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Humboldt-Universität zu Berlin - Lebenswissenschaftliche Fakultät - Albrecht Daniel Thaer-Institut für Agrar- und Gartenbauwissenschaften

Forschung

Forschungsprojekte im FG Biosystemtechnik

(Auswahl drittmittelgeförderter Projekte der letzten 10 Jahre)

 

                                      Datenmonitor der ZINEG-Anlage

 

 

 

Leitthema in der Forschung am Fachgebiet Biosystemtechnik: Phytocontrol-Technologie zur Steuerung von Gewächshausanlagen

gefördert durch zahlreiche Projekte durch: BLE, Industrie, Status: laufend

 

Produkte: Prototypen, Patent, Sensorik, Steuerwissen, Software, Bewertungsverfahren (Mollier-Analyser), Publikationen

Die Phytocontrol-Technolgie nutzt Phytosignale zur Steuerung technischer Prozesse im Gewächshaus. Ziel ist die Optimierung des Wachstumsprozesses von Pflanzenkulturen im Sinne der Ausnutzung des Ertragspotenzials und der Erzielung gewünschter Qualitäten zu definierten Erntezeitpunkten. Phytosignale sind Kurzzeitinformationen über den thermischen Zustand, Stoff- und Energieaustausch sowie Wachstums- und Qualitätsbildungsprozesse von Pflanzenbeständen, die zerstörungsfei und online gemessen werden können.

Phytosignale können in 3 Bereiche eingeteilt werden:

thermisch-mikroklimatische Informationsgrößen: Gewebetemperatur der Blätter und Früchte, Wasserdampfpartialdruckdifferenzen, Grenzschichtwiderstände

Stoff- und Energieaustausch: Transpirationsmassenströme, Saftstromgeschwindigkeiten CO2/O2-Gaswechsel an Pflanzenteilen (Photosynthese, Atmung), CO2/O2-Gaswechsel in der Rhizosphäre, Wasser- und Nährstoffgehalt des Substrates.

physiologische Bewegungen und wachstumsbedingte Veränderungen: stomatäre Leitwerte, Stängellängenwachstum, Stängeldickenkontraktionen, Fruchtdurchmesserzuwachs, 

 

Phytomonitoring: den Pflanzen beim Wachsen zusehen... 

Sehen Sie sich hier unser Tomatenballett an! 

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Energieeffizienz von Gewächshäusern

gefördert durch: FNR, LFL Sachsen - Status: abgeschlossen

Partner: TU München, LU Hannover, LFL Sachsen

Produkte: Studie, Publikation

2004 bearbeiteten Mitarbeiter des Institutes für Technik in Gartenbau und Landwirtschaft (Universität Hannover) in Kooperation mit der Technischen Universität München (Fachgebiet Technik im Gartenbau) sowie der Humboldt-Universität zu Berlin (Fachgebiet Gartenbautechnik) ein Projekt zur energetischen Nutzung von Biomasse im Unterglasgartenbau, gefördert vom Bundesministerium für Ernährung, Landwirtschaft und Verbraucherschutz (BMELV) über die Fachagentur Nachwachsende Rohstoffe e.V. (FNR).

Im Rahmen einer bundesweiten Umfrage wurden 480 Gartenbaubetriebe aus den Bereichen Zierpflanzen- und Gemüsebau befragt. Das Hauptziel der Studie bestand in der Erfassung der energetischen Ist-Situation im deutschen Unterglasanbau. Des weiteren geben die Umfrageergebnisse Auskunft über das noch vorhandene Energieeinsparpotential sowie die Einstellung der Gärtner zur Nutzung von Biomasse als Energieträger. Die Ergebnisse sollen die Grundlage für die Formulierung zukünftiger Zielvorgaben im Unterglasanbau bilden, sowie Hinweise auf eine sinnvolle Förderung der Betriebe geben. Aus den gewonnen Daten wurden Modellbetriebe entwickelt, mit denen es möglich ist, für die Gartenbaubetriebe verschiedene Szenarien durchzurechnen.

