VV02 94-99
14-02-2008
12:25
glastuinbouw
Roel Brand
Pagina 94
In 2020 telen zonder fossiele brandstoffen
Energie in glastuinbouw, beeld van de toekomst
De Nederlandse glastuinbouw is een belangrijke gebruiker van energie. Zo’n 10 procent van de Nederlandse gasconsumptie is toe te wijzen aan deze sector. Circa 12.000 bedrijven gebruiken gemiddeld zo’n 10.000 GJ/ha aan energie, hoofdzakelijk voor verwarming en verlichting, om onder glas hoog kwalitatieve producten te telen. De ambitie is om in 2020 te telen zonder gebruik van fossiele brandstoffen.
Economische belangen voeren in de glastuinbouw net als elders de boventoon. Niet alleen de kwaliteit, maar ook het tijdstip waarop een teelt beschikbaar is, speelt een belangrijke rol in de opbrengsten voor de teler. En op een steeds internationaler wordend speelveld moet snel kunnen worden gehandeld. Soms is het zelfs noodzakelijk extra energie te gebruiken om de concurrentie het hoofd te kunnen bieden. In deze tijd, waarin de noodzaak tot reductie van CO2uitstoot sterk in de belangstelling staat, staat de glastuinbouw in Nederland daarom voor enorme uitdagingen. Zelfs bij een stabilisering van de omvang van telen onder glas is het duidelijk dat er op dit terrein wat moet gebeuren. Dat besef leeft ook in de sector. De glastuinbouw heeft zichzelf daarom ambitieuze doelstellingen opgelegd: ‘In 2020 telen zonder fossiele brandstoffen en netto energie leveren’. Maar hoe kan dat langetermijndoel worden bereikt? Daarvoor moet eerst worden gekeken naar het proces en zijn behoeften. Vervolgens naar hoe installaties daarin verbetering kunnen brengen.
HET
PROCES
Bij het gebruik van energie staat de klimaatbehoefte van de teelt centraal. De essentiële klimaatfactoren in een kas zijn niet alleen temperatuur en vochtigheid, maar ook licht en CO2. De behoeften of niveaus verschillen daarbij per teelt. Zo vraagt het telen van komkommers overdag een hogere binnentemperatuur dan het telen van tomaten. En bij de productie van sla wordt een hogere luchtvochtigheid toegelaten dan bijvoorbeeld bij komkommerteelt. Overdag wordt door de teelt CO2 opgenomen en worden, onder invloed van licht, assimilaten gemaakt en wordt de CO2 opgeslagen. ’s Nachts komt de CO2 weer vrij door het ‘ademen’ van de plant. De groeiperiode is bepalend voor de teeltopbrengst. Daarom levert verlenging van de daglichtperioden door kunstlicht een belangrijke bijdrage aan het elektriciteitsgebruik van een kas. Hoewel geen sprake is van een ‘standaardkas’ geeft de energiebalans een aardig beeld van de energiestromen die gemoeid zijn met het verzorgen van de gewenste klimaatcondities (afbeelding 2).
94
februari 2008
vv+
Voor een gemiddelde tomatenkas bijvoorbeeld, wordt op jaarbasis zo’n 1.500 MJ/m2 aan warmte gesuppleerd (inclusief elektra). Dat is circa 45 aeq/m2 en komt boven op de inkomende zonnestraling van zo’n 2.800 MJ/m2. De verwarmingsenergie wordt hoofdzakelijk toegevoerd met een gasgestookte installatie. Die levert warmte aan de kas met een warmwatersysteem via buizen. Bij belichting draagt de warmte van lampen hieraan ook bij. Het leeuwendeel van de totale energieproductie heeft plaats via ketels of, waar veel kunstlicht voor belichting nodig is, via wkk’s. Het grootste aandeel van de totale input gaat verloren via het kasdek (bijna 4.000 MJ/m2). De gevel en de bodem verliezen samen ook nog circa 250 MJ/m2. Het verlies door het kasdek gebeurt deels door transmissie en deels door ventilatie (via het open raam). Verliezen treden tijdelijk ook op in (warme) perioden wanneer er geen toevoer van energie nodig is. Bij het openen van de kasramen om de temperatuur te verlagen of het vochtgehalte, gaat CO2 verloren. Dit is echter een belangrijke component voor de assimilatie in de plant. Dus moet het niveau worden aangevuld en dat gebeurt dan met CO2 uit rookgassen van de ketels of van wkk of door een CO2-doseerinrichting. In het geval van CO2-levering vanuit de rookgassen moet dus warmte worden geproduceerd op momenten dat die niet nodig is om de kas te verwarmen en dus niet nuttig kan worden gebruikt. Omdat de vraag naar fossiele energie hoofdzakelijk loopt via de klimaatinstallaties, moeten daar ook de belangrijke oplossingen worden gevonden. Maar niet alleen daar. Laten we het huidige systeem van kasklimatisering nog eens zorgvuldig nalopen langs de lijnen van de Trias Energetica. Hierbij kijken we achtereenvolgens naar toekomstige mogelijkheden om: • de procesbehoefte te reduceren door de systeemverliezen terug te dringen; • de gereduceerde energiebehoefte zoveel mogelijk duurzaam op te wekken; • de opwekkers voor de (dan nog resterende fossiele) energiebehoefte zo efficiënt mogelijk te maken.
