Energieeinsparung und Effizienzsteigerung in der gärtnerischen Produktion durch LED Belichtungssysteme
Die Investitionskosten für eine LED-Belichtung sind derzeit für den Einsatz im Gartenbau häufig noch zu hoch. Die vielfältigen Vorteile gerade im Bereich der Pflanzenbelichtung, lassen aber einen zunehmenden Einsatz von LEDs erwarten. In Klimakammern sind LEDs schon heute zum Standard geworden und auch in Gewächshäusern werden in Zukunft immer häufiger LEDs die richtige Wahl für die Zusatzbelichtung sein.
Hintergrund
LEDs (lichtemittierende Dioden) haben bereits in vielen Bereichen des täglichen Lebens herkömmliche Leuchtmittel abgelöst. Nicht zuletzt aufgrund der höheren Lichtausbeute von LEDs sind Glüh- und Halogenlampen weitgehend vom Markt verschwunden. Gegenüber den auch als Energiesparlampen bekannten Kompaktleuchtstofflampen sind sie im Vorteil, weil beim Einschalten der LEDs sofort die gesamte Lichtleistung zur Verfügung steht. Zur Steigerung der Photosyntheseleistung an lichtarmen Tagen erfolgt in Gewächshäusern häufig eine Zusatzbelichtung, die sogenannte Assimilationsbelichtung. Hierfür kommen heute in der Regel Hochdruck-Entladungslampen (HID-Lampen), meist Natriumdampflampen, zum Einsatz. Diese haben ebenfalls einen hohen Wirkungsgrad, verfügen jedoch über kein optimales Spektrum für die Photosynthese. Hier sind LEDs eindeutig im Vorteil. Sie lassen sich mit fast jedem Lichtspektrum ausstatten und können an die Bedürfnisse der Pflanze optimal angepasst werden. Weitere Anwendungsfelder von LEDs in der Pflanzenproduktion finden sich in geschlossenen Kulturräumen wie z. B. Phytokammern, In-vitro-Laboren oder Indoor-Farmen. Dort ersetzen sie das natürliche Tageslicht. Zudem wirkt sich für diese Anwendungsgebiete ein weiterer Unterschied der LEDs gegenüber den Natriumdampflampen positiv aus. LEDs strahlen wesentlich weniger Wärme ab und können daher sehr nah an der Pflanze oder auch im Pflanzenbestand eingesetzt werden.
Forschungsansatz
Trotz Weiterentwicklungen und Kostensenkungen in der LED-Produktion liegen die Investitionskosten für eine LED-Belichtung noch beim Mehrfachen gegenüber Natriumdampflampen. Diese werden selbst durch Stromeinsparungen im laufenden Betrieb kaum kompensiert. Das Institut für Gartenbau der Hochschule Weihenstephan-Triesdorf erforschte in einem dreijährigen Projekt, welche Argumente trotzdem für den Einsatz von LEDs in der Pflanzenbelichtung sprechen. Das Forschungsprojekt stellte dabei folgende Fragestellungen in den Mittelpunkt: » Wie wirken sich die einzelnen Lichtspektren auf die Morphologie (Struktur und Form) der Pflanze aus? » Können verschiedene Spektren den Gehalt an Inhaltsstoffen einer Pflanze beeinflussen? » Welchen Einfluss haben verschiedene Lichtfarben auf die Bewurzelung von Stecklingen? » Welches Energieeinsparpotenzial und welchen Mehrwert besitzt eine LED-Belichtung gegenüber Natriumdampflampen?
Ergebnisse
Zur Produktion von kompakten, qualitativ hochwertigen Topfpflanzen werden häufig chemische Hemmstoffe eingesetzt, die das Längenwachstum der Pflanzen reduzieren. Für die Versuche wurden Topf-Sonnenblumen genutzt, da hier Unterschiede im Zuwachs und beim Blütenbeginn unmittelbar erkennbar sind. An dieser Modellpflanze sollte gezeigt werden, wie sich der Einfluss von LED-Licht verschiedener Wellenlängen auf das Höhenwachstum auswirkt und ob ein Verzicht oder zumindest eine Reduktion von chemischen Wachstumsregulatoren möglich ist. Die verschiedenen Belichtungsvarianten zeigten zum Teil große Unterschiede bezüglich Pflanzenhöhe, Frischgewicht und Frühzeitigkeit. Am kompaktesten wuchsen die Sonnenblumen, die mit roten LEDs (660 nm) belichtet wurden. Blaues Licht (450 nm) führte zu verstärktem Längenwachstum. Gleiches gilt für dunkelrotes Licht (730 nm), das für das menschliche Auge kaum mehr sichtbar ist, jedoch das Phytochrom-System der Pflanze beeinflusst. Die besten Qualitäten erzielte man mit LEDs, die neben einem Rot- und Blauanteil auch einen Weißanteil besaßen (Abb. 1 und 2).
Rosmarinsäure gehört zur Stoffklasse der Polyphenole. Als Antioxidant wird ihr eine gesundheitsfördernde Wirkung zugeschrieben. Sie ist auch in Basilikum enthalten, eine der Hauptkulturen in der Topfkräuterproduktion (Abb. 3). Ein Versuch in einer Dunkelkammer ohne natürliches Tageslicht zeigte, dass mit steigendem Rotlichtanteil auch der Gehalt an Rosmarinsäure anstieg. Diese Erkenntnis könnte in Zukunft beispielsweise in der hochintensiven Produktion in Mehrlagenkulturen Anwendung finden.
In einem weiteren Teilprojekt wurde nachgewiesen, dass eine Zusatzbelichtung mit LEDs die Bewurzelung von Poinsettien-Stecklingen fördert und beschleunigt. Das Wurzelwachstum konnte durch die LED-Belichtung verbessert werden, wobei das verwendete Spektrum entscheidend ist. Mischlicht (rot-blau-weiß) erbrachte die besten Ergebnisse, eine ausschließlich blaue Belichtung schnitt signifikant am schlechtesten ab (Abb. 4). Begleitende Assimilationsmessungen zeigten, dass in den ersten sieben Tagen nach dem Stecken keine Photosynthese stattfindet. In diesem Zeitraum kann auf eine Zusatzbelichtung verzichtet werden, ohne negative Auswirkungen auf die Bewurzelung befürchten zu müssen.
Publikationen
Promotionen
Regulating plant morphology and physiology with LED lighting
- Promovierende Person
- Dr. Thomas Schwend
- Forschungsschwerpunkt
- Umweltvorsorge
- Zeitraum
- 01.09.2013 – 01.06.2017
- Wissenschaftlich betreuende Person (HSWT)
- Prof. Dr. Heike Susanne Mempel
- Einrichtung
-
Fakultät Gartenbau und Lebensmitteltechnologie
Standort Straubing für nachhaltige Ressourcennutzung - Wissenschaftlich betreuende Person (extern)
-
Prof. Dr. Uwe Schmidt
Humboldt-Universität zu Berlin