 

 

Nutzung von Geothermalwärme zur Beheizung eines Gartenbaubetriebes

gefördert durch BLE - Status: abgeschlossen

Partner: TU München

Produkte: Anbaustrategie, Publikation

 
       
   
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Das Potential erneuerbarer Energie im Bereich der Geothermie ist unerschöpflich. Wie bei fast keiner anderen neuen Energiequelle gibt es eine so große Übereinstimmung zwischen den Zielen des Umweltschutzes und der Energienutzung. Erste Einsätze zeigen, dass hochwertige Zierpflanzen CO2-neutral ganzjährig produziert werden können. Die Energie dafür wird bereitgestellt aus dem Rücklauf des Wärmenetzes eines Erdwärmekraftwerkes. Der Gärtnereibetrieb steht in der Energieversorgungskette weit hinten. Das führt zu einer Nutzung von Heizwärme mit niedrigem Temperaturniveau.

Hierfür müssen Techniken eingesetzt werden, mit denen Niedertemperaturwärme effizient freigesetzt und an die Pflanzen übertragen werden können. Zum Einsatz kommen dabei überwiegend großflächige Strahlungsheizungen (Betonbodenheizung), Substrat- oder Gebläseheizungen. Gegenüber der traditionellen Rohr- oder Konvektionsheizung mit einer Oberflächentemperatur von ca. 70 °C muss Niedertemperaturwärme mit anderen Kulturführungsmaßnahmen - vor allem mit alternativen Steuerungsalgorithmen - betrieben werden.

 

Abbildung: Erdwärmenutzung in Neustadt-Glewe

 (Quelle: www.erdwaerme-kraft.de)

 

 

 

 

Steuerung abiotischer Faktoren unter Klimastress 

gefördert durch: DFG, Conacyt(Mexiko) - Status: abgeschlossen:

Partner: Universität Chapingo, Mexiko-City

Produkte: DescFog-Verfahren, Steuerwissen, KI-Anwendungen

In den kommenden Jahren haben Prognosen für die Region Nordosteuropa einen Anstieg der mittleren Jahrestemperaturen , bei sinkenden relativen Feuchten und weniger Niederschlägen vorhergesagt. Unter diesen Bedingungen werden die abiotischen Bedingungen im Sommer (Temperatur, Dampfdruckdifferenz, Einstrahlung...) insbesondere bei Gewächshauskulturen mehr Stresssituationen an den Pflanzen hervorrufen. Eine effiziente Kühlung der Häuser könnte für den Kulturerfolg in Zukunft ebenso wichtig werden, wie die Beheizung der Häuser im Winter.

In Mexiko ist ein deutlicher Anstieg der Gewächshausflächen für den Gemüseanbau zu verzeichnen. Auch hier ergeben sich in manchen Regionen vergleichbare Probleme bei der Klimatisierung der Häuser im Sommer. Die Lüftungswirkung der überwiegend sehr dichten Foliengewächshäuser reicht nicht aus, um die Temperaturen im Sommer unter den Stressgrenzen der Pflanzen zu halten.

Deshalb entwickeln wir gemeinsam mit Kollegen der autonomen Universität Chapingo (Mexiko Stadt) Lösungen für eine effiziente Kühlung von Gewächshäusern mit Hilfe von Wassernebelanlagen (Fog-Systeme).

Dabei steht die preiswerte Latentkühlung im Vordergrund. Es werden Technologien zur kombinierten Steuerung von Fogsystemen und Lüftung entwickelt, um über Wasser-Dampf Kreisprozesse zusätzlich sensible Wärme in latente Wärme zu wandeln und schnell abzulüften. Höhere Luftfeuchten können dabei Kulurvorteile bringen (Vermeidung hydronastischer Schließbewegungen der Stomata), wenn eine präzise Steuerung dafür sorgt, dass die relative Luftfeuchte im Bestand nicht in Bereiche steigt, in denen Gefahr für pilzliche Pflanzenkrankheiten bestehen. Aus diesem Grund werden die Untersuchungen gemeinsam mit dem Fachgebiet Phytomedizin der HU Berlin durchgeführt.

Ein erstes Resultat ist die Entwicklung des DescFog-Steuerungsverfahrens, mit dem es zusätzlich gelingt, das eingeleitete CO2 im Pflanzenbestand zu fixieren.

