Wirtschaftliche Relevanz für kmU

Im Projekt werden biomimetisch-simulationsbasiert Textilstrukturen für neuartige Lösungen zur Feuchteverdunstung, -kondensation und -versorgung von Pflanzen im Gewächshausgartenbau entwickelt und erprobt.

Die zu entwickelnden neuartigen textilen Module sind primär für den Gewächshausgartenbau und den sich etablierenden Urbanen Gartenbau von Nutzen. Viele weitere KMU werden sich für Erfahrungen mit SysML und der anforderungsgetriebenen modellgestützten Produktentwicklung interessieren. Eine neuartige Transfermethode für modellbasierte Entwicklungsergebnisse in die Geschäftsmodelle eröffnet KMU neue Nischenmärkte neben den direkt im Projekt adressierten Branchen auf dem Weg zu Industrie 4.0 wie den Hygienesektor sowie die Dach-, Fassaden- und Innenraumbegrünung.

Die Forschungsstellen erwarten folgende innovative Beiträge:

Wirtschaftszweig Innovationspotenziale
Gewächshausgartenbau in Deutschland
  • Kapillarkinetisch optimierte und biologisch abbaubare Pflanzsubstratalternativen zu Torf, Steinwolle und Perlit, u.A. für die Hydrokultur
  • Biologisch abbaubare Ankeimunterstützung durch Wassergewinnung aus Bodennebel
  • Biobasierte, moosimitierende Vliese als Pflanzsubstrate für Epiphyten
  • Neuartige Temperierung des Pflanzsubstrats über befeuchtete Luft
  • Hydroponischer Anbau von Pflanzen, die gut belüftete Pflanzsubstrate benötigen
Ausstatter für Gewächshäuser und Indoor-Kultivierung, …
  • Neuartiges System zur Versorgung von Pflanzen mit demineralisiertem Wasser
  • Biobasierte Komponenten zur Rückgewinnung von Wasser aus feuchter Luft für den Gewächshausgartenbau in der EU, z.B. im Mittelmeerraum
Pflanzsubstrat-Lieferanten
  • Biologisch abbaubare Substratalternativen zu Torf, Steinwolle und Perlit
  • Biologisch abbaubare textile Zusätze zur Feuchtekondensation und kapillaren Wasserverteilung und -speicherung für Pflanzsubstrate
  • Biomimetisch hocheffizient gestaltete Substrat-Varianten, u.a. speziell für Epiphyten und Regenwald-Gewächse
Textilindustrie
  • Neuartige Halbzeuge für innovative solarbetriebene textile Verdunster, gestaltet nach hocheffizient abgestimmten Wirkprinzipien aus der Natur
  • Neuartige, biologisch abbaubare Vliese zur Feuchtekondensation aus Luftströmen und zur räumlichen kapillaren Feuchteverteilung im Pflanzsubstrat mit mindestens 20 cm Steighöhe
Hersteller von Luftbefeuchtern, Klimatisierungs- und Entfeuchtungsgeräten
  • Neuartige formflexible, kombinierte solarbetriebene Verdunster und Wasserkollektoren mit textilen Halbzeugen für verschiedenste Anwendungen
  • Erhöhung der Leistung von Verdunster- und Kondensations- und Feuchtetransport-/-speicherstrukturen
Produzierende KMU allgemein
  • Qualitative Verbesserung und Beschleunigung der Produktentwicklung durch die anforderungsgetriebene und simulationsgestützte Produktentwicklung
  • Erleichterter, digitalisierter branchenübergreifender Datenaustausch bereits in der Produktentwicklung
  • Einfachere Beschreibung biomimetischer Vorbilder für technologische Lösungen durch die Integration der Biomimetik in das Systems Engineering
  • Industrie 4.0-Geschäftsmodelle für Halbzeug-produzierende KMU

Die folgenden Abschnitte stellen die jeweiligen Marktpotenziale dar.

