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Downloads: Leuchtmittel für die Pflanzenbelichtung im Produktionsgartenbau

Das neue KTBL-Blatt 732 (siehe TASPO 34/13, Seite 12+13) befasst sich mit dem Thema Leuchtmittel für die Pflanzenbelichtung im Produktionsgartenbau. Autor Dr. Thorsten Bornwaßer gibt darin unter anderem einen Überblick über die in der Praxis verwendeten Leuchtmittel-Arten, den wir an dieser Stelle wiedergeben. Darüber hinaus werden in der Branche viele herkömmliche, nicht speziell für die Pflanzenbelichtung entwickelte Leuchtmittel, verwendet, bei denen Angaben über die für die Assimilation wichtige Strahlung fehlen. 

Einsatz einer LED-Beleuchtung im Pflanzenbestand (intercrop lighting; Abb. 3 im KTBL-Arbeitsblatt). Foto: DHLicht/2012

Dies spiegelt sich in den hier dargestellten Tabellen 4 bis 6 wider, für die die Werte teilweise berechnet werden mussten (Angaben in Klammern). Angefügt haben wir auch das umfangreiche Literaturverzeichnis sowie das Glossar.

Gasentladungslampen
Die Hochdruck-Natriumdampflampen (NDL), die Metallhalogen-Dampflampen (MHDL) und die Leuchtstofflampen (LSL) gehören zu den Gasentladungslampen. Bei ihnen fließt Strom durch ein Gas in einem Glasrohr, wodurch Strahlung erzeugt wird. Bei der Hochdruck-Natriumdampflampe und der Metallhalogen-Dampflampe befindet sich das Glasrohr mit dem Gas (Brennrohr) zusätzlich in einem Glaskolben. Gasentladungslampen benötigen Vorschaltgeräte mit Zünder, welche zu Betriebsbeginn die Lampe zünden und eine konstante Spannung gewährleisten. Teilweise sind die Lampen über ein elektronisches Vorschaltgerät (EVG) dimmbar. Vor allem die Hochdruck-Natriumdampflampen und die Metallhalogen-Dampflampen benötigen nach dem Zünden einige Minuten bis sie die volle Strahlungsleistung erreicht haben.

Hochdruck-Natriumdampflampe (NDL)
Die Hochdruck-Natriumdampflampen fallen durch ihre gelbliche Lichtfarbe auf. Die Strahlung wird überwiegend im grüngelben und im roten Wellenlängenbereich erzeugt. Das Strahlungsspektrum ist bei der Hochdruck-Natriumdampflampe teilweise speziell für die Pflanzenbelichtung optimiert. Sie haben eine hohe Strahlungsleistung und verfügen über eine gute Photonenflussausbeute (Tab. 4). Sie sind in Ausführungen ab 50 W bis über 1.000 W in Röhren- oder Ellipsoidform erhältlich. Im Gewächshaus werden überwiegend Ausführungen mit 400 und 600 W und teilweise mit 250- und 1.000-W-Ausführungen in Röhrenform verwendet. Das Vorschaltgerät mit Zündung befindet sich in einem Gehäuse mit Halterung für die Lampe und einem über der Lampe liegenden Reflektor aus Aluminium. Die Lebensdauer, also die Zeit bis die Strahlungsleistung einer Lampe unter 90 Prozent des Ausgangswertes fällt, liegt nach Herstellerangaben zwischen 8.000 und 13.000 Stunden.

Metallhalogen-Dampflampe (MHDL)
Die Metallhalogen-Dampflampen emittieren den höchsten Anteil der Strahlung im grünen und roten Wellenlängenbereich. Im Gegensatz zu den Hochdruck-Natriumdampflampen wird auch im violetten und blauen Wellenlängenbereich Strahlung emittiert. Dadurch erscheint das Licht neben rötlich scheinenden Hochdruck-Natriumdampflampen bläulich-kalt und wird als tageslichtähnlich beschrieben. Für Anwendungen im Gartenbau werden überwiegend Leuchten mit Leistungen von 250 und 400 W angeboten (Tab. 5).