VV02 94-99
14-02-2008
12:25
Pagina 95
1. Deze situtie mag al niet meer bestaan. Te veel energie via de voordeur naar buiten is uit den boze.
ingaand
ondernet
uitgaand gewas bodem gevel
CO2
bovennet
zon
dekventilatie
2. Energiebalans van een kas.
REDUCEREN
VAN DE PROCESBEHOEFTE
Terugdringen van de systeemverliezen kan via een aantal sporen lopen. De planteigenschappen Een eerste en belangrijke route is het telen van energiearme rassen. Hiervoor zijn ontwikkelingen op plantfysiologisch gebied nodig. Dergelijke ontwikkelingen zijn in volle gang. Ze vallen buiten het bestek van dit artikel, maar zo’n ontwikkeling geeft wel aan dat op alle fronten ernst wordt gemaakt met de aanpak van het energiegebruik in de glastuinbouw. En het leert ons dat toekomstige systemen voor klimatisering ook op dit soort ontwikkelingen zullen moeten anticiperen. De gesloten kas Eén van de belangrijkste concepten waarmee verder invulling zal moeten worden gegeven aan de doelstellingen, is dat van de ‘gesloten kas’. Immers, de op jaarbasis bij een kas in te vangen zonnestraling is hoger dan de behoefte aan energie voor het bijstoken in de winter. Nu gaat die input geheel verloren via ventilatie en door transmissie. Maar door opslag kan ’s zomers de warmteoogst in de winterperiode worden ingezet voor verwarming die anders met fossiele brandstoffen moet worden geleverd. Een eventueel surplus kan zelfs worden gebruikt om de energiebehoefte in de nabije omgeving te dekken, mits de technische mogelijkheden en condities daarvoor aanwezig zijn.
dektransmissie
Buffering Buffering van energie op momenten van overschot voor perioden met energievraag wordt al redelijk veel toegepast in de glastuinbouw. De belangrijkste drijfveer daarvoor is de behoefte om CO2-productie door een ketel of wkk los te koppelen van de momentane energiebehoefte. De buffering gebeurt nu dus nog meestal op basis van het sluiten van een dag/nachtcyclus of een periode van hooguit enkele etmalen. Maar omdat de input van zonne-energie op jaarbasis groter is dan de nog toe te voegen verwarmingsenergie, biedt seizoensbuffering een essentiële mogelijkheid de energiebehoefte van het proces terug te dringen. Momenteel wordt in de huidige pilotsystemen met een gesloten kas de ingevangen zonnewarmte via lucht-waterwarmtewisselaars overgedragen aan het bodemopslagsysteem (meestal een aquifer). Met een warmtepomp wordt de zo opgeslagen warmte in de winterperiode op het gewenste temperatuurniveau gebracht. Deze route betekent wel dat het elektriciteitsgebruik toeneemt. Verwarmingsinstallaties In conventionele kassen wordt de temperatuur van de lucht met buissystemen op voldoende niveau gebracht en gehouden. Wanneer het verwarmend oppervlak daarvan zou worden vergroot, kan de pompenergie worden teruggebracht. Een groter uitwisselend oppervlak is ook gunstig bij de inzet van warmtepompen en brengt verwarmen in een laagtemperatuurregime dichterbij. Momenteel wordt al in de huidige pilotsystemen van een gesloten kas de ingevangen zonnewarmte via lucht-waterwarmtewisselaars overgedragen aan het klimatiseringssysteem. Omdat de warmtewisselaars geen licht mogen wegvangen (1 procent lichtreductie betekent ongeveer 1 procent teeltreductie) heeft de uitwisseling van de warmte plaats onder teeltniveau, dus bij de bodem van de kas. De warme lucht moet daarvoor vanuit de nok van de kas naar beneden worden gebracht. Dat betekent dat de overdracht dan met kleine temperatuurverschillen – dus op een laagwaardig niveau – moet plaatshebben. De temperatuurbehoefte in de kas moet ofwel worden gedekt met laagwaardige warmte of een warmtepomp moet voor hogere temperaturen zorgen. Vochthuishouding Door de vochtproductie via de teelt zal, bij een gelijkblijvende temperatuur in een ‘normale’ kas en zonder ingrijpen, de relatieve vochtigheid kunnen oplopen tot ongewenst hoge waarden. Dit kan ongewenste condensatie op de teelt februari vv+
