Transcript P503 Glastuinbouw

Technical Sciences
Van Mourik Broekmanweg 6
2628 XE Delft
Postbus 49
2600 AA Delft
TNO-rapport
www.tno.nl
TNO 2014 R10410
Meerjaren Speurwerkprogramma 2011-2014
Voortgangsrapportage 2013 VP Glastuinbouw
Thema Tuinbouw
Datum
28 februari 2014
Auteur(s)
E.G.O.N. Janssen
Authorisatie
Ir. D. Ph. Schmidt
Algemeen directeur
Aantal pagina's
11 (incl. bijlagen)
Regievoerend
departement
Ministerie van Economische Zaken
Alle rechten voorbehouden.
Niets uit deze uitgave mag worden vermenigvuldigd en/of openbaar gemaakt door middel van druk,
fotokopie, microfilm of op welke andere wijze dan ook, zonder voorafgaande toestemming van TNO.
Indien dit rapport in opdracht werd uitgebracht, wordt voor de rechten en verplichtingen van
opdrachtgever en opdrachtnemer verwezen naar de Algemene Voorwaarden voor opdrachten aan
TNO, dan wel de betreffende terzake tussen de partijen gesloten overeenkomst.
Het ter inzage geven van het TNO-rapport aan direct belanghebbenden is toegestaan.
© 2014 TNO
T +31 88 866 30 00
F +31 88 866 30 10
TNO-rapport | TNO 2014 R10410
2 / 10
Inhoudsopgave
1
Inleiding ................................................................................................................................. 3
2
Onderzoekslijnen .................................................................................................................. 4
Ad 2) Kasklimatisering ............................................................................................................................. 4
Ad 3) Systeemintegratie (SIOM) .............................................................................................................. 5
3
3.1
3.2
3.3
3.4
Resultaten 2013 ..................................................................................................................... 6
Technologie roadmap .............................................................................................................. 6
Innovatieve kasomhullingsmaterialen ..................................................................................... 6
Kasklimatisering ..................................................................................................................... 6
Systeemintegratie (SIOM) ...................................................................................................... 7
4
Samenwerking ....................................................................................................................... 9
5
5.1
5.2
Kennisoverdracht ................................................................................................................ 10
TNO MKB Technologieclusters ........................................................................................... 10
Publicaties ............................................................................................................................. 10
Bijlage(n)
A Technologie roadmap
TNO-rapport | TNO 2014 R10410
1
3 / 10
Inleiding
Het Vraaggestuurd Programma Glastuinbouw heeft tot doel om de concurrentiepositie van
de toeleveranciers binnen de Nederlandse glastuinbouwsector te versterken. Nederland heeft
een wereldwijde koppositie op het gebied van high tech glastuinbouw. Hoewel door de
crisis de binnenlandse markt terugloopt, neemt de internationale vraag naar high tech kassen
sterk toe, gedreven door schaarste van water, stijgende welvaart en food security issues. De
drie zaken waar TNO de toeleverende industrie mee helpt door middel van dit vraaggestuurd
programma zijn:
1) Behoefte aan nieuwe omhullingsmaterialen om de warmtebehoefte van de kas te
verminderen zonder in te boeten op lichtinval.
2) Inzicht van effect van moderne klimatiseringsinstallaties op het daadwerkelijke
klimaat (luchtbeweging, temperatuur en vochtigheid) in de kas.
3) gebrek aan kennis om kasconcepten te ontwikkelen voor diverse landen op de
wereld.
Hiervoor is in samenspraak met de bedrijven, brancheverenigingen en Productschap
Tuinbouw in 2011 een roadmap opgesteld, waarin de benodigde kennisontwikkelingen zijn
bepaald. In 2013 is deze roadmap in samenwerking met de AVAG herzien. Hieronder en in
de bijlage is deze roadmap weergegeven.
