Energiebesparing door schermen

In het Europese Interreg-project Energlik worden de contouren geschetst van een fossiel-vrije tuinbouwsector. Fossielvrije tuinbouw betekent dat het bedrijf geen aardgas of andere fossiele energiedragers meer gebruikt. Dit doel kan behaald worden door kassen met biobrandstoffen te verwarmen, geothermische energie te gebruiken of door gebruik van een elektrisch aangedreven warmtepomp. Waar er daarbij elektriciteit nodig is wordt aangenomen dat die uit duurzame bron afkomstig is. Op dit moment is dat vaak nog niet het geval, maar het aandeel van duurzaam geproduceerde elektriciteit in de totale mix groeit, en wordt op veel manieren gestimuleerd.

In allerlei onderzoeks-, demonstratie- en zelfs praktijkkassen zijn de genoemde alternatieve warmtebronnen in technische zin mogelijk gebleken, maar onder de huidige economische randvoorwaarden vanuit bedrijfseconomisch oogpunt vaak niet haalbaar. Een belangrijke reden waarom alternatieve warmtebronnen nog maar weinig worden toegepast is het wijdverbreide gebruik van Warmte-Kracht koppeling. Hierbij gebruiken tuinders aardgas voor de productie van stroom voor eigen gebruik of voor verkoop aan het openbare elektriciteitsnet. De daarbij vrijkomende warmte wordt vervolgens als goedkope warmtebron ingezet. Deze praktijk gaat echter niet samen met de uitfasering van het gebruik van fossiele brandstoffen waaraan de tuinbouw zich gecommitteerd heeft. Daardoor zal warmte in de komende jaren veranderen van een goedkoop restproduct naar een serieuze kostenpost.
Substantiële verlaging van de warmtevraag van kassen helpt de tuinbouw-ondernemers dan om de verwarmingskosten binnen de perken te houden. In het Energlik-project wordt theoretische en praktische kennis geproduceerd en gedeeld over mogelijkheden hiertoe. De belangrijkste aandachtsgebieden daarbij zijn aanpassingen aan het kasklimaat (vooral het accepteren van een hogere luchtvochtigheid), intensivering van het gebruik van bestaande schermen, het gebruik van verbeterde schermen en het gebruik van energiezuinige ontvochtigingsapparatuur.

In de praktijkproeven met Paprika, Tomaat en Komkommer kon de warmtevraag door de inzet van dubbele of zelfs driedubbele schermdoeken, een hogere luchtvochtigheid en ontvochtigingsapparatuur grofweg worden gehalveerd ten opzichte van de referentie. De referentie is dan een teelt met 1 schermdoek, wat ook nog eens minder uren gebruikt wordt. De energiezuinige tomatenteelt en komkommerteelt maakten daarbij ook nog gebruik van ontvochtigingsapparatuur op basis van een warmtepomp. Hiermee kan de kas ontvochtigd worden zonder ramen te openen of een schermkier toe te passen en wordt de latente warmte uit de overtollige waterdamp bruikbaar voor de verwarming van de kas. Daarmee kan een groot deel van de warmtevraag vanuit de warmtepomp worden ingevuld. Berekeningen geven aan dat het gasverbruik met zo’n ontvochtigingssysteem voor de onbelichte tomaat tot onder de 10 m³/(m² per jaar) teruggebracht kan worden en onder de 3 m³/(m² jaar) voor de belichte komkommerteelt. Uiteraard neemt de elektriciteitsvraag door het gebruik van een warmtepomp behoorlijk toe; tussen de 30 en 40 kWh/(m² jaar).

In een workshop op de Energiek-event van 5 november in Horst (NL) werd de bijdrage van de verschillende energiebesparende technieken die binnen Energlik worden toegepast op het totaal-effect uiteengerafeld. De presentatie is hier te downloaden.

In deze blog wordt de achtergrond van de informatie die in de workshop werd gegeven toegelicht aan de hand van de metingen in de tomatenteelt bij het Proefstation voor de Groenteteelt in Sint Katelijne Waver (PSKW).

In het afgelopen teeltseizoen, waarin het energieverbruik van de tomatenteelt in een kasafdeling met intensief schermgebruik, een hogere luchtvochtigheid en een ontvochtigingssysteem is vergeleken met een referentieteelt, werd een energiebesparing van bijna 50% gerealiseerd. De referentieteelt gebruikte 345 kWh/m² voor de verwarming en de Energlik-afdeling 174 kWh/m² voor de verwarming en 14 kWh/m² elektriciteit in het ontvochtigingssysteem.

