photosynthesekapazität aus.

Zu den C4-Pflanzen gehören u.a. Amaranthus, Hirse, Mais, Helianthus und Bambus.

CMA-Pflanzen

Pflanzen, die in trockenen Gebieten wie Steppen oder Wüsten leben, haben Schwierigkeiten, tagsüber Kohlenstoffdioxid aufzunehmen, da ihre Spaltöffnungen (Stomata) geschlossen bleiben müssen, um Wasserverlust zu vermeiden. Eine Lösung für dieses Problem ist der Crassulaceen-Säurestoffwechsel (CAM), bei dem das CO₂ nachts aufgenommen und in Form von 4 Kohlenstoff-Verbindungen in den Zellen zwischengespeichert wird, um tagsüber für die Photosynthese zur Verfügung zu stehen. Im Gegensatz zu C4-Pflanzen findet der CAM-Prozess nicht räumlich, sondern zeitlich getrennt statt. Durch den Crassulaceen-Säurestoffwechsel (engl. Crassulacean acid metabolism) können CAM-Pflanzen auch in extrem trockenen Umgebungen überleben und gedeihen.

Zu den CAM-Pflanzen gehören meist sukkulente (wasserspeichernde) Pflanzen, wie z. B. Pflanzen der Familie Crassulaceae wie Kalanchoe, Echeveria, Crassula, aber auch Kakteen, Agaven, Aloe und Ananas.

Gärtner sollten die planzenphysiologischen Unterschiede ihrer kultivierten Pflanzen kennen und verstehen, um die Produktivität und Qualität in Gewächshäusern zu optimieren.

Eine CO₂-Konzentration von über 400 ppm bietet keinen zusätzlichen Nutzen für C4- und CAM-Pflanzen wie Sonnenblumen oder Kalanchoe, da sie das zusätzliche CO₂ nicht aufnehmen können. Bei C3-Pflanzen kann eine höhere CO₂-Konzentration hingegen zu höheren Erträgen und besserer Qualität führen. Die optimale CO₂-Konzentration für C3-Pflanzen liegt normalerweise zwischen 800 und 1200 ppm, aber es müssen auch andere Faktoren wie Pflanzenernährung, Temperatur, Luftfeuchtigkeit und Licht berücksichtigt werden.

Die Wirtschaftlichkeit der CO₂-Begasung hängt also von der Verfügbarkeit der anderen Wachstumsfaktoren ab. Eine optimale CO₂-Konzentration im Gewächshaus kann die Produktivität und Qualität von Pflanzen verbessern und somit zu höheren Einnahmen führen. Bei einem falschen Einsatz mit erhöhten Konzentrationen können die Kosten der höheren CO2-Düngung den Mehrertrag übersteigen.

Grundsätzlich gibt es zwei Methoden, um Gewächshauspflanzen mit CO₂ zu düngen. Eine Möglichkeit besteht darin, die Gewächshausluft mit technischem CO₂ anzureichern, die andere besteht darin, CO₂ aus Rauchgasen zu gewinnen.

Bei der Anreicherung mit technischem CO₂ kann die Versorgung aus Flaschen (bis zu 30 kg), auch Flaschenbündel oder Druckbehältern (Tank ab etwa 1 t) erfolgen. Leere CO₂-Flaschen werden ausgetauscht und in einem Kohlensäurewerk neu befüllt. Die Inhaltsmessung kann mittels einer Waage stattfinden oder über einen Füllstandsanzeiger im Behälter. Die CO₂-Zuführung erfolgt aus Grossbehältern über eine Druckreduzierstation, anschliessend durch PE-Rohren zum Gewächshaus. Die Ausbringung im Gewächshaus ist einfach, da sich CO₂ gut in der Luft ausbreitet.

Für ein 9,60 m breites Gewächshaus reicht ein längs geführtes Kunststoffrohr mit Austrittslöchern alle 15 bis 20 m. Die Austrittshöhe kann durch Kunststoffschläuche an die Bestandshöhe angepasst werden. Technisches CO₂ eignet sich am besten für die Begasung von Pflanzen, obwohl die Anwendung meist teurer ist als die Nutzung von Rauchgasen. Die Installationskosten sind jedoch niedriger als bei der Abgasvariante.