Het is de ambitie om eind 2014 de concurrentiepositie van de sector verbeterd te hebben
door de nieuwe kasomhullingsmaterialen, de nieuwe slimme combinaties van
kascomponenten en ‘model based’ regelingen in de kas. Daarnaast is de ambitie om de afzet
en marktaandeel van de toeleveranciers in de buitenlandse markten te vergroten door het
gezamenlijk kunnen aanbieden van nieuwe kasconcepten geoptimaliseerd op lokale klimaat
en cultuurcondities.
TNO-rapport | TNO 2014 R10410
2
4 / 10
Onderzoekslijnen
TNO heeft de kennisontwikkeling gesplitst in drie lijnen
1) Innovatieve omhullingsmaterialen
2) Kasklimatisering
3) Systeemintegratie (SIOM)
Ad 1) Innovatieve omhullingsmaterialen
De schil van de kas bepaalt in hoge mate het energiegebruik, watergebruik en productie.
Hierbij zijn de eisen aan de schil tegengesteld, bijvoorbeeld hoge lichttransmissie, variabele
transmissie van warmtestraling en variabele isolatiewaarde (U-waarde). Kijkend naar de
grote internationale groeigebieden voor glastuinbouw dan zijn de eisen aan de kasomhulling
weer per situatie verschillend. In de visie van TNO is het om de gewenste gewasproductie
efficiëntie te bereiken noodzakelijk om over te schakelen op adaptieve (low cost)
omhullingsmaterialen. TNO levert een hieraan een bijdrage met de ontwikkeling van kennis
op verschillende deelsporen:
a) Adaptieve kasdekken, waarbij door vloeistoffen en additieven de eigenschappen
kunnen wijzigen.
b) Innovatie materialen voor schermdoeken, waarbij door middel van coatings,
nanotechnieken en productietechnieken gewerkt wordt aan compacte duurzame
materialen met hoge isolerende eigenschappen.
c) Microstructuren op glas of folie om de eigenschappen van het omhullingsmateriaal
te verbeteren.(transmissie eigenschappen gedurende de dag, minder hechting van
vervuiling, diffuserend gedrag).
Ad 2) Kasklimatisering
Doordat kassen steeds groter worden (afmetingen, meerlagen) schieten bestaande
klimatiseringstechnieken tekort om het gewenste stabiele teeltklimaat te realiseren. In
onderzoek is er veel aandacht besteed aan 3D klimaat in kassen door middel van CFD
(Computational Fluid Dynamics) studies. Deze studies zijn dermate complex dat ze
ongeschikt zijn om te gebruiken bij het ontwerp van kassen of klimaatregeling. De laatste
jaren is hierdoor een kloof ontstaan tussen de praktijksituatie en de onderzoekswereld. TNO
richt zich op de volgende deelsporen om deze kloof te dichten:
a) Kennis opbouwen rondom drukverdelingen en vormfactoren op en in kassen.
Hiermee wordt beoogd zowel op veiligheidsgebied (maximale windbelasting op
(grote) kasdekken, buitenschermen en dergelijke) als op kasklimaat
luchtuitwisseling door luchtramen en het effect van mechanische ventilatie
innovatiesprongen te kunnen maken. Dit wordt gedaan door metingen van
drukverdeling en luchtsnelheid in kassen.
b) Ontwikkeling van een fysisch Multi zone klimaatmodel en regelmodel. Doel van
dit model is tweeledig. Enerzijds kunnen snel effecten van en synergie tussen
diverse kascomponenten op het klimaat worden bepaald (schermdoeken,
ontvochtigers, koeling, luchtbehandeling et cetera) Hiertoe wordt een fysisch Multi
zone model opgezet dat wordt gevoed met de kennis opgebouwd onder a) en de
CFD berekeningen. Vervolgens wordt het model ingepast in de regelstrategie van
de kascomponenten, waarbij kennis wordt ontwikkeld om de regeling zelflerend te
maken. Tenslotte wordt er een terugkoppeling gerealiseerd tussen het regelmodel
en het kasontwerpmodel.
