Zu den vorrangigen Zielen der Kartoffellager-haltung gehören die Minimierung lagerbeding-ter Verluste sowie die Sicherung der Kartoffel-qualität über die Lagerperiode hinweg. Gleich-zeitig sind niedrige Lagerhaltungskosten sowie Aspekte der Umweltentlastung durch Energie-einsparung und Emissionsminderung klimarele-vanter Gase wichtige Nebenbedingungen für
eine auch längerfristige Wettbewerbsfähigkeit.
Um diesen Zielen näher zu kommen, wurde in den letzten Jahren die Technik der Lagerhal-tung weitgehend verbessert. Die Einführung von Kistenlagern anstelle von Haufenlagern gewährleisten die Erhaltung einer höheren Kar-toffelqualität während der Lagerung. Konvektiv belüftete Lager (FKL) arbeiten wirtschaftlicher und umweltschonender als zwangsbelüftete Kartoffellager. Voraussetzung für eine erfolg-reiche Qualitätssicherung bei der Lagerung landwirtschaftlicher Produkte ist die Einhaltung relevanter Klimaparameter während der Lagperiode. Eine bestangepasste Klimatisierung er-fordert bislang eine möglichst hohe Anzahl an Temperatur-Messfühlern (Sensoren) an geeig-neten Positionen im Lagerhaus, um den Zu-stand der Produkte möglichst genau zu erfas-sen. Die derart gemessenen Temperaturdaten liefern allerdings nur lokale Informationen zu den Produktzuständen. Durch den Einsatz einer Infrarot-Thermografie-Kamera (IR-Kamera) lässt sich ein großflächiges Gesamtbild über die loka-len Unterschiede der Temperaturverläufe an der Oberfläche des Lagerguts gewinnen.
Anwendung der Thermographie zur Optimierung der Belüftungs-
steuerung bei der Lagerhaltung landwirtschaftlicher Produkte
Autoren:
Dr. Klaus Gottschalk, Prof. Dr. Hans-Jürgen Hellebrand, Dr. Ralf Schlauderer, Dr. Sabine Geyer, Dr. Horst Beuche, Dipl.-Ing. Ines Ficht, Dipl.-Ing. Helen Jacobs, HS-Math.
Ingolf-Gerrit Richter, ATB; Dr. Rolf Peters, Dipl.-Ing. Egbert Schorling, KTBL;
Dipl.-Ldw. Arnulf Kern, FRI-WEIKA Projekttitel:
Miniaturisiertes Datenerfassungs-System zum Implantieren in Früchte und zur Messung ihrer mechanischen Belastung durch Ernte und Nachernteverfahren
Projektnr.:
BMBF-FKZ: 0339992 Teilprojekt 06 Projektleiter:
Dr.-Ing. Klaus Gottschalk kgottschalk@atb-potsdam.de
Institut für Agrartechnik Bornim e. V. (ATB) Abteilung Technik der Aufbereitung, Lagerung und Konservierung Max-Eyth-Allee 100
14469 Potsdam Projektpartner:
Institut für Agrartechnik Bornim e.V.;
KTBL; FRIWEIKA Weidensdorf
Die Thermographie bietet weiterhin die Mög-lichkeit, Aufwärm-, und Abkühlvorgänge sowie weitere Lagerklimatisierungsprozesse in Form von Filmsequenzen zu visualisieren. Mit der IR-Kamera können schnell geringste Temperatur-unterschiede erfasst werden.
Eine praxisnahe Grundlagenuntersuchung sollte die Frage klären, ob und wie eine innovativ gel-tende Steuerungstechnik realisierbar ist, bei der großflächig, thermographisch ermittelte on-line Temperatur-Daten als Temperaturgeber für die Klimasteuerung dienen und somit für eine höhere Produktqualität speziell im FKL-Lager, d.h. einem Lager mit freier konvektiver Lüf-tung, sorgen.
Erste Untersuchungsergebnisse zeigten, dass sich Infrarotbilder grundsätzlich zur Gewinnung von Datensätzen für die Klimasteuerung eig-nen. Eine großräumige Überwachung eines
La-gerhauses ist aber bislang nur begrenzt mög-lich, zum einen da der Bildausschnitt der IR-Kamera zur Erfassung großer Lagerflächen ein-geschränkt ist, zum anderen ist die Auswertung der IR-Bilder aufwendig (Abb. 1). Bei der Um-wandlung der IR-Daten in exakte Temperatu-ren über die ThermaCam® Software sind eini-ge Faktoren zu berücksichtieini-gen, um die korrek-te Temperatur zur ermitkorrek-teln:
die Klimasteuerung dienen können, müssen derzeit noch konventionell erfasste Tempera-turdaten im Stapelinneren hinzugezogen wer-den. In Zukunft soll über geeignete Algorith-men von der jeweiligen Oberflächentemperatur die Temperatur im Stapelinneren berechnet werden. Hierfür werden mit Hilfe der IR-Kamera, die die Oberflächentemperaturen aus-gedehnter Lagerbereiche erfasst und Belüf-tungsvorgänge visualisiert, sowie mit supple-mentären konventionellen Thermofühlern Tem-peraturverläufe zwischen dem Kartoffelstapel-inneren und der Oberfläche ermittelt. Aus den gewonnenen Temperaturdaten können die Strömungsverläufe ermittelt und ein entspre-chendes 3D-Modell zur Vorhersage der Tempe-raturverteilung im Stapelinneren aufgestellt werden.