Gewächshausgartenbau und Urbaner Gartenbau

Zu den größten Herausforderungen im lokalen Gewächshausgartenbau zählen die Beheizung und Wasseraufbereitung sowie die Reduktion der Luftfeuchte. Weiter gibt es Bestrebungen, möglichst Pflanzsubstrat-Alternativen zu Torf einzusetzen. Sowohl in der Urbanen Landwirtschaft als auch im erdelosen Gewächshaus-Gemüsebau sind weiter biologisch abbaubare Substratalternativen zu Steinwolle und Perlit gefragt. Speziell gestaltete Textilstrukturen bieten hier KMU interessante Nischenmärkte.

Gemüse - und Zierpflanzenbau

Die ~12.200 Gemüse- und Zierpflanzenbauer in Deutschland machen auf einer Anbaufläche von 122.750 ha – davon 3.606 ha unter Glas – einen Umsatz von ca. 3,3 Mrd. €/a. Der Zierpflanzenmarkt im Einzelhandel in Deutschland beträgt bei durchschnittlichen Pro-Kopf-Ausgaben von 107 €/a ca. 8,6 Mrd. €/a. Pro Kopf werden in Deutschland 97 kg/a Gemüse für 156 €/a konsumiert; der nationale Selbstversorgungsgrad beträgt 36,3 %. Wichtige Herausforderungen im Gewächshausgartenbau stellen der Heizenergieverbrauch und die Vermeidung von Luftfeuchte dar: so sind 0,8 l Heizöl zum Preis von ca. 0,50 € zum Anbau von 1 kg Fruchtgemüse nötig. Die Heizkosten betragen mit ca. 70 €/m²/a das Siebenfache der Heizkosten für Wohnfläche. Es bestehen Marktpotenziale für energiesparende Gewächshaus-Klimatisierungen, ebenso für kompostierbare, kapillarstarke Pflanzsubstrate zum erdelosen Anbau in Hydrokultur und als Ersatz für Torf. Für den Freilandanbau einiger Nutzpflanzen ist eine Ankeimunterstützung sinnvoll. Hier kommen neuartige Vliesstrukturen zur Wassergewinnung aus Bodennebel infrage.

Urbaner Gartenbau

Weltweit gewinnt der Urbane Gartenbau durch Landflucht, Bürgerkriege und die Reduktion landwirtschaftlicher Anbauflächen aufgrund des Klimawandels zunehmende Bedeutung: so werden im Jahr 2050 auf der Erde ca. 9,5 Mrd. Menschen leben. Zum Decken des steigenden Nahrungsbedarfs müsste eine zusätzlich Fläche von der Größe Brasiliens bewirtschaftet werden. Eine Möglichkeit ist hierbei die Integration des Nahrungsmittelanbaus in die Städte: Despommier schätzt den weltweiten jährlichen Umsatz im Sektor derzeit auf 2 Mrd. US$; in 10 Jahren aber auf 50-100 Mrd. US$. Zwar steht in Deutschland bislang die lokale, nachhaltige Produktion von Obst, Gemüse und Kräutern – oftmals zum Eigenkonsum – auf Feldern im Vordergrund, jedoch wird langfristig die Verstädterung zunehmen, auch wird zunehmend landwirtschaftliche Rohstoff-Anbaufläche für biobasierte Kunststoffe und -treibstoffe benötigt werden.

Eine bisher kaum genutzte Marktnische ist der innerstädtische Pflanzenbau in Gewächshäusern und Beeten auf Flachdächern. Herausforderungen in der städtischen Landwirtschaft stellen dabei u.A. artspezifisch abgestimmte Anbaumethoden und Technologien – wie die Bereitstellung von aufbereitetem Wasser, die Gewächshausbeheizung im Winter und -kühlung im Sommer – dar.

Mittlerweile finden sich neben Designstudien auch erste Produkte zum bodenlosen Anbau von Gemüse und Kräutern für den Eigenbedarf in Wohnungen – es entwickelt sich also ein ernstzunehmender Markt für spezielle Anlagen und Pflanzsubstrate. Auch hier eröffnen die geplanten Module eine Reihe neuartiger Möglichkeiten. Bislang gibt es jedoch kein Baukastensystem zur Verwendung von hochmineralisiertem Wasser im Urbanen Gartenbau – hier hat die mineralfreie Feuchteversorgung von Pflanzen auf nährstoffintensiven Substraten Potenzial.