TNO-rapport | TNO 2014 R10410
5 / 10
Ad 3) Systeemintegratie (SIOM)
Gezien de toenemende vraag naar specifieke kasconcepten voor lokale klimaatcondities is er
behoefte aan een snelle manier om diverse mogelijke kasconcepten met elkaar te vergelijken
en te zoeken naar een optimum. Momenteel zijn hiervoor uitvoerige onderzoeken nodig, wat
ongeschikt is voor de praktijk van de Nederlandse toeleveranciers in het buitenland. TNO
wil dit ondervangen door kennis te ontwikkelen om bestaande kasmodellen voor constructie,
klimaat energie en licht aan elkaar te koppelen en nieuwe algoritmen te ontwikkelen om de
rekensnelheid te verkorten van enkele weken naar enkele minuten. Op deze manier worden
de Nederlandse toeleveranciers in staat gesteld om snel optimalisatiestudies te kunnen
uitvoeren aan de hand van een beslissing ondersteunend systeem waarmee op verschillende
abstractieniveaus simulaties kunnen worden gemaakt. De te ontwikkelen kennis betreft:
1) Het ontwikkelen van een universeel platform waaraan verschillende deelmodellen
gekoppeld kunnen worden (2012) .
2) Het optimaliseren van het ontwerpproces om sneller en met minder faalkosten
nieuwe kasconcepten te kunnen ontwikkelen (2013).
3) Online validatie van de modellen aan de hand van aanpassen van de modellen aan
de hand van praktijkdata in gerealiseerde kassen (2013).
4) Ontwikkelen van nieuwe kasconcepten voor specifieke landen met de opgebouwde
kennis uit 1-3 (2014).
TNO-rapport | TNO 2014 R10410
3
Resultaten 2013
3.1
Technologie roadmap
6 / 10
In drie workshops met AVAG-leden en TNO, en gefaciliteerd door TNO, is deze ambitie
uitgewerkt tot de Roadmap Integrated Growing Systems. Gezamenlijk zijn de sterkte,
zwaktes, kansen en bedreigingen gedefinieerd, de deelambities voor 2020, de uitdaging
waar AVAG en TNO voor staan om de ambitie te bereiken, de ontwikkelrichtingen om daar
te komen en benodigde technische kennis en oplossingen.
Samengevat zijn de volgende activiteiten uitgevoerd:
1. Er is een kerngroep samengesteld bestaande uit relevante toeleveranciers. Er zijn
tweet brainstormsessies geweest om de contouren van de roadmap vast te stellen,
en er is een concept roadmap opgezet.
2. De concept roadmap is gevalideerd bij diverse stakeholders, onder andere LTO,
Kas als Energiebron, STOREKA, klankbordgroep SIOM.
3. De roadmap is uitgewerkt (zie bijlage).
4. De roadmap is gepresenteerd bij de ledenvergadering van de AVAG, en op andere
bijeenkomsten van toeleveranciers / individuele bedrijven, met als doel het
opzetten van nieuwe “innovatiegroepen”.
5. Er is een bedrijvencluster van 25 bedrijven gevormd dat gezamenlijk gaat
innoveren op het gebied van energiebesparing, een van de prioritaire onderwerpen
in de roadmap. Hiertoe worden in 2014 een serie Technologieclusters gestart.
3.2
Innovatieve kasomhullingsmaterialen
In 2013 heeft TNO een innovatieve methode gevonden om een nanocoating aan te brengen
op tuindersglas die aanhechting van vervuiling voorkomt (easyclean coating). Aangetoond is
dat de coating geen noemenswaardige effecten heeft op de lichtdoorlaat van het glas. Er is
een aanbrengmethode ontwikkeld die op locatie kan worden ingezet en die zorgt voor een
duurzame binding van de nanocoating op het glas, zodat de levensduur wordt verlengd. Ook
is het gedrag van afdruppelen/afvloeien van condens bekeken. Er is tenslotte een opzet
gemaakt voor een praktijkproef in het Fieldlab Glastuinbouw van TNO.
