innovation for life Speurwerkprogramma Thema Tui n bouw TNO-rapport T F lr E.G.O.

Transcriptie

1 o innovation for life TNO-rapport Speurwerkprogramma Thema Tui n bouw Gebouwde Omgeving Van Mourik Broekmanweg XE Delft Postbus AA Delft r vww.tno.nl T F Datum Auteu(s) 25 september lr E.G.O.N Janssen Autorisatie Aantal pagina's Regievoerend departement lr. L.J.J. Kusters 8 (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, microfìlm of op welke andere wijze dan ook, zonder voorafgaande toestemming van TNO. lndien 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 tezake tussen de partijen gesloten overeenkomst. Het ter inzage geven van het TNO-rapport aan direct belanghebbenden is 2014 TNO

2 2t8 I nhoudsopgave 1 lnleiding Achtergrond Omhullingsmaterialon, installaties en kasconcepten generiek Specifieke aspecten van omhullingsmaterialen, installaties en kasconcepten 6 Omhulllingsmaterialen...,,...6 Kasklimatisering en installaties...6 Systeemintegratie (SIOM) Samenwerking en strategische partnering...8

3 3/8 1 lnleiding TNO maakt elke vier jaar een strategisch plan. Het strategisch plan (Trends, Transities, TNO) geeft aan dat TNO zal werken aan 5 thema's met in totaal 23 roadmaps. ln thema Leefomgeving wordt gewerkt aan de volgende roadmaps:. Logistics and Mobility o Environment and Sustainability. Buildings and lnfrastructure. Smart Cities Dit vraaggestuurde programma geeft de uitwerking van de kennisontwikkeling binnen de roadmap Buildings and lnfrastructure voor de glastuinbouw. 2 Achtergrond Dit VP 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, st gende welvaart en voedselveiligheid problemen. Dit betekent dat Nederland een transitie doormaakt. Het teeltareaal in Nederland zal afnemen. De uitdaging voor de Nederlandse tuinders is om hun hoge technologieniveau in te zetten voor gerichte productie van specifieke inhoudsstoffen (van "wasserbombe" naar "kas als apotheek"). Voor het toeleverend cluster zijn er grote kansen om internationaal tuinbouw te ontwikkelen mits de juiste kasconcepten worden aangeboden. Een algemene trend is dat er behoefte is aan productie van gewassen met minimaal gebruik van water, nutriënten en energie. ln de onderstaande afbeelding is het basisprincipe van de tuinbouw weergegeven.

4 4t8 Ventilatie / vochtbeheersing / Dag- en kunstl cht Warmte / koude Model based design en model based control ln samenspraak met de bedrijven, brancheverenigingen en PT is in 201'1 een roadmap opgesteld, waarin de benodigde kennisontwikkelingen zijn bepaald. ln 2013 is deze roadmap in samenwerking met de AVAG herzien. Dit deelprogramma sluit hierbij aan. Voor de inhoudelijke aansturing en de valorisatie van de opgebouwde kennis wordt samengewerkt met Sticht ng STOREKA. STOREKA inventariseert de innovatiebehoefte bij de toeleverende bedrijven en organiseert draagvlak voor het benodigde private commitment. De kennisontwikkeling in de onderscheiden technologielijnen) wordt eerst voor glastuinbouw algemeen beschreven en daarna aangevuld met specifieke aspecten voor (zie onderstaande tabel): omhullings-materialen, kasklimatisering en installaties, kasconcepten. c o c E o) o c.c. C' (l) F Beoordelingskaders en besf ssrngson d e rsteu n i n g Modelleing lnspectie, monitoring en datamanagement Maken: materialen en componenten Omhullingsmaterialan v g (Þ G lù Kasklimatisering en installaties g v (Þ õ lù.þ.þ qt d" d' Kasconcepten v g (v) ô'.o p