In den immer dichter gebauten Städten ist es oftmals 5-10 °C wärmer als außerorts – verdunstungsbasierte Kühlmöglichkeiten wie innerstädtisches Grün verbessern das innerstädtische Klima erheblich. Auch hier bieten der Urbane Gartenbau sowie spezielle Pflanzsysteme für urbanes Grün bisher kaum genutzte Marktpotenziale.

Einen weiteren Markt können kapillarkinetisch optimierte Pflanzsubstrate für Moose zur Feinstaubbindung darstellen: hohe Feinstaubbelastungen sind nicht nur in der Metropolregion Stuttgart, sondern auch in Nordrhein-Westfalen und Sachsen, in Berlin, München, Paris, Mailand, Warschau sowie flächendeckend in China ein Problem.

Textilhersteller

Textilproduzierende KMU profitieren wie folgt direkt von den Projektergebnissen:

  • Sie erhalten systemisch zusammengestelltes Basiswissen zur thermodynamisch-konstruktiven effizienten Gestaltung von Verdunster-, Kondensations- und Feuchtever-teilstrukturen für neuartige, optimierte textile Halbzeuge zum Umgang mit Luftfeuchte.
  • Weiter zeigt das Projekt beispielhaft Szenarien zur komplett modellbasiert-digitalen Produktentwicklung für Halbzeug-produzierende KMU sowie für
  • neuartige Märkte im Gartenbausektor mit einem Gesamtvolumen von ca. 0,7 Mrd. €/a und in der Gebäudeklimatisierung mit ca. 0,4 Mrd. €/a auf.

Weitere Marktpotenziale

Weitere Marktpotenziale ergeben sich z.B. im Hygienesektor mit ca. 0,3 Mrd. €/a, ebenso in der Dach-, Fassaden- und Innenraumbegrünung mit ca. 0,8 Mrd. €/a und voraussichtlich auch bei Substraten für Feinstaub-bindende Moose.

Forschungsziele

So erarbeitet dieses branchenübergreifende Projekt biomimetisch, modellbasiert und mit Industrie 4.0-Methodik Basiswissen für folgende neuartige Module:

Biomimetisches Vorbild Neuartiges Modul Anwendungsszenario
einheimische epiphytische Moose (1) Biobasierte Feuchtekondensationsvliese (a) Wassergewinnung aus Bodennebel zur Ankeimunterstützung
(b) Mineralfreie Feuchteversorgung für den Gewächshausgartenbau
Wasserhyazinthe Eichhornia crassipes (2) Kombinierter flexibler solarbetriebener textiler Verdunster und Warmwasserkollektor (b) Mineralfreie Feuchteversorgung für den Gewächshausgartenbau
(c) Kombinierte Heizungsunterstützung und Wasserentkeimung für Gewächshäuser
Torfmoos Sphagnum (3) Biomimetisch gestaltete, biobasierte Feuchteverteil- und -speichervliese (d) Biologisch abbaubare kapillare Wasserversorgung und -speicherung im erdelosen Pflanzenbau

Diese werden in Anwendungsszenarien für den Pflanzenbau und die Urbane Landwirtschaft validiert.

Ebenso fehlen Erfahrungen in der anforderungsgetriebenen und simulationsmodellgestützten Produktentwicklung mit nachgelagerten Branchen mittels der standardisierten Modellierungssprache SysML. Im Projekt werden Anwendungsszenarien für Systems Engineering und den Austausch digitaler Produktmodelle für Halbzeug-produzierende – und so relativ weit von der Anwendungsphase entfernten – KMU entwickelt. Integrationsszenarien der anforderungsgetriebenen modellbasierten Produktentwicklung in neuartige Geschäftsmodelle erleichtern KMU weiter den Einstieg in Industrie 4.0.

