Somogyvári Márta 1 Kiss Tibor 2 Üvegházi növénytermelés energetikai szempontú optimalizálása Optimization of greenhouse production from energetic point of view somogyv@ktk.pte.hu 1 Pécsi Tudományegyetem Közgazdaságtudományi Kar 2 Pécsi Tudományegyetem Közgazdaságtudományi Kar A klímaváltozás hatása a növénytermesztésre A klímaváltozás komplex jelenségek összjátéka és ezek sok tekintetben megváltoztatják a jövő mezőgazdaságát. A sztratoszféra ózonrétegének elvékonyodása minden bizonnyal a jövőben is folytatódik az ózonburokra negatívan ható anyagok használatának a csökkentésére irányuló intézkedések ellenére. Az ózon csökkenése az ultraibolya B sugárzás növekedéséhez vezet, ami a fotoszintetizáló növények életfolyamataira is erőteljesen kihat (Tevoni -Teramura 1989). Ezek között a hatások között találjuk a csökkentett fotoszintézist, csökkenő termésmennyiséget, megváltozó termésminőséget (Barnes et al. 1988, Tevoni et al. 1989). A klímaváltozás során a megnövekedett CO2 szint egyrészt pozitívan hathat a növényekre, fokozva a fotoszintézist pld. a szója, paradicsom, kelkáposzta esetében, de a hosszú távú magasabb CO2 szint csökkentheti is a fotoszintézist, ezt mutatták ki pld. a dohány esetében (Wong 1979). A magas CO2 szint viszont a fotoszintézis fokozásával párhuzamosan csökkenti a növények nitrogén,- fehérje és ásványi anyagtartalmát (Taub 2010). A magas UV-B sugárzás és a magas CO2 szint együttesen akár ki is oltja egymás hatását (Ziska-Teramura 1991). A két jelenség nem fordul elő szükségszerűen együtt, hiszen az üvegházhatású gázok és így a CO2 szint növekedése mindenütt egyformán hat, az UV-B sugárzás növekedése viszont leginkább a poláris régiókban és bizonyos időszakokban az északi féltekén érződik (Seitz 1994). Az üvegházhatású gázok növekvő szintje az atmoszférában a hőmérséklet emelkedése mellett a csapadékviszonyok megváltozását is okozhatja. Amennyiben a jelenlegi helyzet állandósul és nem csak egy néhány éves vagy évtizedes időjárási kilengésnek vagyunk tanúi, akkor a jövőben is azzal kell számolni, hogy a csapadék Magyarországon egyre inkább koncentráltan esik le, egy-egy területre viszonylag rövid idő alatt akár az egész éves csapadékmennyiség is lezúdul, s közben hosszú, száraz, aszályos és nagyon forró időszakokkal kell számolni. A klímaváltozás negatív hatásait csökkentő stratégiai lehetőségek A klímaváltozás negatív hatásai oda vezethetnek, hogy egy-egy növénykultúra esetében megsemmisül a teljes termés vagy a termés egy része, s bizonyos növények már nem, vagy csak nagy kockázattal termelhetők meg az adott termőhelyen a megváltozott klimatikus viszonyok miatt. Az adott terület élelmiszerellátása erre reagálhat importtal, a klímaváltozás hatásait 235
csökkentő termesztési módszerekkel vagy az új klimatikus viszonyoknak megfelelő növények termesztésével. Az import valójában a mai zöldség-gyümölcs ellátási gyakorlat, amelynek az üzleti modellje az élelmiszerek iránti kereslet időtől és a termelés ritmusától független kielégítését jelenti: bármikor, bárhol bármilyen zöldséghez, gyümölcshöz hozzá lehet férni, tekintet nélkül az évszakra vagy a szállítási távolságokra. A klímaváltozás negatív hatásait csökkentő termesztési módszerek esetében a szántóföldi kultúráknál az öntözés, a szárazságnak jobban ellenálló talajt eredményező talajművelési és tápanyag visszapótlási