5 5/8 3 Omhullingsmaterialen, installaties en kasconcepten gener ek Beoordel i n gskaders en bes/rssrn gsonde rste u n i ng Beslissingsondersteunende systemen waarmee de beslisser (de investeerder of de tuinder) in samenspraak met de aanbieder van het kassysteem inzicht krijgt in de consequenties van de ontwerpbeslissingen. Hiertoe worden modellen en monitoringsgegevens gekoppeld in een beslissingsondersteunend systeem (SlOM, Systeem lntegratie en Optimalisatie Model). Modellering Hier wordt kennis ontwikkeld om te komen tot 3D kasklimaatmodellen die gebruikt kunnen worden voor zowel kasontwerp als model based control. Daarnaast wordt de basiskennis over veiligheidsniveau en daarmee samenhangende belastingen op kassen uitgesplitst zodat het eenvoudig toegepast kan worden in een andere situatie (bijvoorbeeld van de Europese windbelastingen de stap maken naar tyfoon belastingen in de tropen). lnspectie, monitoring en datamanagement Om te komen tot goed presterende kasconcepten onder diverse klimatologische condities is het noodzakelijk om door middel van monitoring van bestaande kassen inzicht te krijgen in de prestatie van gerealiseerde kassen. De uitdaging ligt in het uitsplitsen van gebruikersinvloeden en reguliere regel strategieên. Ook dient gezocht worden naar het effect van bepaalde condities in de kas op de gewasproductie. De toeleveranciers zijn gefragmenteerd, dat wil zeggen dat voor ieder deelsysteem een apart (MKB) bedrijf verantwoordelijk is. Grote winst kan behaald worden door in ontwerp en product ontwikkelstadium uniforme gegevensuitwisseling mogelijk te maken tussen de diverse partijen, zodat componenten beter op elkaar aansluiten en productontwikkeling/ kasontwerp wordt versneld. De kennis opgebouwd rondom bouwinformatiesystemen (BlM) wordt toegepast op de glastuinbouw situatie (Kas lnformatie Model, KIM). Maken: materialen en componenten Op materiaalgebied wordt kennis ontwikkeld voor innovatieve coatings die kunnen worden toegepast op de kasomhulling. Daarnaast wordt kennis ontwikkeld om (dunne film) PV te integreren in de kasomhulling. Er z n bepaalde ontbrekende componenten om te komen tot optimale kasconcepten voor respectievelijk warme droge en warme vochtige gebieden. Het betreft met name technologie voor ontvochtiging en energiezuinige koeling, waterbehandeling en low cost systemen voor warmteoogst en -opslag.

6 6/8 4 Specifieke aspecten van omhullingsmaterialen, installaties en kasconcepten 4.1 Omhulllingsmaterialen Er is behoefte aan nieuwe selectieve omhullingsmaterialen met eigenschappen als elektriciteitsopwekking, selectieve spectrale eigenschappen, minimale vervuiling en optimale plantgroei. De schil van de kas bepaalt in hoge mate het energiegebruik, watergebruik en productie. Hierbij zijn de eisen aan de schiltegengesteld, 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. Om de gewenste gewasproductie efficiëntie te bereiken, is het noodzakelijk om over te schakelen op adaptieve (low cost) omhullingsmaterialen. TNO levert een hieraan een bijdrage met de ontwikkeling van kennis op verschillende deelsporen:. lntegratie van PV technologie in de kasomhulling;. lnnovatie materialen voor schermdoeken, waarbij d.m.v. coatings, nanotechnieken en productietechnieken gewerkt wordt aan compacte duurzame materialen met hoge isolerende eigenschappen;. Coatings en microstructuren op glas of folie om de eigenschappen van het omhullingsmateriaal te verbeteren (transmissie eigenschappen gedurende de dag, minder hechting van vervuiling, diffusie gedrag). 4.2 Kasklimatiseringeninstallaties Beter inzicht is nodig in het effect van (combinaties van) moderne klimatiseringsinstallaties op het daadwerkelijke klimaat (luchtbeweging, temperatuur en vochtigheid) in de kas. ln dit kader worden modellen voor model based design en model based control ontwikkeld, alsmede nieuwe principes ontwikkeld voor klimatisering. Doordat kassen steeds groter en meerlaags worden en worden toegepast in diverse klimaten, schieten bestaande klimatiseringstechnieken tekort om het gewenste stabiele teeltklimaat te realiseren. Er veel aandacht besteed aan 3D klimaat modellering in kassen met CFD (Computational Fluid Dynamics). Deze studies zijn te complex om te gebruiken bij het ontwerp van kassen of klimaatregeling. De laatste jaren is hierdoor een kloof ontstaan tussen de praktijksituatie en de onderzoekswereld. ln de vorige strategieperiode heeft TNO een fysisch multizone 3D kasklimaatmodel ontwikkeld waarmee snel inzicht kan worden verkregen in het effect van bepaalde installaties op het microklimaat in de kas. De komende periode staat in het teken van uitbreiden en toepasbaar maken van dit model en ontwikkelen van nieuwe installaties / regel strategieën:. Uitbreiden en valideren van het fysische multizone klimaatmodel en regelmodel. Doelvan dit model is tweeledig. Enerzijds kunnen snel effecten van en synergie tussen diverse kascomponenten op het klimaat worden bepaald (schermdoeken, ontvochtigers, koeling, luchtbehandeling etc). Daarnaast kan het model ingepast worden 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;