Validierungsszenarien

So werden von einheimischen epiphytischen Moosen abgeleitete, biobasierte Feuchtekondensationsvliese (1) zur Wassergewinnung aus langsamst fließendem Bodennebel als neuartige Ankeimunterstützung für Nutzpflanzen (a) erprobt. Ein – nach dem Vorbild der stark verdunstenden Wasserhyazinthen entwickelter – kombinierter solarbetriebener textiler Verdunster und Warmwasserkollektor (2) wird zusammen mit den Feuchtekondensationsvliesen (1) sowohl für die mineralfreie Feuchteversorgung (b) als auch zur Heizungsunterstützung von dessen Gewächshaus (c) eingesetzt. Da hier als Wärmetransportmedium das Gießwasser verwendet wird, wird dieses dabei durch die Erwärmung und durch die in den Kollektor einfallende UV-Strahlung entkeimt. Der heiße Wasserrücklauf wird dann nachts zur Heizungsunterstützung eingesetzt.

Dabei erfolgt die Feuchteversorgung der Pflanzen durch Wasserdampf aus dem Kollektor: der Wasserdampf wird mit gekühlter Luft gemischt und von unten in die Pflanzbehälter eingeführt. Der entstehende Nebel kondensiert dort in biobasierten Feuchtekondensationsvliesen und steht so den Pflanzen zur Verfügung; eine aktive Bewässerung ist nicht mehr nötig. Die Nährstoffversorgung erfolgt über regelmäßig nachzufüllende organische Düngekomponenten. Überschüssig abtropfendes Kondenswasser kann in anderen Pflanzenkulturen aufmineralisiert als Gießwasser verwendet werden. Diese neuartige Kombination aus Verdunstung und anschließender Kondensation direkt im Pflanzsubstrat ermöglicht erstmalig den Einsatz von hochmineralisiertem Wasser oder Brackwasser in der Urbanen Landwirtschaft.

Spezielle, von Torfmoos abgeleitete biobasierte Feuchteverteil- und -speichervliese (3) werden insbesondere für den erdelosen Fruchtgemüsebau (d) validiert. Neuartig ist, dass sowohl das Kapillarsystem in den Torfmoospflänzchen mit ca. 1 m Kapillardruck als auch das Kapillarsystem zwischen dessen Blättchen mit ca. 10 cm Kapillardruck kombiniert in einem speziell gestalteten Vlies nachgestellt werden. Ein Ziel ist dabei, durch offene Schwemmtische verursachte Verdunstungsfeuchte und Wärmeverluste durch Verwendung von Kapillardochten in geschlossenen Schwemmtischen zu vermeiden. Weiter gilt es, dem hydroponischen Fruchtgemüsebau eine kompostierbare Substratalternative zu Steinwolle bzw. Perlit mit definiert einstellbarem Kapillareffekt zu bieten.

Lösungsweg

Zwar finden sich schon verschiedene textile Verdunsterstrukturen, Kondensations- und Absorptionsvliese am Markt, jedoch sind diese weder aus konstruktiv-thermodynamischer Sicht auf die jeweiligen Arbeitstemperaturbereiche hin optimiert, noch systemisch aufeinander abgestimmt. Zu deren effizienter Gestaltung kann die biomimetische Wirkprinzipanalyse wichtige Beiträge leisten: sie analysiert von der Natur über viele Jahrmillionen evolutionär optimierte Lösungen als Vorbilder für technologische Innovationen.