Die Verwendung von Rauchgasen zur CO₂-Düngung ist billiger als die Verwendung von technischem CO₂. Zur Verwendung dürfen nur Abgase aus Erdgas, Biogas oder Propangas verwendet werden, Rauchgase aus der Heizölverbrennung enthalten schädliche Nebenprodukte.

Die Abgase sollten kontinuierlich überwacht und geregelt werden, um eine Überdosierung von CO₂ und das Eindringen von giftigem Kohlenmonoxid zu vermeiden. Fortschrittliche Anlagen nutzen die Abgase zur Energiegewinnung und produzieren CO₂, das in die Gewächshäuser geleitet wird.

In diesen Heizanlagen werden die ca. 200°C heissen Verbrennungsgase zunächst in einen Rauchgaskühler oder Abgaskondensator geleitet, um einen Teil der in den Abgasen enthaltenen Energie für Heizzwecke (Vegetationsheizung) zu nutzen. Die abgekühlten CO₂-haltigen Abgase werden dann von einem Gebläse durch Kunststoffrohre in die Gewächshäuser geleitet. Die Verteilung erfolgt ebenfalls in Kunststoffrohren oder über Folienschläuche. Um die Energieeffizienz zu maximieren, sollte der kleinste Kessel für die CO₂-Produktion genutzt werden. Dieser produziert tagsüber CO₂, während das erzeugte Warmwasser in einem Wärmespeicher gespeichert wird, um es in den Nachtstunden für die Heizung zu verwenden. Obwohl die Anlagekosten für diese Methode vergleichsweise hoch sind, fallen bei großen Flächen niedrige Betriebskosten an. Der Warmwasserspeicher kann auch genutzt werden, um Heizspitzen abzudecken, was sich positiv auf den Gaspreis auswirkt.

Die Nutzung von Rauchgasen zur CO₂-Produktion kann zusätzlich ein effektives Mittel zur Reduktion von CO₂-Emissionen bedeuten, falls sie unter Berücksichtigung der besonderen Anforderungen an den Gewächshauskulturen eingesetzt wird.

CO₂-Kanonen werden immer noch zur CO₂-Produktion in Gewächshäusern eingesetzt. Diese Geräte werden mit Erdgas oder Propangas betrieben und haben primär die Funktion der Gewächshausheizung. Die Abgase werden in den Kulturraum geleitet, um den CO₂-Gehalt in der Luft zu erhöhen. Jedoch ist dies nicht optimal, da der größte Wärmebedarf in Gewächshäusern nachts auftritt, wenn die Pflanzen nicht assimilieren und die CO₂-Produktion stattfindet. Dementsprechend müssen zusätzliche Wärmequellen im Gewächshaus installiert werden, um die Wärmeversorgung in der Nacht sicherzustellen. Ein weiterer Nachteil von CO₂-Kanonen ist der unerwünschte Anstieg der Luftfeuchtigkeit im Gewächshaus, sowie die Gefahr einer Über- oder Unterversorgung der Pflanzen, was diese Technik ineffizient macht. Aus diesen Gründen sollten andere Methoden zur CO₂-Produktion wie die Verwendung von Rauchgasen aus der Warmwasserheizung oder technischem CO₂ in Betracht gezogen werden.

CO₂-Kanonen (CO₂-Generatoren) sind für die CO₂-Begasung nicht besonders effizient, da sie tagsüber nur begrenzt genutzt werden können und nachts nicht als Heizung verwendet werden dürfen. Eine zusätzliche Heizung wird daher immer noch benötigt. Hier im Bild: im Vordergrund (rot) ist der Heizungsgenerator und der zweite Generator (grau-blau) ist eine CO₂-Kanone. Troz der offensichtlichen Nachteilen sind in der Schweiz immer noch CO2-Kanonen im Einsatz!

Eine effektive Messung und Regelung der CO₂-Zufuhr ist entscheidend für den Schutz der Kulturen vor Überkonzentration und für eine richtige Dosierung. Dies ist besonders wichtig für den wirtschaftlichen Einsatz von reinem (technischem) CO₂. Die Messung dient auch zur zeitlichen Steuerung, um nur bei Verfügbarkeit von Assimilationslicht und in Abhängigkeit von der Lüftung zu dosieren. Ausserdem ist die Messung bei Rauchgasanlagen wichtig für die Sicherheit der Arbeitskräfte, der zulässige Wert von 5000 ppm darf nicht überschritten werden. Unerlässlich ist eine automatische Kohlenmonoxid-Messung, die die Begasung ausschaltet, wenn ein Höchstwert von 30 ppm CO erreicht wird (angestrebt wird 0 ppm).