· genaue Angaben der Umgebungsbedingun-gen der IR-Kamera (Temperatur und Luft-feuchte);
· für jedes ausgewählte Temperaturgebiet auf dem IR-Bild muss der entsprechende Emis-sionsgrad (für Kartoffeln, Kisten, usw. un-terschiedlich) eingegeben werden;
· Angabe der Entfernung von der Kamera zum Messpunkt für jedes gewählte Gebiet;
· Vergleich der konventionellen und thermo-graphischen Messungen an einer Referenz-fläche;
Bislang arbeiten thermodynamische Modelle der Stoff- und Wärmeaustauschvorgänge zwi-schen den Kartoffelschichten und der durch-strömenden Luft bei gleichförmigen Strömun-gen. Mit den IR-Daten sind Luftströmungen auf der Oberfläche der Kartoffelkisten ablesbar; ein neues zu erstellendes 3D Modell berücksichtigt für die Temperaturberechnung im Inneren die realen Luftströmungen. Unter Berücksichtigung der Modellrechnung soll die Klimasteuerung zur Belüftung des Kartoffellagers in der Weise ver-bessert werden, dass die Luftströmungsvor-gänge eine vorteilhafte, möglichst gleichmäßige Temperaturverteilung im Lager gewährleisten.
· Korrektur der Thermographiedaten über ei-ne Ausgleichsgerade.
Weiterhin muss berücksichtigt werden, dass die gemessene Oberflächentemperatur des Lager-gutes nur bedingt die Solltemperatur des ge-samten Lagerguts repräsentiert. Damit Infra-rotkameras dennoch als Temperaturgeber für
Zur Ermittlung dieser Daten wurden in der La-gerperiode 2002/2003 erste Messungen im Großkisten-Kartoffellager der Firma FRIWEIKA mit einer stationär installierten IR-Kamera (Abb. 2) sowie im Lagergut verteilten Tempera-turfühlern vorgenommen.
Um den Nachteil der großen Entfernung zum Institut auszugleichen, wurde eine Software zur Daten-Fernübertragung entwickelt, die konven-tionell und thermographisch gewonnene Tem-peraturwerte sammelt und zum Institut online Abb. 1: Infrarotbild des Messstands mit
eingetrage-nen Temperaturgebieten der Auswerte-Software ThermaCam®
Thermographie zur Belüftungssteuerung bei der Lagerhaltung
Abb. 2: Thermographiekamera ThermaCam SC 500 (FLIR Systems GmbH) am stationären Messplatz mit Staub- und Feuchteschutz im Einsatz
übermittelt. Im nächsten Arbeitsschritt soll die Klimasteuerung im Kartoffellager versuchsweise direkt auf der Basis der thermografischen Da-ten gesteuert werden. An der technischen Lö-sung, die Lüftungsklappen aufgrund der IR-Informationen anzusteuern, wird derzeit gear-beitet. Es wird davon ausgegangen, dass dies bereits in der begonnenen Lagerperiode mög-lich sein wird.
Da sich die Forschungsarbeiten noch in einer sehr frühen Phase befinden, lassen sich keine exakten Aussagen zu den möglichen betriebs-wirtschaftlichen, umweltrelevanten und techno-logischen Konsequenzen der Anwendung von Infrarotkameras in Lagerhäusern ermitteln.
Trotzdem ist es von Bedeutung die möglichen Potenziale frühzeitig zu untersuchen und dar-zustellen. Für die betriebswirtschaftliche Bewtung ist v.a. zu klären, inwieweit die derzeit er-forderlichen hohen Investitionen für die einge-setzte Technologie rentabel sind, bzw. ob da-von auszugehen ist, dass die erforderlichen In-vestitionen in absehbarer Zeit geringer werden.
Die bisherigen Arbeiten zeigten, dass die An-forderungen an die IR-Kamera als quantitativ exakte Temperaturgeber für eine optimierte Belüftungssteuerung nach dem 3D Belüftungs-modell sehr hoch sind. Für diese Aufgabenstel-lung werden daher eine Hochleistungskamera
mit anspruchsvoller Technik sowie ein Compu-ter für die Steuerung und Übertragung des Da-tenmaterials eingesetzt. Die Kosten hierfür sind derzeit noch hoch und belaufen sich z.B. für die verwendete Kamera inklusive Zubehör auf net-to 66125.- Euro (Abb. 3).
