Meerjaren Speurwerkprogramma Voortgangsrapportage 2013 VP Glastuinbouw Thema Tuinbouw

Transcriptie

1 TNO-rapport TNO 2014 R10410 Meerjaren Speurwerkprogramma Voortgangsrapportage 2013 VP Glastuinbouw Thema Tuinbouw Technical Sciences Van Mourik Broekmanweg XE Delft Postbus AA Delft T F Datum 28 februari 2014 Auteur(s) Authorisatie Aantal pagina's Regievoerend departement E.G.O.N. Janssen Ir. D. Ph. Schmidt Algemeen directeur 11 (incl. bijlagen) 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 TNO

2 TNO-rapport TNO 2014 R / 10 Inhoudsopgave 1 Inleiding Onderzoekslijnen... 4 Ad 2) Kasklimatisering... 4 Ad 3) Systeemintegratie (SIOM) Resultaten Technologie roadmap Innovatieve kasomhullingsmaterialen Kasklimatisering Systeemintegratie (SIOM) Samenwerking Kennisoverdracht TNO MKB Technologieclusters Publicaties Bijlage(n) A Technologie roadmap

3 TNO-rapport TNO 2014 R / 10 1 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.

4 TNO-rapport TNO 2014 R / 10 2 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.

5 TNO-rapport TNO 2014 R / 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).

6 TNO-rapport TNO 2014 R / 10 3 Resultaten Technologie roadmap 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 Geplande werkzaamheden 1. In kaart brengen en modelleren van fysische fenomenen (deelsimulaties) specifiek voor de glastuinbouw. 2. In kaart brengen mogelijkheden om deze fenomenen te berekenen. 3. Empirische vergelijkingen opstellen voor geselecteerde fysische fenomenen en modelleren gewas en installaties. 4. Integratie in één applicatie. 5. Validatie. 6. Testen Installatieconcepten.

7 TNO-rapport TNO 2014 R / 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 Gerealiseerd. Dit heeft gerealiseerd in een geprioriteerde lijst van fenomenen. 2. 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. 3. 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. 4. 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. 5. Dit werkpakket wordt geheel doorgeschoven naar 2014, uitgebreid met nieuwe inzichten. 6. 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.

8 TNO-rapport TNO 2014 R / 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 Zuid- Afrika. 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.

9 TNO-rapport TNO 2014 R / 10 4 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.

10 TNO-rapport TNO 2014 R / 10 5 Kennisoverdracht 5.1 TNO MKB Technologieclusters 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).

11 TNO-rapport TNO 2014 R10410 Bijlage A 1/1 A Technologie roadmap