Es gibt zwei Messverfahren: kontinuierliche und stichprobenartige Messung. Die kontinuierliche Messung erfolgt in der Regel mit Geräten, die nach dem Infrarot-Absorptionsprinzip arbeiten. Die Messgeräte saugen einzeln Luft aus den Gewächshäusern und untersuchen sie in einem bestimmten Infrarotbereich. Schwankende Temperaturen und hohe Luftfeuchtigkeit verändern die Anzeigegenauigkeit. Eine ventilierte Messbox hilft, diese Probleme zu beheben, während ein Kondensatabscheider die Kondensatbildung verhindert, was für eine genauere Messung sorgt. Die Regelung erfolgt über Regelgeräte, die z.B. Magnetventile und Abgasklappen steuern.

Für die stichprobenartige Messung der CO₂-Konzentration in kleinen Gewächshauseinheiten, in denen eine kontinuierliche Messung zu teuer wäre, können mobile Messgeräte oder Prüfröhrchen eingesetzt werden. Eine genaue Regelung ist jedoch nicht möglich. Die Luftumwälzung ist von zentraler Bedeutung für eine gute Verteilung von CO₂ unter den Blättern, die Ventilation wird in die Klimaregulierung integriert.

Um eine sichere und effiziente Funktion der CO₂-Abgasnutzung zu gewährleisten, sind mehrere Messgeräte (Sonden) sowie ein Integral-Proportional-Steuergerät erforderlich. In größeren Gewächshäusern sind vernetzte Regelsysteme wie Klimacomputer unabdingbar, da sie eine genaue und mit allen Faktoren integrierte Regelung ermöglichen.

Es bestehen noch alternative CO₂-Quellen, die jedoch wenig genutzt werden.

• Brennstoffzellen:
  Brennstoffzellen erzeugen Strom und Wärme durch die elektrochemische Reaktion von Wasserstoff und Sauerstoff. Dabei entsteht auch CO₂ als Abfallprodukt, das zur CO₂-Düngung im Gewächshaus verwendet werden könnte.
• Fermentierung:
  Durch die Fermentation von organischen Materialien wie Zucker oder Alkohol kann CO₂ freigesetzt werden, das für die CO₂-Düngung genutzt werden kann. Bei der Gärung in der Produktion von Bier oder anderen Produkten entsteht CO₂ als Nebenprodukt. Dieses CO₂ kann aufgefangen und für die Pflanzenproduktion genutzt werden.

In dichten, gut isolierten Gewächshäusern mit Pflanzen muss regelmäßig Luft ausgetauscht werden, um die hohe Luftfeuchtigkeit zu reduzieren und den CO₂-Gehalt aufrechtzuerhalten. Enfeuchtungsgeräte können die Energieeffizienz erhalten, jedoch führt das Weglassen des Luftaustausches zu CO₂-Mangel. Eine Möglichkeit, den CO₂-Mangel auszugleichen, ist die CO₂-Begasung. Die optimale CO₂-Konzentration ist von Pflanze zu Pflanze verschieden und hängt von Faktoren wie Pflanzenernährung, Temperatur, Luftfeuchtigkeit und Licht ab. Je nach Pflanze kann über den natürlichen Gehalt hinaus begast werden, um eine Ertragssteigerung zu erzielen. Die CO₂-Begasung kann durch technisches CO₂ oder durch Gewinnung von CO₂ aus Rauchgasen der Gasheizung erfolgen.

Für den wirtschaftlichen Einsatz einer CO₂-Düngung ist eine genaue Messung und Regelung der CO₂-Zufuhr wichtig. Es gibt kontinuierliche und stichprobenartige Messverfahren, wobei die kontinuierliche Messung genauer ist und in Verbindung mit einer Klimaregelung eine höhere Sicherheit bietet. In größeren Gewächshäusern sind vernetzte Regelsysteme wie Klimacomputer notwendig, um einen genauen und effizienten Einsatz von CO₂ zu gewährleisten.

In der Gewächshaus-Pflanzen-Produktion lohnt sich die Auseinandersetzung mit dem Thema CO₂.

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