3.3
Kasklimatisering
3.3.1
Geplande werkzaamheden
1.
2.
3.
4.
5.
6.
In kaart brengen en modelleren van fysische fenomenen (deelsimulaties) specifiek
voor de glastuinbouw.
In kaart brengen mogelijkheden om deze fenomenen te berekenen.
Empirische vergelijkingen opstellen voor geselecteerde fysische fenomenen en
modelleren gewas en installaties.
Integratie in één applicatie.
Validatie.
Testen Installatieconcepten.
TNO-rapport | TNO 2014 R10410
3.3.2
7 / 10
Gerealiseerde voortgang
In verband met onvoldoende capaciteit is het project pas in mei 2013 van start gegaan.
Daardoor is werkpakket 4 deels en werkpakket 5 geheel doorgeschoven naar 2014.
1.
2.
3.
4.
5.
6.
3.3.3
Gerealiseerd. Dit heeft gerealiseerd in een geprioriteerde lijst van fenomenen.
Gerealiseerd. Op basis van de inventarisatie is besloten om gebruik te maken van
het raamwerk van het bestaande CFD pakket OpenFoam, en daarbinnen een eigen
model te ontwikkelen, op basis van het eerder ontwikkelde Matlab model.
Grotendeels gerealiseerd. Binnen OpenFoam is een eigen ‘dedicated greenhouse
solver’ ontwikkeld die alleen de voor een kas relevante fysica bevat, met waar
nodig empirische vergelijkingen. Eind 2013 is een stagiaire begonnen die nog meer
empirica zal toevoegen om het model te versnellen en nauwkeuriger te maken.
Net begonnen. Dooreen koppeling met het IMB framework wordt een universele
open koppeling gemaakt tussen OpenFoam (Linux) en andere (windows)
toepassingen als Matlab en eigen design tools. Hiervoor moet in de algoritmen van
de solver worden ingegrepen.
Dit werkpakket wordt geheel doorgeschoven naar 2014, uitgebreid met nieuwe
inzichten.
Gerealiseerd. Een nieuw concept van een druppelontvochtiger in combinatie met
een warmtewisselaar is met succes getest op technische haalbaarheid. Hiervoor
wordt een patent ingediend.
Samenwerking
Binnen TNO wordt nauw samengewerkt met het project Incontrol binnen het Enabling
Technology Programme (ETP) Adaptive Multi Sensor Networks (AMSN). Daarbinnen ligt
de nadruk op model gebaseerd regelen. Het Kas Klimaat Model vormt hiervoor belangrijke
inbreng. Vanuit het Enabling Technology Programme wordt vooral kennis in het project
gebracht op het gebied van state estimation en monitoring. Buiten TNO wordt
samengewerkt met de Hochshule NiedeRrhein (HNR). Zij werken met ANSYS Fluent met
maximale rekenkracht aan een casus binnen het HTG2020 project, die ook in KKM
uitgewerkt zal worden. Met de Hochshule NiedeRrhein worden resultaten (niet het model)
gedeeld om van elkaar te leren en wederzijds de modellen te verbeteren. Het doel en de
aanpak van de Hochschule is compleet anders en daarom vullen beide projecten elkaar goed
aan. Wel valt op dat de Hochshule NiedeRrhein vooralsnog vast loopt op de rekenkracht
door de gekozen mate van detail en het vermijden van empirica, waar TNO juist op in zet.
3.4
Systeemintegratie (SIOM)

De klankbordgroep SIOM is geformeerd en heeft 3 keer vergaderd. Ze geven aan de
ontwikkeling zeer belangrijk en kansvol te achten, maar willen wel goede afspraken
over IP. De kassenbouwers willen niet dat hun kennis op een makkelijke manier
beschikbaar wordt voor anderen. Dit kan worden ondervangen door ofwel een
vergoeding te vragen aan nieuwe deelnemers die ten goede komt aan de hele groep
gebruikers. Ofwel door gebruiker specifieke informatie in speciale modules op te nemen
die alleen toegankelijk zijn voor de partijen die de gebruiker zelf opgeeft. Ook in 2014
wordt daarom een werkpakket governance opgenomen. In 2014 worden afspraken over
valorisatie van IP vastgelegd.
