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Einsatz von Vaisala CO2-Sensoren im wissenschaftlichen Gewächshaus

GMP252 CO2-Messonde
Netherlands
Greenhouses and Indoor Farming
Industrielle Messungen

Wissenschaftler an der Wageningen University & Research in den Niederlanden setzen seit einem Jahrzehnt Kohlendioxidsensoren von Vaisala in ihren Gewächshäusern ein. Kohlendioxid ist ein extrem wichtiger Messparameter in der Pflanzenwissen- schaft, nicht nur deshalb, weil Pflanzen Kohlendioxid für ihr Wachstum benötigen, sondern auch deshalb, weil Umweltemissionen zum Klimawandel beitragen. Dieses Gas ist daher von enormen Bedrohungen und Chancen umgeben. Da es sich um eine weltweit renommierte Forschungsorganisation handelt, sind u. a. die Genauigkeit und Zuverlässigkeit der Sensoren für eine hochwertige Arbeit des Instituts unerlässlich. Deshalb ist es wichtig, dass die Forscher*innen in Bezug auf die Sensorqualität keine Kompromisse eingehen.

Wageningen war schon immer eine treibende Kraft in der Erforschung und Entwicklung von Technologien für Gewächshäuser in den Niederlanden. Das Pflanzenforschungsinstitut betreibt mehr als 100 Gewächshausabteilungen am Standort Bleiswijk. Das bedeutet, dass die Forscher vielfältige Umweltbedingungen schaffen können. Zu den typischen Umweltvariablen gehören Licht, Wasser, Substrat, Nährstoffe, (biologische) Schädlings-/ Krankheitsbekämpfung, Temperatur, Feuchte und natürlich der Kohlendioxid- gehalt (CO2); alle gemeinsam haben bedeutsame Effekte auf den Ernteertrag.


Der Niederländische Erwerbsgartenbau hat das Ziel, bis 2040 klimaneutral zu werden. Die Forscher in Wageningen haben daher vor kurzem ein neues Vorführ-Gewächshaus für die Kultivierung von Gemüse, Obst und Zierpflanzen gebaut, um Möglichkeiten der Reduzierung von CO2-Emissionen zu finden und auch die Erfordernisse für Chemikalien zum Schutz der Pflanzen wie auch den Bedarf an Wasser und Nährstoffen zu reduzieren.


Kohlendioxid in Gewächshäusern

Kohlendioxid ist ein Nebenprodukt vieler Prozesse in der Öl-, Gas- und petrochemischen Industrie, es wird jedoch auch von Pflanzen für das Wachstum mittels Photosynthese benötigt. Niederländische Gewächshaus- betreiber haben mit dem Industriesektor des Landes zusammengearbeitet, um dieses Nebenprodukt zu nutzen und durch Senkung des Nettoausstoßes von CO2 zum Kampf gegen den Klimawandel beizutragen. Viele Gewächshausbetreiber auf der
ganzen Welt verbrennen Naturgas, um CO2 zu erzeugen. Dadurch wird jedoch auch Wärme erzeugt, die in den Sommermonaten häufig nicht benötigt wird, daher wäre die Nutzung eines industriellen Nebenprodukts wesentlich sinnvoller.

Kohlendioxid wurde 2005 erstmals an Gewächshäuser in den Niederlanden geliefert. Hierzu diente ein Rohrnetz der Firma Organic Carbon Dioxide for Assimilation of Plants (OCAP). Kommerzielle Gewächshausbetreiber bezahlen für diese CO2-Bereitstellung, die größtenteils aus einer Bioethanol-
fabrik gespeist wird. Eine wichtige Funktion in der Arbeit des Instituts besteht in der Optimierung der Verwendung von CO2, in Verbindung mit anderen Variablen für das Pflanzenwachstum. Das Institut hat beispielsweise ein Simulationstool für die CO2-Dosierung entwickelt: den „CO2-viewer“. Dieses Programm überwacht die Auswirkungen der Dosierungsstrategien eines Erzeugers und stellt diese dar. Es erlaubt zum Beispiel, die CO2-Dosierung in der Tagesmitte gegenüber der Dosierung in den Morgenstunden gegeneinander abzuwägen.
 