 

Entwicklung ionenselektiver Sensoren zur kontinuierlichen Erfassung von Ionenanteilen in zirkulierenden Nährlösungsversorgungssystemen

Förderung durch: BMWi Status: abgeschlossen

Partner: Fa. Pronova, Berlin

Produkte: Prototyp Sensor und Kalibrierroboter, Software, Steuerwissen, Publikation

 

 
Im Rahmen eines durch das PRO INNO II - Programm des Bundesministeriums für Wirtschaft und Technologie (BMWi) geförderten F&E-Projektes wird an der Entwicklung von ionenselektiven Sensoren zur kontinuierlichen Erfassung von Ionenanteilen in zirkulierenden Nährlösungsversorgungsystemen gearbeitet. Die Entwicklung erfolgt gemeinsam mit der Firma iRAS automation GmbH.

Projektziel: Produktentwicklung zur online Nährlösungsanalyse und Herstellung von exakt dosierten Nährlösungen unter Nutzung von Sensoren zur Messung der Ionenanteile in der Lösung

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Ionenselektive Sensoren

 

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Entwicklung eines Kalibrierroboters

 

 

Neue Methoden der wassersparenden Steuerung von Bewässerungssystemen im Freilandanbau

Förderung: BMBF - Status: abgeschlossen

Partner: INKA BB - Verbund, Fa. Buschmann - Winkelmann 

Produkte: Steuerwissen, Sensorbewertung, Software

 

 

Bild: Michael Beck

Im Rahmen des Forschungsprogramms INKA BB werden am Fachgebiet Algorithmen zur Bewässerungssteuerung bei gärtnerischen Intensivkulturen entwicklet. Die Steuerung der Wasserversorgung soll über die Kombination von Modellen und Sensoren erfolgen, wobei durch intelligente Auswertung der Messignale das System durch einen Lernprozess die richtigen Bewässerungszyklen und Bewässerungsmengen ermitteln soll. 

 

Verbundprojekt "Qualitätsdifferenzierte Getreideernte"

Eine neue Methode ermöglicht, die Getreidegüte schon beim Ernten zu kontrollieren und entsprechend zu sortieren.

 

Förderung: BLE, Status: laufend

Partner: Fa. Claas Landtechnik

Produkte: Sensortechnik, Steuerwissen, Maschinentechnik

Rund um den Globus ist Getreide eines der wichtigsten Grundnahrungsmittel und von großer gesellschaftlicher Bedeutung. Die Kollegen der Arbeitsgruppe Agrartechnik unter Leitung von Prof. Dr. Jürgen Hahn haben gemeinsam mit dem Landtechnikhersteller Claas SE ein Verfahren entwickelt, um die Beschaffenheit des Korns bereits während der Ernte zu überprüfen und so die Produktqualität noch zu erhöhen. Dabei wird das Getreide auf dem Mähdrescher nach vorbestimmten Qualitätskriterien sortiert. Möglich macht dies ein Nahinfrarotsensor, der kontinuierlich das Erntegut begutachtet und dabei den Rohproteingehalt und andere Qualitätseigenschaften überprüft.

Modellierung und Steuerung von geschlossenen Systemen im Pflanzenbau mit Hilfe von Methoden der künstlichen Intelligenz : 

 

Förderung: BMBF, Conacyt (Mexiko) Status: laufend

Partner: Universität Chapingo, Mexiko-City

geplante Produkte: Steuerwissen, Software, Publikationen

Laufzeit: 2012 bis 2014

 
 
Das Projekt beschäftigt sich damit, Steuerwissen für komplexe geschlossene Systeme zu akkumulieren, um den Input an Stoffen und Energie für den intensiven Pflanzenbau im Gewächshaus zu minimieren. Mit einer neu entwickelten Technologie für den bivalenten Betrieb von Gewächshäusern als Solarkollektoren und Pflanzenproduktionsanlagen soll das „energy harvesting“ aus diesen Anlagen verbessert werden, bei gleichzeitiger Ertragssteigerung durch Fixierung des angereicherten CO2 im geschlossenen Betrieb der Häuser und Anreicherung von gesundheitswirksamen Inhaltsstoffen durch spezifische abiotische Wachstumsbedingungen.
 
