Teilprojekt A1 - Bioengineering: Intelligente Steuerung für ein resilienteres Kreislaufsystem
CUBES Circle
Im Fokus von Teilprojekt A-1 steht die Vernetzung der Biosysteme auf informations- und ingenieurwissenschaftlicher Ebene. Zentrale Aufgabe ist die Sicherstellung eines stabilen, resilienten und ressourceneffizienten Betriebs der CUBES Circle-Forschungsanlage. Dafür werden intrinsische Energie- und Stoffströme des ganzjährigen Anbaus präzise quantifiziert und mit extrinsischen Stoffströmen verknüpft. Ziel ist es, die drei Produktionsmodule – Pflanzen-, Fisch- und Insektenproduktion – nicht nur miteinander zu koppeln, sondern als ganzheitlich regelbares System zu betreiben.
Die in der ersten Projektphase entwickelten Routinen für das Wasser- und Nährlösungsmanagement, darunter die automatisierte Nährlösungsanmischung und die prozessbegleitende Analytik mittels ionenselektiver Elektroden, werden im laufenden Betrieb weiter optimiert. Künstliche Intelligenz unterstützt künftig die Priorisierung und Mischung verfügbarer Wasserquellen, sodass eine weitgehende Autarkie durch die Nutzung von Regenwasser und Kondensat erreicht werden soll. Modellbasierte Soft-Sensoren ergänzen die direkte Messung biologisch sensibler Parameter und ermöglichen eine vorausschauende Regelung des Systems.
Alle Informationsflüsse werden über eine IoT-Plattform organisiert, die eine kontinuierliche Übertragung, Aggregation und Analyse von Sensordaten erlaubt. Auf dieser Basis werden Prognosen, Handlungsempfehlungen und automatische Steuerbefehle generiert. Die KI-gestützte Weiterentwicklung der in Phase I erprobten Steuerungsalgorithmen erfolgt anhand realer Betriebsdaten, sodass der digitale Regelmechanismus in Echtzeit auf Veränderungen reagieren kann – sowohl im Gewächshausklima als auch in Fisch- und Insektenmodulen. Gleichzeitig werden Tierwohlindikatoren in der Fisch- und Insektenproduktion über moderne Monitoring- und KI-Methoden sichtbar gemacht und in die Systemsteuerung integriert.
Die Energieanalyse differenziert elektrische und thermische Energieflüsse und bewertet deren Nutzung über den Jahresverlauf. Ein besonderer Untersuchungsgegenstand ist der RemoteCUBE, für den detaillierte Energieprofile über mehrere Produktionszyklen erstellt werden. Diese zeigen, wann wie viel Energie verbraucht bzw. bereitgestellt wird und ermöglichen belastbare Aussagen zum Energieumsatz verschiedener Kulturen und Nutzungsszenarien. Ergänzend werden die Integration von Solarkollektoren, die Kopplung mit urbanen Energiesystemen sowie die Optimierung von Wärmepumpenmanagement und Klimasteuerung untersucht.
Prof. Dr. Uwe Schmidt leitet als Ingenieurwissenschaftler seit vielen Jahren das Fachgebiet Biosystemtechnik an der Humboldt-Universität zu Berlin. Im Fachgebiet werden Forschungsprojekte bearbeitet, die sich mit der Koppelung von biologischen und technischen Systemen befassen. Hier sind es vor allem Innovationen im Bereich der Sensor- und Automatisierungstechnik für den intensiven Pflanzenbau in Gewächshäusern sowie Softwareentwicklung wie der Phytocontrol-Technologie. Mit Hilfe am Fachgebiet entwickelter Pflanzenmonitoring-Systeme werden erstmals technische Prozesse in Gewächshäusern nach pflanzlichen Signalen geführt. In den vergangenen Jahren hat sich Prof. Dr. Schmidt verstärkt mit dem Management rezirkulierender Wasser- und Nährstoffkreisläufe sowie der Entwicklung von geschlossenen Gewächshäusern mit Kühlung und Speicherung zur bivalenten Nutzung der Gewächshäuser als Pflanzenproduktionsstätten und thermische Solarkollektoren beschäftigt. Aus der Mitarbeit im nationalen Verbundprojekt Zukunftsinitiative Niedrigenergiegewächshaus (ZINEG) sind mehrere patentierte Innovationen zur Kühlung und Wärmespeicherung sowie die Software zur Automation von Solarkollektorgewächshäusern hervorgegangen. Das Verbundprojekt wurde 2014 mit dem Nachhaltigkeitspreis des BMBF ausgezeichnet. Prof. Dr. Schmidt war beratend im Aquaponik-EU-Projekt INAPRO tätig und konnte bereits Erfahrungen mit der Technologie und Steuerung von gekoppelten agrarischen Systemen sammeln, die im CUBES Circle Projekt eingesetzt und erweitert werden sollen.
Kontakt: u.schmidt(at)agrar.hu-berlin.de
Mareike Mauerer ist wissenschaftliche Mitarbeiterin am Fachgebiet Biosystemtechnik des Albrecht-Daniel-Thaer-Instituts für Agrar- und Gartenbauwissenschaften der Humboldt-Universität zu Berlin. Im Rahmen ihrer Doktorarbeit hat sie sich mit der Integration nitrifizierter Urindünger in rezirkulierende Nährlösungen für den Gewächshausgemüseanbau beschäftigt.
Im Projekt CUBES Circle wird sie einerseits beim Datenmanagement und Informationsaustausch und bei der Optimierung technischer Prozesse an den Schnittstellen der einzelnen Cubes mitwirken. Andererseits wird sie ihre Erfahrung mit der Kreislaufschließung und Verwendung rückgewonnener Nährstoffe im Gewächshausgemüseanbau in das Projekt einbringen.
Kontakt: mareike.mauerer(at)hu-berlin.de