Die entsprechenden Jahreskosten wurden mit ca. 11.000 € berechnet. Geht man von einem durchschnittlichen Kartoffelpreis von 8,36 €/dt aus, so müsste für ein Lager in der Größenord-nung von 15.000 Tonnen, das zu 80% belegt ist, der Einsatz der Technologie zu einer Ver-ringerung des Lagerverlustes um rund 1,2%
führen, damit sich die Investition in diese Technik lohnt. Geht man von den Daten von SCHUHMANN (2002) aus, dass in vielen Betrie-ben durch Lüftungsfehler bzw. falsche Belüf-tung 2-3 % Schwund/Verluste im Kartoffella-ger entstehen, so sind diese Zahlen zwar hoch, aber durchaus im Rahmen des zumindest theo-retisch möglichen Einsparpotenzials. Bei der Preisentwicklung für die benötigten Hochleis-tungskameras kann kurz- und mittelfristig trotz einer erheblichen Dynamik des Gesamtmarktes
Euro
5" LCD Display mit Zubehör
Abb. 3: Zusammensetzung des Investitionsbedarf für den Einsatz der Thermografie (Hardware) Hochleis-tungskamera
nicht mit wesentlich reduzierten Kosten ge-rechnet werden.
Gelingt es mit Hilfe der Thermografie zwangs-belüftete Lager durch FKL-Lager zu ersetzen, so ist mit einer erheblichen Umweltentlastung v.a. durch die Einsparung elektrischen Stroms zu rechnen. Die Höhe variiert stark je nach jah-resbedingtem Belüftungsbedarf. Es kann damit gerechnet werden, dass für ein 15 kt Lager Primärenergie in Höhe von 580...2.830 GJ, kli-marelevante Gase in Höhe von 36...179 t CO2-Äq., ein Versauerungspotenzial von 76...308 kg/SO2-Äq. sowie ein Eutrophierungspotenzial von 22...38 kg/PO43-Äq. je Jahr eingespart werden kann.
Es besteht auch die Möglichkeit, die IR-Kamera beratend bei der qualitativen „Schnellprognose“
von Kartoffellagern einzusetzen, so dass sich die Kosten der Kamera über verschiedene La-ger verteilen würden und der Einsatz je Kartof-fellager günstiger wäre.
Bei diesem Ansatz könnten Fragen wie „Welche Temperaturverteilung liegt im Lager vor?“,
„Können/müssen Maßnahmen ergriffen wer-den, um das Lagerklima zu verändern?“ beant-wortet werden. Auch ist ein Vergleich verschie-dener Lagerbelüftungstypen möglich. Hierzu werden zur Zeit vergleichende Untersuchungen mit zwangsbelüfteten Kartoffellagern des KTBL Dethlingen durchgeführt.
Es wird davon ausgegangen, dass eine opti-mierte Belüftungssteuerung, die zusätzlich über das mit IR-Daten gewonnene 3D Belüftungs-modell entwickelt wird, zu einer besseren Er-haltung der Produktqualität im FKL-Lagers füh-ren kann und damit auch zu einer deutlichen Umweltentlastung beiträgt.
Literatur
/1/ Hellebrand, H.J.; Beuche, H.; Linke, M.;
Brehme, U.; Dammer, K.-H.; Geyer, S.: Appli-cation of thermal imaging in agricultural and horticultural research. Vortrag: International Conference "Education and research develop-ment at the Technical Faculty of CUA Prague", CUA Prague, 25. September 2002.
/2/ Gottschalk, K.; Schorling, E.: Optimie-rung der Raumbelüftung in Großkistenlagern für Kartoffeln. Tagung Landtechnik 2000 VDI-MEG, Münster, 10.-11. Okt. 2000.
/3/ Gottschalk, K.; Christenbury, G. D.: A model for predicting heat and mass transfer in filled pallet boxes. Paper No. 983157, ASAE Annual International Meeting, 1998.
/4/ Gottschalk, K.: Belüftung von Kartoffel-schüttungen. LANDTECHNIK 54 (1999), H. 6, S. 338-339.
/5/ Gottschalk, K.; Geyer, S.; Hellebrand, H.J.; Beuche, H.; Schlauderer, R.: Ther-mography for temperature aquisition in large potato bin stores. Vortrag: 8th Workshop on Energy and Environment. Nov. 4-5, 2002, Szent István University, Gödöllö, Ungarn.
/6/ Gottschalk, K.: Kartoffellagerung – Me-thoden und Trends bei der Klimaregelung und Luftströmung. Kartoffelbau 12/2002, S. 460-463.
/7/ Schuhmann, P.: Zur Wirtschaftlichkeit der Kartoffellagerung von Kartoffeln. Juli 2002.
www.landwirtschaft-mv.de/k-lager.mv