módszerek, a kertészeti kultúrák esetében pedig az üvegházi termesztés, illetve a növények különböző időjárási hatások elleni védelme (árnyékolás, rovarhálóval történő védelem, jégháló, jégkár elleni rendszerek, stb.) jöhet szóba. A harmadik lehetőség szerint olyan növényeket termelünk, amelyeknek az igényei megfelelnek a megváltozott klimatikus feltételeknek. Ehhez ismernünk kell a megváltozott klíma jellegzetességeit, azokat a faktorokat, amelyek befolyásolják a növények növekedését. Ezen kívül valamilyen módszert kell találnunk arra, hogy kiválasszuk azokat a növényeket, amelyek az új klimatikus viszonyok között is megfelelő termést adnak. Ezek a növények származhatnak a megváltozott klímához hasonló klímájú területről, illetve különböző nemesítési módszerekkel létre lehet őket hozni a termesztett fajták variációjaként. Mind a három fenti stratégiára bőven találunk példát, hiszen ezek hozzátartoznak a mezőgazdasági termelés és az élelmiszerellátás tradícióihoz. Ami új a 21. században, az a változás gyorsasága, hiszen a klíma nem több száz év alatt, hanem néhány évtized alatt is drámaian megváltozhat talán már meg is változott. Az évente megismétlődő katasztrófahelyzetek (fagykár, jégkár, aszály, új betegségek, kártevők megjelenése, rovarok gradációja, stb.) és az ennek hatására megfigyelhető lokális, regionális vagy akár országos termésátlag ingadozások azt mutatják, hogy az adaptációra, illetve az ezzel kapcsolatos kísérletezésre nem áll rendelkezésünkre sok-sok termelési ciklus. Az üvegházi szimulációs modell A számítógépes szimulációk lehetőséget adnak arra, hogy az egyes termelési ciklusok töredéke alatt megvizsgáljuk, milyen növények számára optimálisak bizonyos klimatikus feltételek, illetve mikor érdemes termeszteni az adott klimatikus igényekkel rendelkező növényeket, ha maradéktalanul ki szeretnénk elégíteni a növény igényeit. Bár az általunk bemutatott módszer valamennyi növénynél, vagyis a szántóföldi kultúrák, ill. szabadföldi termesztés esetén is alkalmazható, az üvegházi szimulációt választottuk, mert ebben az esetben kontrollálni tudjuk a növény fejlődését irányító valamennyi faktort. Az üvegházi termelés illetve a kontrollált klímájú mezőgazdasági termelés egy lehetséges válasz a bevezetőben leírt klimatikus kihívásokra. 236
1.1.1 A modell célja A hőmérséklet és a fény az a két faktor, aminek a biztosítása az üvegházi termelés során a legnagyobb energetikai kihívás elé állítja a termelőket, s ugyanakkor ez a két faktor alapvetően meghatározza a növények fejlődését is. Az üvegházakban megfelelő berendezésekkel gyakorlatilag a Földön bárhol, bármilyen klímát elő tudunk állítani, bármilyen növénykultúra számára ideális feltételeket tudunk teremteni. Ez a termelési módszer, amennyiben hosszú időszakokon keresztül kell mesterséges fényt alkalmazni és/vagy az üvegház hőmérséklete jelentősen eltér a külső hőmérséklettől, akkor nagyon költséges, hiszen nagy energiafelhasználással jár. A modell célja nem egy valós növény termesztésének vizsgálata, hanem egy olyan általános módszertannak a kidolgozása, amelynek során el lehet dönteni, hogy egy adott környezeti igényekkel rendelkező növény mikor termeszthető, s ez milyen költségekkel jár. Első lépésben a modellünk valójában azt szimulálja, hogy a külső időjárástól függően a téli időszakban mennyi energiára van szükség különböző