2008
95
VV02 94-99
14-02-2008
12:25
Pagina 96
ventilatie
transmissie
uitwisselen
belichten
verdampen
fossiel
duurzaam
koelen
buffering
3. De kas als energiesysteem.
(het ‘natslaan’) veroorzaken, omdat planten bij opwarming na de nacht qua temperatuur na-ijlen. Het vochtgehalte is ook een belangrijke parameter voor groeioptimalisatie. Het vochtgehalte moet dus vanuit verschillende invalshoeken worden beheerst. Om het vochtgehalte binnen het maximaal toelaatbare niveau te houden wordt tot nu toe de kas geventileerd door ramen in het kasdek te openen. De menging met de lucht onderin de kas is dan echter beperkt. In plaats daarvan kan lucht van onder de teelt worden toegevoerd en in de richting van de deklaag van de kas worden gestuurd. De verdeling van de luchtstroom in de kas met een egale vochtigheid of opnamemogelijkheid wordt door de jetwerking verbeterd. Bij het openen van ramen verdwijnt weliswaar nog steeds lucht uit de kas, maar de efficiëntie van de vochtreductie is bij deze impulsventilatie groter. Daardoor treedt energiebesparing op ten opzichte van een conventioneel systeem van luchten. Met een gesloten kas wordt op het punt van beheersing van de vochthuishouding een extra probleem geïntroduceerd, omdat het vocht nu niet meer via de dekramen wordt afgevoerd. Dit moet in dit geval gebeuren door vocht uit te koelen. In de zomerperiode kan daarvoor de warmtepomp worden ingezet of andere energiezuinige systemen. Omgevingsverliezen Een eerste logische stap is toepassing van licht- en energieschermen, waarmee de transmissie naar buiten wordt teruggedrongen. Vooral in koudere nachtperioden is het mogelijk de verliezen te reduceren door energieschermen te gebruiken die tevens de lichtdoorlaat naar buiten nagenoeg afsluiten. Ook als het gesloten kasconcept nog niet wordt gehanteerd, is het logisch dat telers de procesverliezen proberen te verminderen door bouwkundige verbeteringen. Bijvoorbeeld door een aangepast kasdek met betere isolatiekenmerken en met behoud van de lichtdoorlatendheid, die van wezenlijk belang is voor de productie. TNO ontwikkelt momenteel, samen met Climeco en Maurice
96
februari 2008
vv+
Kassenbouw, een ‘flow-kasdek’. Het kasdek is opgebouwd uit kanaalplaten waar continu water met een regelbare hoeveelheid gecoate deeltjes circuleert. Normaal gesproken brengt de acrylaatkanaalplaat door zijn dubbele laag de lichtopbrengst terug. Door het water verbetert de ongewenste lichtonderschepping echter en krijgt het dek een lichttransmissie vergelijkbaar met gewoon glas. Met alleen water is met het flow-kasdek 25 ºC te oogsten. Met toevoeging van bijvoorbeeld kopersulfaat of gecoate deeltjes is dat niveau te verhogen naar zo’n 45 ºC. Omdat dan, bij dezelfde energiedoorzet, veel minder water moet worden verpompt, kunnen warmtewisselaars compacter en goedkoper zijn. Water van die temperatuur moet dan bijvoorbeeld wel in aquifers worden opgeslagen die dieper zijn gelegen dan 250 m. Voor de wat ondiepere ondergrond gelden namelijk vergunningsregels die het temperatuurniveau en de warmtebalans van de bodem limiteren. Voor opslag