TNO-rapport | TNO 2014 R10410






8 / 10
In 2013 is een nieuw prototype gerealiseerd en gedemonstreerd. Dit is tijdens een
Arenasessie van het project Samenwerken aan Vaardigheden (PiD) gedemonstreerd.
Vooral de technische medewerkers van de kassenbouwers zijn zeer enthousiast omdat
SIOM ze de instrumenten kan bieden die nu ontbreken. Er is een dynamische grafische
schil voor SIOM ontwikkeld. Dat betekent dat de schil zichzelf opbouwt al naar gelang
de modellen die aangekoppeld zijn. Elk model vraag om bepaalde input en geeft
bepaalde output. De schil neemt deze informatie op in de schil. Tevens is functionaliteit
toegevoegd om tijdens het gebruik modellen aan en af te kunnen koppelen. Deze
werkwijze is gedemonstreerd op het Greensys congres 2013 in Korea met een voorbeeld
van een ‘gewone’ kas en een kas met PV panelen in het dek geïntegreerd. Door het
bestaande kasdekmodel af te koppelen en het model met PV cellen aan te koppelen,
ontstaan nieuwe input en output en uiteraard andere rekenresultaten.
In het Smart Adaptive Sustainable Horticulture (SMASH) project (ontwikkelen van
kasconcepten voor ontwikkelingslanden Zuid Afrika, Rwanda en Algerije) is
belangrijke informatie verzameld over een aantal design cases in Algerije en ZuidAfrika. In samenwerking met Wageningen UR is in meer detail een casus bestudeerd
over de keuze voor een locatie en de bijbehorende technologie voor kassen in Algerije.
Dit is input voor de investeringsbeslissing. Daarnaast is de koppeling tussen
glastuinbouw en bouw verkend, onder andere de toepassing van isolatiematerialen.
In 2013 is een nieuw, gedetailleerder kasmodel ontwikkeld in Matlab/Simulink. Het
model bevat een dynamische simulatie van een ‘state of the art’ kas. Het bevat ook de
klimaatregeling, die een grote invloed heeft op de energiekosten en op de hoeveelheid
productie. Dit model vormt de kern van de berekeningen die gemaakt moeten worden.
Het is zo opgezet dat nieuwe kas geometrieën of systemen makkelijk kunnen worden
geïmplementeerd door een aantal parameters aan te passen. In 2014 zal aandacht
worden besteed aan het definiëren, vullen en beheren van deze parametersets. Deels ligt
de in WP0 beschreven IP immers in deze parametersets opgesloten.
Het nieuwe model is gekoppeld in de eerder ontwikkelde SIOM architectuur, die hiertoe
is uitgebreid. Door de verschillende aggregatieniveaus van de modellen heeft dit voor
een aantal fundamentele stabiliteitsproblemen gezorgd, die voor het grootste deel
inmiddels zijn opgelost. De overige modellen zijn statische modellen die gezamenlijk in
stappen van een uur een jaar door rekenden (gebaseerd op de wetenschap dat kassen
relatief zeer snel in evenwicht zijn, zeker in vergelijking met andere gebouwen) terwijl
het nieuwe model een dynamisch model is met een kleine stapgrootte.
Enkele verkenningen zijn uitgevoerd naar het opzetten en koppelen van nieuwe
modellen, zoals een kasdek model met geintegreerde PV modules. De grootste
uitdaging ligt in het feit dat het model andere ouputs geeft die in de rest van de
modellen meegenomen moet worden zonder dat deze aanpassing behoeven,
bijvoorbeeld de door de PV panelen geproduceerde stroom. Deze moet afgetrokken
worden van de totale energie(stroom)behoefte van de kas. Dit betekent dat het
energiemodel generieke voorzieningen voor nieuwe inputs moet bevatten.
