Prof. Dr. Hans-J. Tantau

LED-Belichtungssysteme mit PAR (Photosynthetic Active Radiation) zur Effizienzsteigerung von pflanzlichen in vitro und in vivo Kulturverfahren. 

Kooperationspartner: Bock Bio Science GmbH, Bremen
Bearbeiter:  Dr. rer. hort. Thorsten Bornwaßer
Förderung:  BMELV, BLE

Laufzeit: bis 30.03.2011

PDF der Dissertation

Gesamtziel des Vorhabens
Zielsetzung des Projektes ist die Entwicklung und Erprobung von LED-Belichtungssystemen zur Senkung des Energieverbrauchs, zur Erhöhung der Flächeneffizienz und damit zur Steigerung der Energieeffizienz pflanzenbaulicher Kulturverfahren unter künstlichen und natürlichen Bedingungen.

Abstract:

 Die Belichtung von In-vitro-Kulturen in Kulturräumen stellt einen hohen Anteil des Energiebedarfs in den Kulturräumen dar. Als Möglichkeit zur Energieeinsparung wurde die Energieeffizienz (µmol W-1 s-1) eines konstruierten Belichtungssystems mit Hochleistungs-LEDs (HL-LEDs), mit den HL-LED-Typen Royalblau, Rot und Kaltweiß, als Alternative zu der konventionell genutzten Leuchtstofflampe untersucht. Für die Umsetzung wurden zuvor die Photonenflussausbeute und der Wirkungsgrad der einzelnen HL-LED-Typen bei Betriebsbedingungen mit steigenden Betriebsstromstärken und Sperrschichttemperaturen auf Basis der PAR herausgearbeitet und die spektralen Veränderungen unter diesen Bedingungen untersucht. Gegenüber einer Leuchtstofflampenbelichtung konnte die Energieeffizienz eines HL-LED-Belichtungssystems bei gleicher durchschnittlicher PPFD auf der zu belichtenden Fläche und gleichem Etagenabstand (300 mm) von 0,43 µmol W-1 s-1 bei einer einfachen Leuchtstofflampe und bis 0,68 µmol W-1 s-1 bei einer Leuchtstofflampe mit integriertem Reflektor auf 0,83 µmol W-1 s-1 gesteigert werden. Ein weiterer Vorteil entsteht durch den geringeren Bedarf an Kühlenergie zur Regulierung der Raumtemperatur im Kulturraum. Unter Berücksichtigung der generell bei LED-Belichtungssystemen möglichen Etagenabstandsänderung, aufgrund der kompakten Bauweise und der starken Reduzierung der zur Pflanze gerichteten Wärmestrahlung (Wu et al., 2003; Barta et al., 1992; Buta et al., 1991), konnte die Energieeffizienz auf 1,16 µmol W-1 s-1, bei einer gleichzeitig homogeneren durchschnittlicheren PPFD-Verteilung gegenüber einer Leuchtstofflampenbelichtung, erhöht werden. Neben einer Energieeffizienzsteigerung bieten LEDs und HL-LEDs den Vorteil, dass das Emissionsspektrum dieser Belichtungssysteme, durch die dynamischen Einstellmöglichkeiten der Strahlungsqualitäten über eine entsprechende Ansteuerung der LEDs, den Pflanzenbedürfnissen angepasst werden kann (Nhut und Nam, 2010; Morrow, 2008). Mit dem entwickelten HL-LED-Belichtungssystem wurde die Pflanzenentwicklung mehrerer Kulturen unter unterschiedlichen Strahlungsqualitäten untersucht. Dabei konnte keine Präferenz der Kulturen auf eine einzige HL-LED-Variante festgestellt werden. Sie reagierten artspezifisch und teilweise sogar sortenspezifisch. Abgesehen von den derzeit sehr hohen Investitionskosten, welche einen ökonomisch sinnvollen Einsatz noch fragwürdig erscheinen lassen, sind HL-LED-Belichtungssysteme mit ihren Vorteilen gegenüber konventionellen Belichtungssystemen eine innovative und zukunftsträchtige Belichtungsmöglichkeit in der In-vitro-Kultur.

Energieeffizienz verschiedener Belichtungssysteme bei unterschiedlichen Etagenabständen. Leuchtstofflampen-Belichtungssysteme: LSL: Philips Master TL-D 58W 840, LSL + Reflektor: Master TL-D 58W 840 mit Reflektor, LSL Reflex: Philips Master TL-D Reflex 58W 840. HL-LED-Dichte: 24, PPFD-Verhältnis: Rot zu Blau von 7:3 (RB 7:3) und 3:7 (RB 3:7) und Rot zu Weiß von 1:1 (RW 5:5). Unterschiedliche Buchstaben weisen auf einen statistischen Unterschied hin (Holm-Sidak-Methode, n = 15, α = 0,05).