Kohlendioxid überwachen

Nach etwa 10 Jahren Betrieb ersetzt das Institut etwa 150 ältere Instrumenten- modelle durch neuere. Die Kalibrierung aller Messinstrumente wird vor Beginn der einzelnen Projekte mithilfe zertifizierter Referenzgase überprüft. Die Nachverfolgbarkeit der Kalibrierungsdaten ist wichtig, damit das Kalibrierungszertifikat jeder Sonde erhalten bleibt und nachfolgende Kalibriervorgänge dokumentiert werden. Ein tragbarer CO2-Monitor (ein Vaisala GM70) mit einem GMP 252 CO2 Messinstrument wird zusätzlich als Validierungstool verwendet, um installierte Instrumente zu prüfen, auch wenn keine weitere Kalibrierung notwendig ist.


Aktuell liefern die im Institut installierten Messinstrumente Signale von 4–20 mA, die „Klimacomputern“ zugeführt werden, die so programmiert sind, dass sie die Gewächshäuser automatisch steuern. Dieses System löst auch Alarme aus, wenn die CO2-Pegel aus irgendwelchen Gründen kritische Werte erreichen.


CO2-Sensortechnologie

CO2 absorbs light in the infrared Kohlendioxid absorbiert Licht im Infrarotspektrum (IR-Spektrum) bei einer Wellenlänge von 4,26 μm. Das bedeutet: Wenn Infrarotstrahlung ein CO2-haltiges Gas durchstrahlt, wird ein Teil der Strahlung ab sorbiert, und diese Absorption lässt sich messen. Der Vaisala CARBOCAP® Kohlendioxidsensor ist mit einem innovativen feingefrästen, elektrisch abstimmbaren Fabry-Perot- Interferometer- (FPI-) Filter ausgestattet. Neben der Messung der CO2-Absorption ermöglicht der FPI-Filter eine Referenz- messung bei einer Wellenlänge, bei
der keine Absorption auftritt. Bei der Referenzmessung wird der FPI-Filter elektrisch so eingestellt, dass das Bypass-Band von der Absorpti- onswellenlänge auf eine Nicht- Absorptionswellenlänge umgeschaltet wird. Diese Referenzmessung kompensiert mögliche Änderungen der Lichtquellenintensität sowie Verunreinigung oder Verschmutzung im Lichtweg. Aus diesem Grund ist der CARBOCAP® Sensor lange Zeit sehr stabil, und durch Integration beider Messungen in einem einzigen Sensor kann diese kompakte Technologie
in kleine Sonden, Module und Messwertgeber integriert werden.

Die CARBOCAP® Technologie bedeutet für deren Forscher*innen, dass sie sich nicht um Kalibrationsabweichung oder Sensorausfall sorgen müssen.


Forschung zu Kohlendioxid und Pflanzen
 

Es laufen zwei Projekte gleichzeitig, welche die Auswirkungen verschiedener CO2-Pegel auf
die Pflanzenproduktion bewerten. Bei einem Projekt wird Beerenobst untersucht, bei dem anderen geht es um die Untersuchung von Tomaten; da aber CO2 eine solch wichtige Rolle sowohl für Pflanzenwachstum als auch für den Klimawandel spielt, werden genaue Messungen dieses Gases immer wichtiger. Die meisten Gewächshäuser sind nun mit dem Ethernet des Instituts verbunden, und dem Überwachungsnetzwerk wird laufend eine Auswahl zusätzlicher Sensoren hinzugefügt. Eine gute Gelegenheit, neue „Smart“-Sensoren einzusetzen.

Zusammenfassung

Die Genauigkeit, Stabilität und Zuverlässigkeit der CO2-Sensoren in Bleiswijk ist eindeutig sehr wichtig für den Forschungserfolg des Instituts, besonders weil Daten eines Gewächshauses häufig mit denen eines anderen verglichen werden.

Die CO2-Zuführung kostet Geld; daher ist es wichtig, diese Ressource zu überwachen und auf effektive Weise zuzuführen, um die Pflanzenproduktion zu optimieren.

Die Bemühungen, weniger fossile Brennstoffe zu verwenden und effizien- tere Energiemanagementsysteme zu entwickeln, helfen dabei, CO2-Emissionen des Unterglasanbaus zu verringern. Angesichts des Ziels der Klimaneutralität von 2040 und des Bedürfnisses des Planeten, neue und bessere Wege zu finden, um die CO2-Emissionen auf nachhaltige und wirtschaftliche Weise zu erfassen, wird die Bedeutung der CO2-Nutzung jedoch zunehmen.
 

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