7 7t8. Ontwikkelen van nieuwe innovatieve installaties voor bijvoorbeeld ontvochtiging van kassen, lokaal klimatiseren, etc.. Ontwikkelen van innovatieve regel strategieên gebaseerd op model based control. ln ieder geval in 2015 zal daarbij in het kader van stimulering van samenwerking tussen TO2 instituten aan de volgende onderuverpen een extra impuls worden geven: Bij model based control bepaalt een klimaatcomputer op ieder moment de bijdrage van de aanwezige installaties en kiest de meest optimale strategie om de klimaatdoelen te bereiken. Om dit mogelijk te maken is input nodig van een nauwkeurig sensornetwerk in de kas. De huidige sensor technologieen zijn onnauwkeurig in de vochtige kascondities. Fiber Brag optische glasvezel sensoren worden door TNO ingebracht om door WUR op praktische bruikbaarheid te worden getest in de kasomgeving. lndien deze technologie succesvol is zal deze gekoppeld worden aan het 3D kasklimaatmodel. 4.3 Systeemintegratie(SIOM) Bij de introductie van nieuwe kasconcepten in diverse landen op de wereld is beslissingsondersteuning nodig. Gezien de toenemende vraag naar specifieke kasconcepten voor lokale klimaatcondities is er behoefte aan een snelle manier om diverse 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. Dit kan ondervangen worden 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 uit te kunnen voeren aan de hand van een beslissing ondersteunend systeem waarmee op verschillende abstractie niveaus simulaties kunnen worden gemaakt. De afgelopen strategieperiode is hiervoor het SIOM framework ontwikkeld en z n er eerste pilots geweest om de werking aan te tonen. De komende strategieperiode wordt samen met de gebruikersgroep gewerkt aan de uitrol en uitbreiding van SIOM onder de bedrijven. De te ontwikkelen kennis betreft. Koppeling maken met de opgebouwde kennis en modellen van andere kennisinstellingen en consultants, (in het bijzonder WUR), zodat deze via SIOM toegankelijk worden voor de bedrijven, o Online validatie en aanpassing van de modellen aan de hand van praktijkdata in gerealiseerde kassen;. lnvullen van kennishiaten bij het ontwerpen van kassen voor andere klimaatzones, bijvoorbeeld tyfoon windbelastingen, aardbevingen etc. Hiertoe wordt kennis opgebouwd rondom drukverdelingen en vormfactoren op en in kassen. Hiermee wordt beoogd zowel op veiligheidsgebied (maximale windbelasting op (grote) kasdekken, buitenschermen ed.) als op kasklimaat luchtuitwisseling door luchtramen en het effect van mechanische ventilatie innovatiesprongen te kunnen maken;. Ontwikkelen van nieuwe kasconcepten voor specifieke landen, zoals tropische kassen en mid tech kassen.

8 5 Samenwerking en strategische partner ng DLO Er is een verkenning gestart waarin DLO en TNO ondezoeken hoe ze gezamenlijk kunnen optrekken op het gebied van Tuinbouwtechniek gericht op: systeemintegratie, waterbehandeling, CO2. Ook een vertegenwoordiging van het bedrijfsleven wordt hierb'rj betrokken (toeleveranciers en kwekers). De ambitie is dat als resultaat van de verkenning er een gezamenlijk gedragen PPS Tuinbouwtechniek wordt gevormd die aansluit op de bestaande PPS-en zoals Glastuinbouw Waterproof en Kas als Energiebron. Waar in de bestaande PPS-en de