Für die Steuerung dieser komplexen Biosystemtechnik ist die Entwicklung und Anwendung neuer, auf der Basis der Methoden der künstlichen Intelligenz basierender, Algorithmen erforderlich. 
Die für die Algorithmenentwicklung notwendige Expertise werden Arbeiten mexikanischer Mathematiker der Universität Chapingo (Mexiko-City) einbezogen. Die Softwareentwicklung und die Integration insbesondere der neuronalen Netze in die in Berlin entwickelte Prozessleitsoftware und der Systemtest erfolgt durch das Fachgebiet Biosystemtechnik der Humboldt-Universität zu Berlin. 

 

Nationales Verbundprojekt Zukunftsinitiative Niedrigenergiegewächshaus (ZINEG)

Förderung: BMELV, BMU, Rentenbank und der Koordination der BLE, Status: abgeschlossen

Partner: TU München, LU Hannover, ATB, IGZ, LVA Hannover-Ahlem, DLR Rheinpfalz, HS Osnabrück

Produkte: Prototyp, Steuerwissen, Technologie, Software, Patente, Publikationen

Laufzeit: 2009 bis 2014

Das Fachgebiet arbeitet im Rahmen eines  nationalen  Programms an der Entwicklung einer Kollektorgewächshausanlage an der Minimierung des Energieeinsatzes im Gewächshausproduktion und der Reduzierung der Emission von CO2 Treibhausgasen. 

Mit dem ZINEG Verbundprojekt soll ein ehrgeiziges Ziel erreicht werden: Durch Einsatz aller bisher verfügbaren Technologien zur Absenkung des Wärmeverbrauches sollen Gewächshäuser entstehen, in denen möglichst CO2-neutral produziert werden kann.


Am Fachgebiet Biosystemtechnik der Humboldt-Universität zu Berlin soll das System Kollektorgewächshaus weiterentwickelt werden. Durch Kühlflächen im Dachraum eines geschlossenen Gewächshauses wird die überschüssige Wärmeenergie abgeführt und in einem Wassertank gespeichert. Ziel ist der Wärmeexport aus der Kollektorkabine, um möglichst viele Flächen beheizen zu können. Der geschlossene Betrieb des Hauses, die Anwendung von Niedertemperaturwärme zur Erwärmung von Pflanzen, das an der HU entwickelte Phytomonitoring und die Softwareentwicklung zur Steuerung derartiger Anlagen stehen im Mittelpunkt der Untersuchungen.

Bitte besuchen Sie uns auf unserer ZINEG-Projektseite

  

Die ZINEG-Versuchsanlagen in Berlin, Neustadt, Osnabrück und Hannover-Ahlem

 

Entwicklung eines Messgerätes zur Analyse phytometrischer Reaktionen an Pflanzen 

Förderung: ZIM-Programm des BMWi, Industrie, Status: Markteinführung

Projektpartner: Fa. Pronova Berlin, Steinbeis GmbH Stuttgart

Produkte: Marktreifes Messgerät, Software, Systemanbindung zur Steuerung, Publikationen

Laufzeit: 2013 bis 2015

Das Projekt umfasst die Entwicklung  eines Monitoring-Systems für Pflanzenkulturen für die permanente Erfassung pflanzenphysiologischer Daten wie Transpiration, Photosynthese sowie Messung von Spurengasen wie Ethylen zur Analyse von Stresszuständen in Pflanzenbeständen. Dafür sind die an der HU-Berlin vorhandenen Erfahrungen bezüglich der Wasserdampf- und CO2-Gaswechselmessung an Pflanzenorganen und das bei der Firma ProNova verfügbare Know How bezüglich der Spurengasmessung zu nutzen, um einen Prototyp für die kombinierten Gasanalyse an Pflanzen zu konzipieren, zu entwickeln, herzustellen und zu testen. In Anbauversuchen in Gewächshäusern sollen Grenzwerte für Ethylenemissionen ermittelt werden, welche biotische und abiotische Stresszustände bei Pflanzen signalisieren können. Es ist die Software für die Datenanalyse und Entscheidungsfindung zu entwickeln und es ist die Anbindung der phytometrischen Analyse an die Prozesssteuerung eines Gewächshauses vorzubereiten.   