fűtési módok esetében egy passzív hőtároló tömegekkel ellátott üvegházban egy elképzelt növény optimális fejlődéséhez szükséges hőmérséklet biztosításához. A modellezéshez a Somogyvári et al (2012) tanulmányban bemutatott üvegházi szimulációt használtuk fel. 1.1.2 A modell alapfeltételezései A modell a Penninger de Vries (1989) által meghatározott négy produkciós modell közül az elsőn alapszik, amely szerint az üvegházi termesztésben a napsugárzás és hőmérséklet, illetve természetesen a növény fejlődési állapota határozza meg a növekedést, vagyis a termőhelynek nincs víz s tápanyaghiánya. 1.1.3 Az üvegház méretei, felépítése A modell célja az üvegház klímájának a modellezése az összes évi hőmennyiség meghatározásához, ami a belső klíma optimális szinten tartásához szükséges. Az alábbiakban ismertetjük az üvegház, s a passzív hőtároló tömegként működő, kaviccsal töltött termesztőedények és a szintén hőtároló tömegként működő, földbe süllyesztett víztartály adatait. 237
Az üvegház méreteit az 1. ábra mutatja be. Hosszúság (m) 20 Szélesség (m) 10 Ereszcsatorna-magasság (m) 4 Tetőmagasság (m) 6.3 Alapterület (m 2 ) 200 Üvegfelület (m 2 ) 321 Az üvegház térfogata (m 3 ) 1545 A levegő térfogata (m 3 ) 1030 Növényágyások (kavicságy) (m 2 ) Kavicságy mélysége (m) 150 0,3 A kavics térfogata (m 3 ) 40 A kavics sűrűsége 250 A kavics felszínének területe (m 2 ) A kavics felszínének fajlagos területe m 2 /m 3 A kavics tömege (kg) 1350 0 300 810 000 A víztartály térfogata (m 3 ) 33 A víztartály mélysége (m) 1.2 Vízfelület (m 2 ) 27.5 Szellőzési veszteség (l/h) 2 1. ábra az üvegház méretezése. Forrás: saját szerkesztés 2.3 4.0 1.2 5.24 10.0 1.2 Az üvegházi klímának az optimalizáció során figyelembe vett faktorai A módszertan kidolgozásának első lépéseként csak az üvegház hőmérsékletének hatását vizsgáltuk az elképzelt növénykultúra fejlődésére. Egyelőre kihagytuk a fény, a belső páratartalom és a CO2 szint hatását. Amíg a CO2 szint kihagyása nem befolyásolja az optimalizáció eredményét, hiszen az üvegházi körülmények között csak a 800 1000 ppm körül CO2 szintnek van érzékelhető hatása (Salomez 2007), amit csak aktív CO2 trágyázással tudunk 238
elérni, addig a relatív páratartalom minden egyes üvegházi termesztésben egy nagyon fontos faktor, amit a későbbi szimulációkban figyelembe kell venni. A túl magas páratartalom a gombabetegségek elterjedéséhez vezethet, s ezért szellőztetni kell az üvegházat, ami viszont megnövelheti a fűtési igényt. Ugyanilyen probléma lehet a túlmelegedés, amit egyelőre még nem építettünk be a modellbe, feltételezve, hogy a téli időszakban, amit vizsgáltunk, ezt megfelelő árnyékolással illetve szellőztetéssel ki lehet küszöbölni, de ennek hatását sem vettük figyelembe a szimulációnál. A későbbiekben szükségessé válhat a túlmelegedés megakadályozása érdekében nyáron hűtési rendszer üzemeltetése. A páratartalom optimális szintjének beállításával kapcsolatos hatásokat illetve a fejlődéshez szükséges fény biztosításához szükséges energiát is a későbbi szimulációkba építjük be. Jelen modell célja a fűtési hőigény és a fűtéssel kapcsolatos költségek bemutatása a növények különböző időpontban történő termelése esetén. 