Het onderdeel validatie dat gepland stond voor 2013 is slechts beperkt uitgevoerd,
omdat meer aandacht is besteed aan het stabiel en werkend krijgen van de modellen en
de architectuur. Validatie is slechts kwalitatief uitgevoerd op basis van expert
schattingen en door een handmatige vergelijking te maken tussen het nieuwe model en
reeds bestaande modellen. In 2014 zal dit werkpakket verder worden opgepakt,
uitgebreid met nieuwe inzichten, waarbij de validatie van handmatig naar
geautomatiseerd moet gaan.
TNO-rapport | TNO 2014 R10410
4
9 / 10
Samenwerking
In 2013 is de samenwerking met Wageningen UR Glastuinbouw verder versterkt. Dit
gebeurt onder andere in het lopende Eropese (Interreg) project HTG 2020, waarbij TNO
samen met WUR en 14 Nederlands / Duitse partners gaan samenwerken op het gebied van
systeemintegratie. Daarnaast is in 2013 het project SMASH gestart waarin Wageningen UR,
Bopinc, GHI en TNO samenwerken aan het ontwikkelen van kasconcepten voor
ontwikkelingslanden. SMASH sluit aan op de onderzoekslijn SIOM.
Met de AVAG (platform voor toeleveranciers) is ook een structurele samenwerking gestart.
In 2013 is in samenwerking met AVAG een vernieuwde technologie roadmap opgesteld (zie
bijlage). Deze update van de bestaande roadmap uit 2011 is gewenst vanwege het snel
veranderende internationale speelveld, een verbreding van de scope (onder andere
watertechnologie) en het vergroten van het draagvlak van werken van de AVAG leden met
de roadmap.
TNO-rapport | TNO 2014 R10410
5
Kennisoverdracht
5.1
TNO MKB Technologieclusters
10 / 10
Voor de kennisoverdracht beschikt TNO over een specifiek instrument: het TNO MKB
technologiecluster. Deze clusters kunnen zowel ingezet worden om kennis opgedaan in dit
Vraaggestuurde Programma over te dragen als kennis elders binnen TNO over te dragen. In
een Technologie Cluster gaan vijf MKB bedrijven met de TNO kennis aan de slag om te
bekijken hoe zij deze kunnen inzetten in hun bedrijfsproces. Na afloop van ieder cluster
volgt een presentatie voor een brede groep ondernemers. In 2013 zijn de volgende
technologieclusters ingezet:
1. Hoge Temperatuuropslag (HTO) in ondiepe geothermische bron.
2. Geochemie: voorkomen van verstoppingen door chemische reacties in
geothermische inspectieputten.
3. Filtertechniek Geothermie: inzetten van innovatieve filtertechniek om verstopping
in de injectieput van een geothermische bron te voorkomen.
4. Optimaal ventileren: verbeteren van het kasklimaat en voorkomen van
ongelijkmatigheid door het inzetten van restwarmte als naverwarming in systemen
voor buitenluchtaanzuiging.
5.2
Publicaties
Het Vraaggestuurde Programma Glastuinbouw deelprogramma heeft resultaten opgeleverd
in de vorm van onder andere rapporten, publicaties, presentaties en interviews. Hieronder
staat een overzicht van de publicaties:
 Janssen, Baart de la Faille, Lohman, System Integration and Optimization Model
(SIOM), Paper en voordracht op congres Greensys 2013, 6-11 oktober, Jeju,
Korean.
 Demonstratie prototype SIOM op Arenasessie Rekenmodellen, 25 april 2013,
GreenQ improvement centre, Bleiswijk.
 Informerend artikel SIOM in vakblad Onder Glas.
 September 2013, AVAG TNO technologie roadmap, presentatie ledenvergadering
AVAG.
 10 workshops(organisatie/bijdragen).
TNO-rapport | TNO 2014 R10410
A
Technologie roadmap
Bijlage A | 1/1