Zwar wurden keine Metallhalogen-Dampflampen speziell für die Anwendung im Unterglasanbau konzipiert, sie finden aber trotzdem Anwendung als Assimilationsbelichtung. Oft werden sie in Kombination mit Hochdruck-Natriumdampflampen verwendet. Die Lebensdauer der Lampen liegt unterhalb der von Hochdruck-Natriumdampflampen und wird mit etwa 7.000 bis 10.000 Stunden angegeben. Bei den Metallhalogen-Dampflampen, ebenso wie bei der Hochdruck-Natriumdampflampe, sind die Quarztechnologie und die neuere Keramiktechnologie zu unterscheiden. Der Unterschied liegt dabei in den Materialien für das Brennrohr. Auf der Keramiktechnologie basierende Lampen sind meist langlebiger und haben eine höhere Farbstabilität. Weiterhin kann die Photonenflussausbeute durch die neuere Technologie erhöht werden.

Leuchtstofflampe (LSL)
Leuchtstofflampen gibt es in unterschiedlichen Formen und mit unterschiedlichen elektrischen Leistungen. Sie gehören zu den Niederdruck-Gasentladungslampen und sind innen mit einem fluoreszierenden Leuchtstoff beschichtet. Zur Belichtung von Kulturkammern werden Leuchtstofflampen in Röhrenform mit einem Durchmesser von 16 Millimeter (T5) und 26 Millimeter (T8) in unterschiedlichen Längen und dementsprechend unterschiedlichen elektrischen Leistungen verwendet. Allen voran sind die T8 Leuchtstofflampen mit 58 W (1.500 Millimeter) und 36 W (etwa 1.200 Millimeter) die am häufigsten anzutreffenden Ausführungen.

Leuchtstofflampen sind meist als warmweiß, neutralweiß oder kaltweiß leuchtende Lampen erhältlich, aber auch in speziell für die Pflanzenbelichtung entwickelten Ausführungen. Diese weisen dann einen höheren Anteil im blauen und roten Spektralbereich gegenüber herkömmlichen Leuchtstofflampen auf. Allerdings werden für die Pflanzenbelichtung in den Kulturkammern und den Regaletagen der In-vitro-Kultur öfter herkömmliche Lampen verwendet, da die Kosten für Speziallampen teilweise wesentlich höher sind. Überwiegend werden kaltweiße Leuchtstofflampen in Kulturkammern eingesetzt, oft, weil sie die höchste Lichtausbeute erzielen. Es werden jedoch auch, je nach zu belichtender Kultur, warmweiße oder neutralweiße Leuchtstofflampen verwendet.

Für die bessere Ausnutzung der von der Leuchtstofflampe emittierten Strahlung empfiehlt sich der Einsatz von Reflektoren über den Leuchtstofflampen, damit die nach oben ausgehende Strahlung nach unten zu den Pflanzen reflektiert wird. Es sind auch Leuchtstofflampen mit einem innen liegenden Reflektor erhältlich (zum Beispiel Philips Master TL-D Reflex, Sylvania Luxline Plus Reflektor; Tab. 6). Die Lebensdauer von Leuchtstofflampen wird mit 10.000 bis zu 14.000 Stunden angegeben.

Licht emittierende Diode (LED)
Licht emittierende Dioden (engl.: light emitting diode) sind Halbleiterbauelemente, bei denen der Chip aus Halbleitermaterialien besteht. Beim Anlegen einer Spannung und des entstehenden Stromflusses wird Strahlung in einer vom Halbleitermaterial abhängigen Wellenlänge emittiert (Elektrolumineszenz). Diese kann im Wellenlängenbereich der UV-Strahlung, der sichtbaren Strahlung (VIS) oder im nahen Infrarot (NIR) liegen.

LEDs zeichnen sich durch sehr schmale Emissionsspektren aus und sind in unterschiedlichen Farben und Weißtönen erhältlich. Dementsprechend vielfältig sind auch die Angebote an Leuchten. LEDs sind für Anwendungen im Gewächshaus, wie die Assimilationsbelichtung, die photoperiodische Belichtung und die Belichtung im Pflanzenbestand (intercrop lighting, Abb. 3) sowie in Kulturkammern erhältlich und werden aus unterschiedlichen Farben in einem bestimmten Verhältnis zusammengesetzt.