1.2.1 A vizsgált növény dinamikus igényei A vizsgált növény egy minta-saláta, amit az üvegházban palántaként ültetnek ki. A növekedés során két fázist különböztettünk meg, a palánta fejlődését, illetve a növekedést. Ez a két fázis különböző környezeti feltételeket, vagyis különböző hőmérsékletet kíván aszerint, hogy mennyi fény éri a növényt, illetve éjjel van, vagy nappal. Mind a levegő, mind a termesztőközeg hőmérsékletét figyelembe vettük a szimuláció során (1. táblázat). Minta Saláta (palántáról Palántanev Növeked ültetve) elés és Időtartam (nap) 30 30 Termesztőközeg hőmérséklet 0 C minimum 9 1 maximum 20 15 optimum 14 7 Levegő hőmérséklet 0 C Nappal minimum 8 7 maximum 20 20 optimum 15 14 Éjjel minimum 2 3 maximum 16 17 optimum 9 10 1. táblázat: A saláta klimatikus igényei 239
A modell felépítése és az optimalizálás menete A modellezés alapjaként készített rendszerdinamikai modell részletes leírása megtalálható a Somogyvári et. al. (2012) tanulmányban, itt csak fontosabb elemeket emeljük ki. A három fontos közeg, amelynek a hőmérsékletét vizsgáljuk és a fűtését biztosíthatjuk a levegő, a víz és a kavicságy. A rendszerdinamikai modellben a tényezők közötti kapcsolatot is modelleztük, így az egyik közeg fűtése befolyásolta a másik két közeg hőmérsékletét is. Az adatsor 2010. szeptember 1-től 2012. március 1-ig terjedően tartalmaz adatokat. A legfontosabb feladat, ami a minimális energiafogyasztás meghatározásához szükséges, az az egyes növények optimális hőszükségletének és az üvegház belső hőmérsékletének a különbsége, illetve azok összege. A saláta palántafázisa valamint növekedési időszaka is 30 napos, így 60 napos szimulációs időkkel számoltunk. Az alábbi ábra azokat a hőmennyiségeket tartalmazza, amelyek azt az eltérésösszeget mutatják, amely az első nap (2010.09.01) kezdő időponttal egy 60 napos perióduson belüli összeltérés, a következő adat a második napi (2010.09.02) kezdő időponttal történő ültetés eltérésösszegét számolja, és így tovább. A teljes eltérésösszeggel számoltunk, tehát a pozitív és negatív irányú eltérések is szerepelnek az eltérésösszegben. Fontos megjegyeznünk, hogy a természetes hőmérsékletalakulás mérése volt a cél, tehát nem alkalmaztunk fűtést ennél az alapesetnél. 2. ábra az egy éves szimulációs időszak során az üvegház belső klímájának eltérése a növény számára optimális hőmérsékletektől. Forrás: saját szerkesztés Amennyiben az eltérésösszeget csak a negatív eltérésekre számoljuk ki (fűtési igény), úgy a következő ábrát kapjuk (3. ábra): 240
3. ábra A negatív eltérések összege. Forrás: saját szerkesztés Látható, hogy mindkét ábra minimumértékei ugyanarra az időszakra esnek, így a továbbiakban ezek alapján dolgoztuk ki a vizsgált szcenáriókat. Eredmények A 2. ábrából látszik, hogy a legnagyobb fűtési hőigénnyel a 2010. szeptember 1-én induló teljes évet átfogó fűtés nélkül lefuttatott szimuláció 49. és 157. napja között, azaz október 19 és február 4 között kell számolni. A szimuláció során különböző szcenáriókat futtattunk le, amelyek azt mutatják meg, hogy az őszi-téli időszakban mekkora a fűtési hőigénye egy-egy termelési ciklusnak (azaz 60 napnak). Az egyes szcenáriók során háromféle fűtési módot alkalmaztunk. A fűtés akkor kapcsolt be mindhárom esetben, amikor az adott közeg levegő vagy termesztő közeg hőmérséklete elérte a minimum szintet, azután kikapcsolt. A víz fűtése esetén a levegő hőmérsékletének ingadozása kapcsolta be a víz fűtését. 