Technologietransfer zur Entwicklung eines
energieeffizienten Solargewächshauses

Das Gesamtziel des Vorhabens besteht in der Entwicklung des funktionalen Prototyps eines energieeffizienten Solargewächshauses mit einer Stahl-Leichtbaukonstruktion, das für den ganzjährigen Anbau von Obst, Gemüse und / oder Zierpflanzen sowie zur Nutzung der Energieversorgung von Wohngebäuden konzipiert ist. Ein integraler Bestandteil des Projekts ist das innovative Energiekonzept, basierend auf einer Kombination von Photovoltaik und Solarthermie.

Hierfür wurde zwecks Abgleiches des internationalen Stands der Wissenschaft und Technik mit den angestrebten innovativen Lösungsansätzen (Funktionalitäten und technischen Parametern) im Rahmen des Projektes eine Recherche mit elektronischen Datenbanken und dem Internet durchgeführt. Diese ergab, dass ein Gewächshausaufbau, wie im Rahmen des Projektes angedacht (mit intelligentem Energiemanagement sowie kombinierter Photovoltaik (PV)- und Solarthermie (ST)-Nutzung durch die Kombination aus PV-Modulen und Solarthermie-Kollektoren) auf dem Markt aktuell nicht verfügbar ist. Des Weiteren konnte festgestellt werden, dass neben den Kosten für das Gewächshaus die größten Anteile an den Investitionskosten die Kosten für die Heizung sind, weshalb hierin ein besonderes Innovationspotenzial im Hinblick auf kostengünstigere und energieeffizientere Gewächshäuser liegt.

Das energieautarke Solargewächshauses, welches in unterschiedlichen Größen ausgeführt und somit zum einen kommerziell, zum anderen nicht-gewerblich (z. B. Energieversorgung von privaten Wohngebäuden) genutzt werden kann, zeichnet sich durch die regenerative Erzeugung thermischer und elektrischer Energie aus solarer Einstrahlung sowie die Einbindung der Energieströme in ein Energiemanagementsystem in Verbindung mit anforderungsgerechten Speicher- und Verwertungstechnologien, mit dem Ziel des energieeffizienten ganzjährigen Anbaus von Obst und Gemüse bei minimalem CO2-Footprint, aus.

Der Anbau von Obst, Gemüse und / oder Zierpflanzen in Gewächshäusern ist wassereffizient, aber energieintensiv. Neben der Nutzung erneuerbarer Energiequellen wie PV, ST, Geothermie oder Biomasse gelten insbesondere verbesserte Dämmsysteme, dynamische Strategien für das Energie- und Wassermanagement sowie eine optimierte Kontrolle der Bedingungen (Temperatur, Feuchte etc.) als geeignete Strategien für nachhaltige und energieeffiziente Gewächshäuser.
Die Nutzung von Regenwasser, Aufbereitung von Restwasser, Rückgewinnung von Wasser aus Luftfeuchte wie auch der Einsatz hydroponischer Substrate mit geringerem Wasserbedarf haben sich für das Wassermanagement in Gewächshäusern etabliert.

Ein besonders vielversprechender Ansatz im Hinblick auf die Nutzung von Sonnenenergie ist der Einsatz transparenter bzw. teiltransparenter PV-Module, deren Performance in den letzten Jahren stark verbessert wurde. Sowohl eine Teilüberdachung mit PV-Modulen als auch semitransparente PV-Folien bieten hier Lösungsmöglichkeiten zur emissionsfreien Energieproduktion auf Gewächshäusern. Aufgrund der naturgemäßen Fluktuation in der Bereitstellung ist für die Nutzung erneuerbarer Energien immer eine Kombination mit Speichertechnologien notwendig. Auch in diesem Bereich gibt es aktuelle Forschungen, Entwicklungen und Potenzial zur Steigerung der Energieeffizienz. Geometrische Designfaktoren, wie z. B. die Höhe, beeinflussen die Energieeffizienz von Gewächshäusern. Höhere Gewächshäuser verfügen zwar durch den größeren und damit trägeren Luftraum über weniger Fluktuationen im Klima und weisen eine höhere Ventilationseffizienz auf, müssen allerdings einen größeren Energieverbrauch verzeichnen (im Vergleich zu geringeren Bauhöhen). Zudem tritt ein Energieverlust über die Betonfundamente auf, sodass auch im Bodenbereich eine Wärmedämmung zur Verbesserung der Energieeffizienz beitragen kann (1).

Einige der großen, überwiegend in den Niederlanden ansässigen Gewächshaushersteller (2) bieten bereits Gewächshäuser im Industriemaßstab mit integrierten PV-Anlagen an. Auch für Solargewächshäuser im kleineren Stil sind Komplettlösungen verfügbar. Zudem existieren einige Forschungsprojekte zu solaren Gewächshäusern. Allerdings spielt in allen recherchierten Anwendungsbeispielen für Solargewächshäuser immer nur die PV-Nutzung eine Rolle. Insgesamt wird nur ein geringer Anteil an erneuerbaren Energien für den Betrieb von Gewächshäusern verwendet. In den Niederlanden werden beispielsweise 81 % aller Gewächshäuser mit Erdgas beheizt, nur 7,3 % nutzen erneuerbare Energien.

Da dies langfristig nicht zukunftsfähig und tragbar ist, sind Strategien für nachhaltigere und energieautarke bzw. energieeffizientere Gewächshäuser notwendig. Grundsätzlich besteht durch Nutzung von Kraft-Wärme-Kopplung (KWK) in Blockheizkraftwerken (BHKW) mit Erdgasverbrennung nach dem Stand der Technik eine energetisch vertretbare Lösung mit guten Wirkungsgraden. Die aktuelle Energiekrise erfordert jedoch ein Umdenken auf alternative Energiequellen. Solarenergie bietet hier das Potenzial zur langfristigen Unabhängigkeit von Versorgungsträgern.

Die gleichzeitige Nutzung von PV und ST in teiltransparenten Kombimodulen für Gewächshäuser in Kombination mit einer innovativen Energiemanagementstrategie ist bisher nicht bekannt.