van water met hogere temperaturen moet wel de wat diepere ondergrond beter in kaart worden gebracht. Verlichting Voor plantengroei is licht een vereiste. Daglicht is goedkoop, maar vanuit tuindersperspectief niet voldoende voorhanden, zeker niet in de winterperiode. Verlenging van het daglicht is dus gunstig voor de opbrengsten van de teelt. Daarom wordt meestal bijgelicht. Planten gebruiken maar een beperkt deel van het lichtspectrum (400 – 700 nm) voor groei, het zogenoemde groeilicht. De straling buiten dat spectrum vormt hoofdzakelijk warmte. De huidige generatie natriumlampen is op het spectraal-selectieve aspect al sterk ontwikkeld. Bijlichten gebeurt juist in de donkere, lees koudere, perioden. De overtollige warmte bij dit type lampen is echter moeilijk te benutten, omdat deze warmte vrij diffuus is en in de nok van de kas aan de lucht wordt afgestaan. Ook op het gebied van licht en verlichting kunnen de ontwikkelingen echter snel gaan. Verkenning van de mogelijkheden tot verlichting met led’s (light emitting diodes) is aan een stevige opmars bezig. Het specifieke energiegebruik is al bijna concurrerend met de nagenoeg uitontwikkelde natriumlampen in de kas. Voordelen en perspectieven van de led-verlichtingstechniek geven echter aan dat de warmteontwikkeling op termijn nog kan worden teruggebracht en dat deze eenvoudiger kan worden afgevoerd. Door de afmetingen van deze lichtbronnen kan licht beter, dichter en gerichter bij de teelt worden gebracht. Ook hier kan spectraal-selectief licht worden aangeboden bij een verlengde levensduur.
VV02 94-99
14-02-2008
12:25
Pagina 97
lucht
CO2 water
MeO ketel met metaal korrel bed
MeO Me Me
Processturing De huidige installaties hebben een centrale aansturing. De kosten van meting zijn namelijk nog te hoog om over het gehele kasoppervlak alle informatie continu beschikbaar te hebben. Door de beperkte mogelijkheden is de klimaatsituatie in de kas daardoor niet uniform, maar vertoont zowel horizontale als verticale gradiënten. Het gevolg is dat het voorkomen van de ongunstigste condities de sturing van het klimaat voor de gehele kas bepaalt. Door de klimatisering meer lokaal te kunnen leveren en sturen, kan efficiënter worden geteeld. Een dergelijke optimale processturing vraagt dus goed regelen op basis van goed meten.
DUURZAME
OPWEKKING
Biobrandstoffen bieden een mogelijkheid de warmte – al of niet geleverd door een wkk – op een CO2-neutrale manier te leveren. Door inzet van wkk’s wordt, ten opzichte van gescheiden afname van gas en elektriciteit uit het net, al nuttig gebruikgemaakt van de warmte die bij elektriciteitsproductie vrijkomt. Omdat het economisch vaak aantrekkelijk is elektriciteit te produceren in piekuren, werkt dit onnodig energieverlies aan de warmteleveringskant in de hand. Dit is niet altijd via buffering te compenseren. Het gebruik van aardwarmte uit de diepere ondergrond als energiebron voor glastuinbouw wordt ook bestudeerd. Maar deze vorm zal alleen de behoefte aan fossiele energie voor warmteproductie terugdringen. En bij een gesloten kasconcept verschuift de energievraag juist van gas naar elektriciteit. Voor verduurzaming van de vraag naar elektriciteit zijn we overigens niet afhankelijk van de realisatiemogelijkheden bij de kas zelf. Opwekking van groene stroom is immers niet strikt gebonden aan de locatie van de tuinder. Wat dat aangaat zijn de voorgenomen ontwikkelingen om het glasdek te voorzien van grotendeels transparante zonnecellen niet strikt noodzakelijk.