Die Entwicklung eines solchen Komplettsystems ist letztlich nur simulationsbasiert und branchenübergreifend erfolgversprechend, da eine Reihe an thermodynamischen Wechselwirkungen zu berücksichtigen sind. Die Produktentwicklung erfolgt daher – erstmalig zwischen dem Textilsektor und Ausstattern des Gewächshausgartenbaus – komplett anhand von digitalen Anforderungsspezifikationen und -zusicherungen mit eingebetteten Simulationsmodellen. Nur so lassen sich die einzelnen Komponenten ohne viel Musterungsaufwand und Tests effizient aufeinander abstimmen. So werden der Aufbau und das Verhalten aller Systemkomponenten im Sinne des gegenwärtigen industriellen Wandels «Industrie 4.0» digital spezifiziert, charakterisiert und über eingebettete mathematische Modelle (z.B. mit Bilanz- und Differentialgleichungen) beschrieben. Diese standardisierten, simulationsfähigen Modelle werden dann einfach als Dateien zwischen Lieferanten und Kunden ausgetauscht; Rückmeldungen erfolgen so schon vor der ersten Musterung; gesparte Bemusterungen beschleunigen die Produktentwicklung. Vom Kunden gewählte Produktvarianten lassen sich dann einfach in die Produktion übertragen. Bisher liegen für die Textilbranche zwar erste Erfahrungen mit der modellbasierten Produktentwicklung vor, jedoch nicht zum Standard «Systems Engineering», der sich langsam aus der Automobilindustrie durchsetzt.

Forschungsstellen

  Forschungsstelle Kontaktinformationen
1 DITF Denkendorf
Zentrum für Management Research
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Dr. Tobias Maschler
+49 711 9340-431
tobias.maschler[at]ditf.de
2 DITF Denkendorf
Institut für Textil- und Verfahrenstechnik
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PD Dr. Thomas Stegmaier
+49 711 9340-219
thomas.stegmaier[at]ditf.de
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Dr. Jamal Sarsour
+49 711 9340-225
jamal.sarsour[at]ditf.de
3 Universität Tübingen
Projektgruppe Funktionelle Morphologie und Biomimetik
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Prof. Dr. James Nebelsick
+49 7071 29- 77546
nebelsick[at]uni-tuebingen.de
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Dr. Martin Ebner
+49 7071 29-77552
martin.ebner[at]uni-tuebingen.de

Beteiligungsmöglichkeiten für Unternehmen und Verbände

Unternehmen und Verbände können als Mitglieder des so genannten „Projektbegleitenden Ausschusses“ das Projekt begleiten: Bei den Tagungen des Projektbegleitenden Ausschusses besprechen die Forschungsstellen ihre Ergebnisse und diskutieren weitere Schritte mit den Ausschussmitgliedern. Unternehmen im Projektbegleitenden Ausschuss profitieren somit als erste von den Projektergebnissen. Sie können darüber hinaus z. B. durch Einbringen von Fachwissen, Bereitstellen Ihrer Materialien sowie mittels Versuchen zum Gelingen des Projektes beitragen und so schon zur Projektlaufzeit Erfahrungen in eigenen Produkt- und Prozessumfeld sammeln. Verbände im Projektbegleitenden Ausschuss widmen sich insbesondere der Verbreitung der Projektergebnisse in die jeweiligen Branchen.

Z. Zt. sind 4 Sitzungen des Projektbegleitenden Ausschusses angedacht. Die Teilnahme an den Sitzungen des Projektbegleitenden Ausschusses ist freiwillig und nicht verpflichtend. Es erfolgt keine Kostenerstattung.

Bitte nehmen Sie bei Interesse Kontakt mit uns auf!

Wir freuen uns auf Ihre Unterstützung, Anregungen und Vorschläge!

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Deutsche Institute für Textil- und Faserforschung (DITF) Denkendorf
 
Dr. Tobias Maschler
+49 711 9340-431
tobias.maschler[at]ditf.de

Danksagungen

Das IGF-Vorhaben 19808 N «Biomimetisch-simulationsbasierte Textilstrukturen für neuartige Lösungen zur Feuchteverdunstung, -kondensation und -versorgung von Pflanzen im Gewächshausgartenbau» (Textiler Feuchtetransfer) der Forschungsvereinigung Forschungskuratorium Textil e.V., Reinhardtstraße 14-16, 10117 Berlin wird über die AiF im Rahmen des Programms zur Förderung der industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert.

Die Forschungsstellen danken den Forschungsverbänden Forschungskuratorium Textil e.V. (FkT) und Gemeinschaft zur Förderung von Pflanzeninnovation e.V. (GFPi) für ihre freundliche und wohlwollende Unterstützung.