Deze energiebesparing is het resultaat van verschillende factoren. Het aantal schermen, het soort en het gebruik verschilde, maar ook de temperatuur en vochtregeling. In onderstaande grafiek wordt het gemiddelde temperatuur-verloop over het etmaal voor de eerste 6 kalender maanden van de teelt getoond (de teelt is gestart op 17 dec). Deze 6 maanden zijn verantwoordelijk voor 2/3 van het warmteverbruik.

De temperatuur in de Energlik-afdeling is in januari en februari een beetje hoger dan in de referentie-afdeling, maar over de rest van het jaar gemiddeld genomen gelijk. De energiebesparing komt dan ook niet doordat er bij lagere temperaturen is geteeld.
Een opvallend verschil tussen het temperatuur-verloop in de referentie- en de Energlik-kas is de temperatuur-drop in de voornacht. Die is in de referentie dieper en wordt gerealiseerd door het scherm ’s avonds later te sluiten.

Naast een verschil in het temperatuur-profiel werd er ook verschillend omgegaan met de minimumbuis-instelling, vooral voor het buisrailnet (het gebruik van de groeibuis verschilde niet veel en bovendien is de warmtevraag van de groeibuis maar een klein deel van het totale warmtevraag (ongeveer 60 kWh/m² per jaar)).
Voor het buisrailnet werd in de referentie-afdeling de hele winterperiode een minimum­temperatuur van 30 °C ’s nachts en overdag 40 °C. In de Energlik-afdeling werd alleen in de eerst maanden vanaf middernacht een minimumbuistemperatuur van 30 °C op het ondernet aangehouden die ’s ochtends , na zonsopgang werd afgebouwd. En vanaf april, toen het ontvochtigingssysteem geïnstalleerd was, werd er helemaal geen minimumbuistemperatuur meer in het ondernet gebruikt.
Een opvallend groot verschil in de klimaatsturing van de Energlik -afdeling in vergelijking met de referentie-afdeling is te zien in de luchtvochtigheid. Dit wordt getoond in onder­
staande gemiddelde etmaalverlopen van de RV in de kas.

In de grafiek is te zien dat er in deze maanden heel vaak 10 %-punten verschil zit in de relatieve luchtvochtigheid in de Energlik kas ten opzichte van de referentie. Dit komt deels doordat er in de referentie op een lager setpoint geregeld wordt, en deels doordat er in de referentie veel minder geschermd wordt. Doordat er minder geschermd wordt condenseert er meer waterdamp op het kasdek en lekt er meer waterdamp via de kiertjes in de kasconstructie weg. De gemiddelde schermstand is te zien in de onderstaande grafiek.

Er staan in de grafiek 3 lijnen, want de Energlik kas heeft naast het transparante foliescherm ook nog een zwaar isolerend nachtscherm (een spouwscherm bestaande uit twee gealuminiseerde doeken). Behalve dat het aantal gebruiksuren uren van het transparante scherm al veel groter is ( 2538 uur in de Energlik-kas versus 1537 in de referentie) komen er in de nachten nog 1142 scherm-uren bij met een gealuminiseerde aluminium spouwscherm.

Tenslotte wordt een deel van het verschil verklaard doordat er in de Energlik-afdeling een ontvochtigingssysteem op basis van een warmtepomp is gebruikt. De luchtcirculatie die door dit systeem werd gerealiseerd gaf het vertrouwen dat het gewas ook bij de hoge luchtvochtigheid actief zou blijven, maar van een substantiële ontvochtiging was geen sprake. Het systeem heeft over de periode april tot begin november ongeveer 10 liter waterdamp per m² afgevoerd en dus per definitie ongeveer 7 kWh/m² aan latente warmte ‘geoogst’.