1. szcenárió: Ebben az esetben a víztartály üres volt, vagyis a 33 m3 víz passzív hőtároló hatása nem érvényesült és csak a levegőt és a termesztő közegként funkcionáló kavicsot fűtöttük. 2. szcenárió: A víz passzív hőtároló tömegként működött, a levegőt és termesztő közeget fűtöttük. 3. szcenárió: A harmadik esetben a víz nem csupán passzív hőtároló tömegként működött, hanem közvetlenül a vizet fűtöttük és emellett a termesztő közeg fűtésére is sort került, hogy a megfelelő gyökérzóna hőmérsékletet is biztosítsuk. Az eredményeket a 4. ábra összegzi. A fűtés nélküli üvegház viselkedését mutató görbe alapján választottuk ki azokat a napokat, amikor elindítottuk a termesztési ciklust. A december különböző napjain elinduló ciklusok közötti fűtési hőigény különbsége akár 1000 kwh is lehet, a 2010 december 8.-án és 19.-én elindított tenyésztési ciklus hőigénye közötti különbség több mint 1000 kwh, ami azt jelenti, hogy az első ciklusban a hidegebb idő hatására csaknem 20%- kal több a fűtési hőigény, mint a másodikban. 241
Bár az időjárást előre nem ismerjük, s nem tudjuk meghatározni, hogy pontosan milyen energiaigénye lesz egy 60 napos ciklusnak, de ezzel a módszerrel megbecsülhetjük, hogy mekkora hőigény szükséges egy meleg, átlagos vagy nagyon hideg évben az üvegház fűtéséhez. A szimulációk segítségével így megadható a termelési költségek változása és becsülhető az adott időszakban a termelés kockázata is a különböző időjárási körülmények között. Ehhez csupán a megfelelő időjárású évek hőmérsékleti és globálsugárzás adataival kell a modellt futtatni. Ha rendelkezésre állnak a helyi adatok, akkor egészen specifikusan az adott helyen telepítendő üvegház és a termelendő növénykultúrák beruházási, termelési kockázatai is kiszámolhatók ezzel a módszerrel, figyelembe véve az egyes telepítési időpontokat is. Az így nyert adatoknak nagy jelentősége van akkor, ha a termelt növények, pld. dísznövények vagy szezonális termékek eladása egy adott dátumhoz kötődik. Az üzleti tervek készítésénél, a beruházások pénzügyi kockázatának becslésénél ezzel a módszerrel viszonylag pontosan kvantifikálhatjuk a különböző évek eltérő időjárásából adódó kockázatokat. 4. ábra Fűtési hőigény különböző fűtési módokkal az adott napokon kiültetett kultúrák esetében egy ciklusra (kwh). Forrás: saját szerkesztés A 4. ábra eredményei azt mutatják, hogy az első két szcenárió eredményei között nincs lényeges eltérés a fűtési hőigény tekintetében. A víz, mint hőtároló tömeg csak abban az esetben fejt ki hatást, ha azt fűtjük föl. Ha csak a levegőt fűtjük, akkor a víztömeg csak jelentéktelen mértékben csökkenti a fűtési hőigényt. Ennek az elsődleges oka az, hogy a víztartály a vizsgált modellben be van ásva a földbe, vagyis az alja és az oldala szigetelve van és így gyakorlatilag elenyésző a szoláris nyeresége, vagyis nem, vagy alig hasznosítja a nap hősugárzását. A víz, mint hőtároló tömeg fűtése viszont nagyon nagy energetikai nyereséget jelent, ahogy azt az 5. ábra külön is mutatja, s hatása természetesen azokban az időszakokban a legjelentősebb, amikor a leghidegebb van. Ez az eredmény egybevág azzal a régi gyakorlattal, amikor a hajtatóházakban egy kazánnal víztartályt fűtöttek fel a megfelelő hőmérséklet elérésére. 242
