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Samstag, 29.07.2017
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Hybrides Gewächshaus liefert Strom und spart Wasser

Erdwärmegekoppeltes und stromerzeugendes Envelope-Gewächshaus spart Ressourcen

Ob Tomaten, Bohnen oder Blumen – in Gewächshäusern gedeihen Pflanzen unabhängig von den Jahreszeiten. Doch der Preis dafür ist hoch: Im Sommer heizen sich die Glashäuser auf und müssen aufwändig gekühlt werden, im Winter hingegen reicht die Sonneneinstrahlung meist nicht aus, so dass zugeheizt wird. Dieses Dilemma könnte nun ein neuer Typ Gewächshaus beenden. Denn durch den kombinierten Einsatz von Solartechnologie und Erdwärmespeicher muss keine zusätzliche Energie mehr von außen zugeführt werden und man spart zugleich jede Menge Wasser.
Gewächshaus

Gewächshaus

Allein im sonnigen Spanien sind über 30.000 Hektar mit Gewächshäusern bebaut, in Japan sind es sogar über 50.000 Hektar. Dies entspricht zusammen immerhin der Fläche Hamburgs. Um die Temperaturen auch im Winter für die Pflanzen konstant zu halten, sind in der Regel pro Quadratmeter Fläche und Jahr zwischen 300 bis 500 kWh thermische Energie erforderlich. Im Sommer hingegen muss gerade in den warmen südlichen Regionen das Gewächshaus aktiv gekühlt werden, um eine Überhitzung zu verhindern. Die hierfür eingesetzte Verdunstungskühlung verbraucht allerdings bis zu 20mal mehr Wasser als die eigentliche Bewässerung – Wasserknappheit ist die Folge.

Erdwärme und Solarnutzung im Einklang


Nun haben deutsche Ingenieure ein neuartiges Gewächshaus konstruiert, das diese Energie- und Wasserprobleme umgeht: Es produziert mithilfe eines ausgeklügelten Solarsystems seinen eigenen Strom und leitet zudem überschüssigen Strom ins Netz und überschüssige Wärmeenergie ins Erdreich ab. Dadurch entfällt die aktive Wasserkühlung und die Temperaturen bewegen sich im Inneren des so genannten Envelope-Gewächshaus zwischen 20 bis 25 °C. Als besonderer Clou steht die Speicherwärme im Untergrund den Pflanzen im Winter als eine Art „Fußbodenheizung“ zur Verfügung. Zusätzliche Energiekosten entfallen oder reduzieren sich auf ein Minimum.

Fresnellinsen und Solarzellen

Fresnellinsen und Solarzellen

Die hybride Nutzung von Sonnenenergie und Erdwärmespeicher erfolgt in drei Stufen: Zunächst wird das einfallende Licht durch so genannte Leichtbau-Fresnellinsen auf fotovoltaische Konzentratorzellen gelenkt und in elektrischen Strom umgewandelt. Diese Speziallinsen befinden sich vor Wind und Wetter geschützt unmittelbar unterhalb der hochtransparenten Treibhaushülle, der Envelope. Als Besonderheit werden die Solarzellen zugleich aktiv flüssigkeitsgekühlt und erzeugen dadurch eine Nutzwärme im Temperaturbereich zwischen 40 bis 70 °C. Der diffuse Anteil des Solarspektrums durchdringt die Fresnellinsen ohne fokussiert zu werden und steht als ideale Beleuchtung den Pflanzen im Treibhaus zur Verfügung.


Fußbodenheizung für Pflanzen


Die bei der Kühlung der Solarzellen anfallende Abwärme wird mit Hilfe von Erdwärmesonden in Tiefen bis zu 100 Meter abgeführt. Dort erwärmt sich ein begrenztes Erdreich-Volumen von unter 10 °C auf circa 40 °C. Auf diese Weise ist es möglich, den Untergrund als kombinierten Geothermie-Solar-Langzeit-Wärmespeicher zu nutzen und den Pflanzen über großflächige „Fußbodenheizungen“ in der kalten Jahreszeit Wärme von 20 °C zuzuführen.

Die Sonnenenergie wird dabei optimal genutzt: Von den rund 900 W/m² einfallender Energie werden rund 800 W durch die Solarzellen abgefangen und in Form von Strom und Wärme aus dem Treibhaus abgeführt. Die restlichen 100 W stehen den Pflanzen in Form von Licht- und Wärmeenergie zur Verfügung – ausreichend für die Photosynthese und um genügend hohe Temperaturen für das Pflanzenwachstum zu gewährleisten.

„Erdwärme“ kühlt im Sommer


Gewächshaus mit Aufwindkamin

Gewächshaus mit Aufwindkamin

Doch damit nicht genug. Im Sommer lässt sich das Envelope-Gewächshaus bei Bedarf zusätzlich mithilfe der oberflächennahen Geothermie kühlen: Durch ein spezielles Rohrsystem können die kühlen Temperaturen tiefer Bodenschichten von rund 12 °C angezapft werden. Diese Boden-Klimaanlage kommt dabei ohne elektrische Hilfsenergie oder Ventilatoren aus. Denn zur Erzeugung des notwendigen Luftdurchsatzes dient ein Aufwindkamin, der die notwendige Luftwechselrate im Treibhaus erzeugt. Als kleiner Nebeneffekt lässt sich sogar Wasser aus der Abluft abtrennen und erneut verwenden.

Durch das Envelope-Gewächshaus ist es daher möglich, die Pflanzenwachstumsperiode ohne Einsatz von fossilen Energien zur Heizung oder Kühlung auf das ganze Jahr auszudehnen. Ein weiterer Vorteil ist die gezielte Rückführung von Wasser aus der Abluft in einem geschlossenen Kreislauf. Insbesondere in semiariden und ariden Gebieten könnte das Gewächshaus daher helfen, wichtige Ressourcen zu sparen und zur Stabilisierung der Lebensverhältnisse beizutragen.
(Kleinwächter, Jürgen (Sunvention GmbH); Horst Rüter (HarbourDom GmbH), 16.02.2007 - AHE)
 
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