warmte
gas
lucht (zuurstof arm) reductie
oxidatie redox
4. Het concept van de hot CO2-techniek.
laten verlopen. Er wordt dan ofwel tijdens reductie van metaaloxide CO2 (en water) gevormd, ofwel tijdens oxidatie wordt warmte geleverd die in het metaalbed is gebufferd. Omdat deze techniek zich ook leent voor inzet van biomassa kan ook voor een deel invulling worden gegeven aan de tweede stap in de eerdergenoemde Trias Energetica. Het koelen van kaslucht in de zomer met luchtbehandelingskasten is relatief duur. Door de kleine temperatuurverschillen moet veel water en lucht worden verplaatst. Daaraan zit niet alleen een fors prijskaartje voor transportenergie. Het hoge elektriciteitsgebruik drukt indirect natuurlijk ook op de CO2-uitstoot. Een mogelijkheid is om in de luchtbehandelingskast een tussenwarmtewisselaar te plaatsen. Die hergebruikt kou uit de al gekoelde lucht om aangevoerde warme lucht af te koelen. In de huidige luchtbehandelingskasten gebeurt dat niet. Nu wordt nog de volledige afgekoelde luchtstroom na ontvochtiging weer opgewarmd. En dat kost redelijk wat energie. Vooral bij ontvochtiging van de kas kan zo’n tussenwarmtewisselaar nogal wat energiebesparing opleveren. Een andere mogelijkheid is het koelen via de zogenoemde verdampingskoeling. De energie-input voor adiabatische koeling is namelijk gunstig ten opzichte van andere vormen van koeling. Maar bij een dergelijke optie moet wel zorgvuldig rekening worden gehouden met het beheersen van het vochtgehalte in de kas.
EN
DE VERDERE TOEKOMST?
en Glastuinbouw hebben de brede expertise gebundeld op diverse met elkaar samenhangende werkvelden die in de glastuinbouw van belang zijn: arbeid, energie en milieu, ICT en kasconstructies. Rekeninghoudend met de onderlinge samenhang ziet TNO op energiegebied een aantal ontwikkelingen. Het concept van een gesloten kas sluit volledig aan op de doelstellingen van de sector, maar ook op de ontwikkelingen die nationaal nodig zijn voor verduurzaming van de samenleving. Het is dus de eerste en de belangrijkste stap om dit concept met goede en bedrijfszekere techniek te implementeren in de sector. Seizoenbuffering is daarbij de standaard. Meer en goedkopere technieken zijn een must. TNO
EFFICIËNTE
OPWEKKERS
De huidige opwekkers van warmte en CO2 bestaan al hoofdzakelijk uit aardgasgestookte wkk’s of uit ketels, beide systemen met rookgascondensors. Daarbij wordt veelvuldig gebruikgemaakt van dag-nachtbuffering van warmte om de productie van CO2 los te koppelen van de opwekking van warmte. In de toekomst zal wellicht de ‘hot CO2’-techniek een mogelijkheid zijn bij opwekking de beschikbaarheid van CO2 los te koppelen van de warmteproductie. Daarbij is het mogelijk in een ketel met een metaalkorrelbed een redoxreactie te
februari vv+
2008
97
VV02 94-99
14-02-2008
12:25
Pagina 99
De buffers moeten worden gevoed vanuit efficiënte warmtewisselaars. Warmte oogsten uit de zon zal moeten worden gericht op een hoogwaardiger temperatuurniveau. Dat kan worden bereikt door warmte te oogsten van of net onder het kasdek. Dit om de grote hoeveelheden transportenergie die bij lage temperatuurverschillen nodig zijn, het hoofd te kunnen bieden. Maar ook omdat het, naarmate de warmte laagwaardiger is, onaantrekkelijker wordt deze bijvoorbeeld als bron voor woonwijken te laten fungeren. Gebouwen (nieuwbouw) aanpassen op laagtemperatuurverwarming is duur(der), maar loopt wel parallel aan de tendens naar een steeds lagere energieprestatiecoefficiënt. Hoewel deze ontwikkeling nog traag zal verlopen, zullen daarom gebouwen in de toekomst eerder worden gebouwd met laagtemperatuurverwarming (vloerverwarming, wandverwarming).