 

Entwicklung eines rezirkulierenden Bewässerungssystems mit vermindertem phytosanitärem Risiko in Gewächshäusern

Förderung: BLE, Status: Markteinführung durch Sewig-Projekt

Projektpartner: FG Phytomedizin der LGF, Fa. Newtec GmbH, Berlin

Produkte: Verfahrensentwicklung, Software, Steuerwissen zur Wachstumsbeeinflussung, Publikationen

Laufzeit: 2013 bis 2014 

 

Das Projekt umfasst die technologische Gestaltung einer Einbindung der  Wasserdesinfektion durch anodische Oxidation in ein geschlossenes rezirkulierendes Nährlösungssystem für den hydroponischen Anbau von Gemüsekulturen. Im Mittelpunkt der
technisch-pflanzenbaulichen Untersuchungen stehen die Gestaltung der Technologie für die Überwachung und Steuerung der Nährionenkomposition sowie die Untersuchungen zu einer möglichen Beeinflussung des Pflanzenwachstums und der Pflanzenqualität, direkt durch die Desinfektion oder indirekt durch die Veränderung der Nährlösungszusammensetzung infolge des elektrochemischen Oxidationsvorgangs.
Im Fokus des phytomedizinischen Arbeitsbereichs steht der Nachweis der toxischen Wirkung des Desinfektionsverfahrens auf pflanzenschädigende Viren, Bakterien und Pilze.
 
 
 
 
ELGEVOS - Machbarkeitsstudie zur Elektroenergieversorgung von Gewächshäusern bei einer volatilen Stromversorgung mit hohem Anteil erneuerbarer Energien
Förderung: BLE/Rentenbank, Status: laufend
Projektpartner: Fraunhofer Institut für Windenergie und Energiesystemtechnik IWES Kassel, Leibniz-Institut für Gemüse und Zierpflanzenbau Großbeeren/Erfurt e.V.
Produkte: Machbarkeitsstudie, Simiulationssoftware, Auslegungswissen, Steuerwissen, Publikationen
 
Laufzeit: 2015 bis 2017
 
Es werden Energiekonzepte für Gewächshäuser entwickelt, die sich auf eine zunehmende Nutzung von erneuerbaren Energien einstellen und der damit einhergehenden Volatilität begegnen. Sie müssen nachhaltig wirtschaftlich sein und stabile Betriebskosten von Gewächshäusern gewährleisten. Eine dynamische Strategie für das Energiemanagement berücksichtigt dabei die Anforderungen an die Stromversorgung für eine optimale Pflanzenproduktion. Entscheidende Merkmale der Energieversorgungskonzepte sind die Verwertung von Überkapazitäten der Stromerzeugung aus erneuerbaren Energien für flexible Belichtung von Pflanzenbeständen und die Nutzung von Pufferkapazitäten durch Wärmespeicherung in Wassertanks. Eine Kosten-Nutzen-Analyse stellt die optimale Dimensionierung von Erzeugungs- und Speicherkapazitäten sicher.
 
 

SEWIG Praxiseinführung und Optimierung eines innovativen Systems zur elektrolytischen Wasserdesinfektion in Gewächhäusern

Förderung: Deutsches Innovationsprogramm DIP-Agrar, BLE
Projektpartner: newtec-Umwelt GmbH, Rosengut Langerwisch GmbH & Co. KG, Havelia GmbH
Produkte: Praxisanlage, Auslegungswissen, Steuerwissen, Publikationen
 