5. ábra Hőigény különbség a víztartály nélküli és a víz- és kavicsfűtéses változat között egy-egy 60 napos termesztési ciklus esetében (kwh) A különbségek számítási módjánál a víztömeg fűtésével (3. szcenárió) és a passzív, tele víztartállyal (2. szcenárió) végzett számítási adatokat vettük figyelembe (mivel az 1. és a 2. szcenárió gyakorlatilag ugyanazokat az eredményeket adta). Összegzés A valós időjárási adatokon alapuló üvegházi szimuláció lehetőséget ad arra, hogy megmutassuk, mikor optimális egy-egy növény termesztése, melyik napokon indítva lehet a legkisebb energiaigénnyel működtetni az üvegházat a kívánt hőmérsékleten. Jelen tanulmányban bemutattuk, hogy ezzel a módszerrel becsülhetőek egy adott növény termelési ciklusára a termelés energiaköltségei, illetve ex post megadható, hogy egy adott évben a lokális időjárási adatok esetében mikor lehetett legkisebb energiaköltséggel termelni az adott kultúrát. A jelen tanulmány az optimális hőmérsékleti igények alapján lefuttatott üvegházi szimuláció eredményeit mutatja be, s a bemutatott szcenáriók során azt is igazoltuk, hogy az üvegházi termelésben a hőtároló tömeg - jelen esetben a termesztő közegként használt kavics és víz fűtése esetén sokkal kisebb fűtési hőigény jelentkezik, mint csak a levegő fűtése esetén. A további kutatások során a modellt kibővítjük, figyelembe véve az optimális páratartalom beállításának, illetve a túlmelegedés kiküszöbölésnek energetikai és szellőztetési problémáit, valamint a világítás energiaigényét, s megvizsgáljuk az energiaigényt más klimatikus igényű növénykultúrák esetében is, valamint kiegészítjük a modellt egy olyan szakértői rendszerré, 243
amivel lehetővé válik az üvegházi beruházások időjárásból adódó termelési kockázatainak pontosabb becslése. Irodalom: Barnes, P.W., Jordan, P.W., Gold, W.G., Flint, S.D. and Caldwell, M.M. (1988) Competition, morphology, and canopy structure in wheat (Triticum aestivum L.) and wild oat (Avena futuru L.) exposed to enhanced ultraviolet-b radiation. Funct. Ecol. 2: 319-330. Penning de Vries, F.W.T., Jansen, D.M., ten Berge, H.F.M., and Bakema, A. Editors. (1989) Simulation of Ecophysiological Processes of Growth in Several Annual Crops. International Rice Research Institute, Los Baiios. Simulation Monographs 29, Pudoc, Wageningen, Seitz, F. (1994) Global Warming and Ozone Hole Controversies, A Challenge to Scientific Judgement. G.C. Marshall Institute, Washington DC. 32 p. Somogyvári, M Kiss, T., Kiss, V., Vajda, J. (2012) Akvapóniás üvegházak energiaigénye. Georgikon 2012. http://napok.georgikon.hu/cikkadatbazis-2012/doc_view/48-somogyvari-marta-kisstibor-kiss-viktor-vajda-jozsef-akvaponias-uveghazak-energiaigenye Straten, G. van Straten H. Challa F. Buwalda (2000) Towards user accepted optimal control of greenhouse climate. Computers and Electronics in Agriculture 26 (2000) 221 238 Taub, D. (2010) Effects of Rising Atmospheric Concentrations of Carbon Dioxide on Plants. Nature Education Knowledge 3(10):21 Tevini, M., Braun, J., Grusemann, P. and Ros, J. (1989) UVWirkungen auf Nutzpflanzen. In: Laufener Seminars, 3/88,pp 38-52, Akad. Natursch. Landschaftspfl., Laufen/ Salzach. Tevini, M.M. and Teramura, A.H. (1989) UV-B effects on terrestrial plants. Photochem. Photobiol. 50: 479-487. Wong, SC. (1979). Elevated atmospheric partial pressure of CO, and plant. Oecologia 44, 68-74. Ziska, L.H. and Teramura, A.H. (1991) Interaction of elevated CO, and UV-B radiation ou growth and photosynthesis in rice. Plant Physiology 96 (Supp.): 22. 244