OVERLEVINGSKANSEN Voor de overlevingskansen in een sterker wordende (internationale) concurrentie zal de glastuinbouw, meer nog dan voorheen, tegelijkertijd moeten kunnen inspelen op specialisatie en op teeltopbrengst op het juiste, markttechnisch aantrekkelijkste moment. Behalve een logistieke uitdaging zal dit van installaties vragen dat ze ontwikkelen in het kunnen leveren van microklimatisering: het geconditioneerd leveren van licht, vocht, temperatuur en CO2 bij de plant. Dit is ook noodzakelijk vanuit de optiek dat klimatisering moet anticiperen op ontwikkelingen van laagenergieteeltmateriaal. Het kan betekenen dat de nu nog centrale installaties worden gedecentraliseerd in een kas. Dit komt de vereiste flexibiliteit ten goede. Maar zo wordt het proces, en dus de procesregeling, gecompliceerder. Daarvoor is het nodig volop aandacht te besteden aan de ontwikkeling van systemen voor gedetailleerde informatiestromen via sensoren, die inzicht geven in de gradiënten over het kasareaal. Van daaruit kan de sturing op lokaal niveau in de kas plaatshebben. Vochtbeheersing is een essentieel punt in het concept van de gesloten kas. Installaties moeten dit op een energie-efficiënte manier kunnen doen. Koeling in combinatie met vochtbalancering lijkt een eerste voor de hand liggende optie. Daarbij, maar eigenlijk in alle gevallen, blijft het van belang oog te houden voor integratie en koppeling van functies.
DUURZAAM
moeten we ons bij de technologieontwikkeling rekenschap geven van impact op economie en maatschappij. Vanuit het perspectief van de tuinder of van nuttig energiegebruik, is een verhoging van de productiecapaciteit één van de methoden om het specifieke energiegebruik te laten dalen. Zoiets gebeurt al bij meerlagenteelt met extra kunstlicht. In absolute zin verandert het gebruik dan echter nog niet. Het is de vraag of die tweede situatie kan worden gehandhaafd. Voor de inzet van het hoogwaardige, maar schaarser wordende aardgas komen we op termijn immers voor een keuzevraagstuk te staan. De schaalvergroting bij kascomplexen zal doorzetten. Want in een maatschappij met verdergaande privatisering vereenvoudigen grotere spelers het maken van aantrekkelijke deals. Maar om grote kascomplexen haalbaar te laten blijven zijn de mogelijkheden van ruimtelijke inpassing in een land met ruimtegebrek, van groot belang. Het gebruik van de kas als aanvullende energiebron voor bijvoorbeeld woningbouw of utiliteit, vereist dat de afstanden tussen bron en afname zo klein mogelijk moeten zijn om de infrastructuur economisch rendabel te maken. Daar waar dit haalbaar lijkt, krijgt het succesvol inzetten van de gesloten kas een sociale dimensie vanwege de visuele acceptatie van de kas in het woon-werklandschap. Misschien verschuift op termijn de teelt onder glas wel naar meerlagenteelt in een ‘gesloten gebouw’ met hoge isolatiewaarde en energiezuinige kunstbelichting uit duurzaam opgewekte stroom. Op die manier zijn we minder afhankelijk van de wisselende externe klimaatomstandigheden die nu de belangrijkste stoorsignalen op het gewenste kasklimaat vormen. Van de professionele ‘orangerie’ naar een ‘groen flatgebouw’ met grotere levensduur, goed inpasbaar in de gebouwde omgeving en waarvan de installatie, in een aantrekkelijke balans met die gebouwde omgeving, aan efficiëntie wint. Dit betekent ook dat een nieuwe generatie installaties moet ontstaan, die is afgestemd op de nieuwe (teeltafhankelijke) energiebalans van een kas. Er is nog een lange weg te gaan en verbeteringen worden nog vaak stapsgewijs doorgevoerd. Dit is begrijpelijk, omdat de bedrijfsrisico’s moeten worden geminimaliseerd. Maar een innovatieve houding kan ervoor zorgen dat in de tuinbouwsector een gezonde groei mogelijk is en dat duurzaam produceren samengaat met economische groei.
ONDERNEMEN
De ontwikkelingen in en voor de glastuinbouw reiken verder dan alleen de hierboven genoemde technologische tendensen. Vanuit het oogpunt van duurzaam ondernemen
Auteur Roel Brand, TNO Bouw en Ondergrond
februari vv+
2008
99