De vraag is nu wat de bijdrage van elk van de verschillenden componenten in de totaal gerealiseerde energiebesparing is geweest. Sommige aanpassingen, zoals het gebruik van meer scherm-uren of het telen op een hogere luchtvochtigheid vergen geen additionele investeringen en zijn dus gemakkelijk door te voeren. Met extra schermen, en vooral met een ontvochtigingsinstallatie zijn wel forse investeringen gemoeid, zodat het belangrijk is te weten hoe die zich vertalen in besparingen op het energieverbruik.
Om dit te kunnen berekenen is gebruik gemaakt van het kasklimaatsimulatiemodel KASPRO. Dit model beschrijft het dynamisch gedrag van het kasklimaat in relatie tot het buitenklimaat en de kasklimaatregeling. Het model beschrijft het effect van schermen op het warmteverlies, maar ook op de vermindering van de zonlicht-toetreding, zodat het netto-effect is te berekenen op de verwarmingsbehoefte, en op de gewasproductie.
Het simulatiemodel heeft ook verschillende typen ontvochtigingssystemen, variërend van systemen die gecontroleerd buitenlucht inblazen tot systemen die in een gesloten kassysteem de waterdamp in een luchtbehandelingskast laten condenseren de latente warmte die daarbij vrijkomt terugwinnen ten behoeve van de kasverwarming.

Dit simulatiemodel is gebruikt om uit te rekenen hoeveel de warmtevraag zou zijn veranderd, als punten waarop de twee afdeling van elkaar verschilden 1 voor 1 zouden zijn toegepast. Zo is berekend hoeveel de warmtevraag in de Energlik-kas zou zijn toegenomen als die het temperatuur-profiel van de referentie-kas zou hebben toegepast. Maar ook hoeveel de warmtevraag in de referentiekas zou zijn afgenomen als daar het zuiniger het temperatuur-profiel van de Energlik-kas zouden zijn toegepast.
Soortgelijke berekeningen zijn gedaan voor het uitwisselen van de minimumbuis instellingen, de luchtvochtigheids-instellingen, het schermgebruik en aantal schermen. Het effect van het ontvochtigingssysteem is niet verder uitgewerkt omdat dit pas vanaf april operationeel was en bovendien sterk ondergepresteerd heeft in vergelijking met andere experimenten met soortgelijke ontvochtigingsystemen.

Onderstaande tabel toont de berekende effecten van de genoemde onderdelen van het Energlik-experiment.

Tabel: Berekende toename van de warmtevraag in de Energlik-kas en afname van de warmtevraag in de referentie-kas wanneer de verschillen 1 voor 1 tussen de twee systemen zouden worden uitgewisseld

De tabel laat zien dat bij de schermen de uitwisseling van de enkelvoudige componenten tussen de Energlik-kas en de referentiekas (vrijwel) gelijk zijn. Als in de Energlik-kas het transparante scherm van de referentie-kas zou zijn gebruikt, inclusief de besturing daarvan, dan zou de warmtevraag volgens de berekeningen met 18 kWh/m² zijn toegenomen. En omgekeerd, als in de referentiekas het transparante scherm uit de Energlik-kas zou zijn gebruikt, inclusief het groter aantal gebruiksuren, dan zou de referentiekas 18 kWh/m² minder hebben gebruikt.
Weglaten van het nachtscherm (een dubbellaags spouwscherm) zou de warmtevraag in de Energlik-kas met 35 kWh/m² per jaar hebben laten stijgen. Het toevoegen van zo’n dubbellaags nachtscherm aan de referentiekas zou de warmtevraag met 33 kWh/m² hebben verlaagd.

De geringe daling van de warmtevraag als in de referentiekas de minimum-buis instellingen van de Energlik kas zouden zijn toegepast komt doordat de veel hogere warmtevraag in de referentiekas maakt dat de gevraagde buistemperatuur sowieso al vaak hoger is dan de ingestelde minimumbuis temperatuur.

De tabel laat vooral zien dat de warmtevraag van de referentiekas vooral zoveel hoger is doordat er naar een lagere luchtvochtigheid wordt gestuurd. Het uitwisselen van het luchtvochtigheidsregime bepaalt grofweg de helft van het verschil in energieverbruik.

Tenslotte laat de tabel zien dat het gecombineerd effect van alle maatregelen samen tot een grotere energiebesparing leidt dan de som van de losse maatregelen. Zo heeft bijvoorbeeld het weglaten van het nachtscherm minder effect op de warmtevraag als het transparante doek in de nacht meer uren gebruikt wordt dan wanneer er ’s nachts terughoudend met het transparante doek geschermd wordt. Dat terughoudend gebruik van het transparante doek in de referentiekas heeft overigens weer te maken met de lage luchtvochtigheid die daar gewenst is, en een beetje met de diepere temperatuur-dip in de avond.

Met behulp van modelberekeningen kunnen dus afzonderlijke effecten van innovatie en energiebesparingsmaatregelen in demonstratieproeven zoals hier in Energlik worden geanalyseerd.