Die hohe Photonenflussausbeute und die lange Lebensdauer machen sie zu einem interessanten und innovativen Leuchtmittel. Die Lebensdauer einzelner LEDs wird mit bis zu 50.000 Stunden angegeben, die von LED-Leuchten mit bis zu 25.000 Stunden. Die photosynthetische Photonenflussausbeute von roten LEDs reicht derzeit bis 2,0 µmol s-1 W-1 und liegt damit höher als die von Hochdruck-Natriumdampflampen. Blaue LEDs liegen derzeit etwas über 1,0 µmol s-1 W-1. Kaltweiße LEDs liegen zwischen den Werten der blauen und der roten LEDs. Durch die Entwicklung der LEDs wird die PFA von grünen und orangen LEDs in den Wertebereich der blauen LEDs angehoben.

Die hohen Preise und die für die Assimilationsbelichtung im Gewächshaus zu geringe Strahlungsleistung sind von Nachteil. Um bei LED-Leuchten hohe Leistungen zu erzielen, müssen sehr viele LEDs in einer Leuchte untergebracht werden. Dabei spielen die Leuchtengröße (Beschattung) und das Temperaturmanagement (Wärmeabfuhr), welches sich auf die Lebensdauer und die Photonenflussausbeute auswirkt, eine wichtige Rolle.

Um eine mit einer NDL-Leuchte vergleichbare photosynthetische Photonenflussdichte zu erzielen, müssen meist mehrere LED-Leuchten eingesetzt werden, die bereits einzeln wesentlich teurer sind als eine NDL-Leuchte. Derzeit sind die LED-Leuchten für diese Anwendung mit einem Stückpreis von 1.000 Euro einzuordnen. Eine ökonomisch lohnenswerte Stromeinsparung ist bei der Assimilationsbelichtung im Gewächshaus mit LEDs derzeit nicht möglich. In Kulturräumen mit Regaletagen, also in der In-vitro-Kultur, bei der der Abstand zwischen Leuchte und Pflanze sehr gering ist, können LEDs schon heute zur Energieeinsparung beitragen. Dennoch machen auch hier die hohen Preise einen ökonomisch sinnvollen Einsatz fraglich.

Das optimale Strahlungsspektrum der Leuchte (Strahlungsqualität), das durch die Zusammenstellung unterschiedlicher LED-Typen und die Einstellmöglichkeiten der vielen Farbverhältnisse durch eine einfache Dimmung der einzelnen LED-Typen erzielt werden kann, stellt eine große Herausforderung dar. Das optimale Strahlungsspektrum ist pflanzenartspezifisch und kann sogar sortenabhängig sein. Durch die Vielfältigkeit der möglichen Strahlungsspektren der Leuchten kann hier kein allgemeiner Umrechnungsfaktor genannt werden. Dementsprechend gibt es bereits viele LED-Leuchten auf dem Markt, bei denen unterschiedliche Ausführungen mit verschiedenen Kombinationen der LED-Typen vorhanden sind oder bei denen die LED-Typen nach Wunsch zusammengestellt werden. Wie auch bei den anderen Leuchtmitteln sind die Herstellerangaben nicht einheitlich und deshalb teilweise nur schwer vergleichbar (Tab. 7).

Ein ökonomisch sinnvoller Einsatz der LEDs wird durch ihre Weiterentwicklung, durch steigende Photonenflussausbeuten, sinkende Preise und Untersuchungen zu den optimalen Strahlungsqualitäten mittelfristig möglich sein.

© 2013 Kuratorium für Technik und Bauwesen in der Landwirtschaft e.V., KTBL, Bartningstr. 49, 64289 Darmstadt
Nachdruck, auszugsweise Wiedergabe oder Vervielfältigung nur mit ausdrücklicher Genehmigung vom KTBL e.V.


KTBL-Arbeitsblatt 732

Hier sowie in der TASPO 34/13 haben wir Auszüge des neuen KTBL-Arbeitsblattes Nr. 732 zum Thema „Leuchtmittel für die Pflanzenbelichtung im Produktionsgartenbau“ zusammengestellt. Die Original KTBL-Arbeitsblätter können Sie beim KTBL über Tel.: 0 61 51–70 01–1 89, E-Mail: vertrieb(at)ktbl.de oder über die Internetseite des KTBL unter „Shop“ und dann „Gartenbau“ bestellen. (ts)