Laufzeit: 2015 bis 2018
 
Durch ein Scale-up des von der Humboldt-Universität zu Berlin sowie der Firma newtec Umwelttechnik GmbH entwickelten und im Versuchsmaßstab sehr effizienten Systems zur elektrolytischen Wasserdesinfektion (SeWiG) auf große Gewächshausanlagen, soll die Technologie unter Praxisbedingungen erprobt, validiert und gegebenenfalls optimiert werden. Dies ist Voraussetzung zur erfolgreichen Etablierung im gärtnerischen Produktionsanbau. Das neue elektrolytische Desinfektionssystem zur Behandlung von Gießwasser zeichnet sich durch seine
funktionale Überlegenheit gegenüber den etablierten physikalischen und chemischen Methoden aus. Hervorzuheben ist seine Wirksamkeit gegen Pflanzenviren und das im Vergleich zu anderen chemischen
Verfahren geringere Gefährdungspotential für Anwender, Pflanze und Umwelt.
 

Entwicklung einer Anlage zur ionenspezifischen Steuerung der Ernährung von Kulturpflanzen beim Anbau in Gewächshäusern (läuft)

Förderung: ZIM-Programm
Projektpartner: Leibniz-Institut für Gemüse und Zierpflanzenbau Großbeeren/Erfurt e.V., Fa. Dosatronic GmbH
Produkte: Anlagenprototyp, Steuersoftware, Auslegungswissen, Steuerwissen, Publikationen
 
Laufzeit: 2015 bis 2018
 
Zurzeit geht 30 - 50 % des für die Bewässerung der Kulturen in Gewächshäusern eingesetzten Wassers mit den darin gelösten Düngern als Drain verloren und kontaminiert das Grundwasser. Mit geschlossene Produktionsverfahren, bei denen der Drain in den Nährstoffkreislauf zurückgeführt, kann ein effizienterer Ressourceneinsatz erreicht werden. Im Rahmen dieses Vorhabens soll eine Modellanlage entwickelt werden, bei der in einem geschlossenen Nährstoffkreislauf die Nährlösung unter Verwendung des Drains auf der Basis einer automatischen ionenspezifischen Dosierung einzelner Nährionen angemischt werden. Dabei soll nicht nur auf die Veränderungen im Drain posteriori reagiert, sondern bereits a priori mit Hilfe von Modellen die erwartete Wasser- und Nährstoffaufnahme der Pflanze in die Steuerung einbezogen wird.
 
ELGEVOS Machbarkeitsstudie zur Elektroenergieversorgung von Gewächshäusern bei einer volatilen Stromversorgung mit hohem Anteil erneuerbarer Energien (läuft)
 
 
 
PROSIBOR - Process simulation based on plant response - Entwicklung eines sensorbasierten intelligenten Gewächshaus-Managementsystems (läuft)
Förderung: BLE
Projektpartner: Hochschule Weihenstephan-Tristorf, Fa. RAM Klimacomputertechnik Herrschimg
 

Das Ziel des  Projekts „Entwicklung eines sensorbasierten intelligenten Gewächshaus-Managementsystems“ ist es ein Analysetool zu für die Industrie zu entwickeln, welches es dem Produzenten erlaubt, die Reaktionen der Kultur, Ressourceneinsparungen (z.B. Wasser, Energie) und die daraus resultierenden betriebswirtschaftlichen Konsequenzen auf eine Änderung der Kulturführung am Computer zu simulieren, ohne in den laufenden Produktionsprozess eingreifen zu müssen. Dazu wird eine auf Sensordaten basierende Software entwickelt die den Produktionsprozess simuliert: Process simulation based on plant response

Gleichfalls erweiternd werden Informationen über pflanzenphysiologische Prozesse mittels Phytomonitoren (Wachstum, Photosynthese, Transpiration, Stomatabewegungen  etc.) kontinuierlich, nicht-invasiv messend, gesammelt. Aus der großen Vielfalt der Informationen und Vielzahl an Einzelmessdaten (Big-Data) müssen verdichtete Informationen erzeugt und durch modellgestützte Verrechnung Indikatorgrößen wie zum Beispiel photosynthetische Lichtnutzungseffizienz, Auslastung des Photosynthesepotenzials, photosynthetische Wassernutzungseffizienz oder Dampfkonzentrationsdifferenz generiert werden, mit denen zukünftig Entscheidungsfindungsprozesse hinsichtlich Auswahl von Kulturführungsstrategien ablaufen können.