Intelligente, Sensorik-gesteuerte Bewässerung

in der Land- und Forstwirtschaft

Prof. Dr. Ulrich Zimmermann

ZIM Plant Technology GmbH

Hennigsdorf bei Berlin

Hintergrund

ZIM Plant Technology adressiert eines der wichtigsten Probleme des 21. Jahrhunderts: die zunehmende Verknappung der Wasserreserven

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• Über 50% der weltweiten Nahrungsmittelproduktion ist auf künstliche Bewässerung angewiesen.

• Dafür werden fast 71% des weltweit verbrauchten Süßwassers eingesetzt.

• Von den etwa 260 Mio. Hektar bewässerter Ackerfläche weltweit drohen rund 80 Mio. Hektar die Verödung durch Versalzung aufgrund künstlicher Bewässerung.

• Jährlich gehen dadurch mehrere hunderttausend Hektar Ackerland unwiederbringlich verloren.

• In Europa bedroht Überdüngung die vorhandenen Trinkwasserreserven; Erosion durch falsche Bewässerung verursacht Schäden in Milliardenhöhe.

Nachwachsende Rohstoffe wie Agrarholz (als alternative und CO2-neutrale Energiequelle) können in vielen Regionen der Welt (z.B. auch im Land Brandenburg) nicht ohne zusätzliche Bewässerung angebaut werden.

Monitoring-Technologien: IST-Zustand

Bodenfeuchte, Evapotranspiration und Blattdruckmessung nach Scholander

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Bodenfeuchte indirekt Ungenauigkeit durch Inhomogenität der Bodenbeschaffenheiten und Wurzel-verteilung sehr oft keine eindeutige Aussage

über den Wasserhaushalt

Druckbombe nach Scholander destruktiv nicht automatisierbar Hohe Streuung der Messergebnisse sehr arbeitsintensiv nicht bei allen Pflanzen anwendbar

Wetter-basiert (Evapotranspiration) indirekt beruht auf Annahmen und Modellen Auswertung nur auf Wochenbasis

möglich muss speziell auf jedes Gebiet und

Anbauprodukt eingeeicht werden

Zukünftiges Marktvolumen

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Das Marktvolumen für sensorbasierte Bewässerungssysteme (smart irrigation) wird in Zukunft exponentiell steigen

Wasserknappheit und zunehmende Klimaerwärmung erfordern ein Umdenken in der Landwirtschaft und Investitionen in Sensor-basierte Bewässerungstechnologien (smart irrigation) (Siehe jährliche Berichte der FAO)

Smart irrigation ist Teil eines Gesamtmarktes (Wassereinsparung) für den jährliche Investitionen in Höhe von 50 – 60 Milliarden USD für die nächsten 20 Jahre vorausgesagt werden (Mckinsey: The business opportunity in water conservation, 2009 )

Für Unternehmen im Bewässerungsmanagement (v.a. US amerikanische Firmen) wird ein Umsatz von ca. 6 Mio. USD für 2011 prognostiziert (mit jährlichen Wachstumsraten von 100%). (Demand-based Water Use: Focus on Smart Irrigation, 2010)

Die fortschreitende Entwicklung von Informations- und Kommunikationstechnik wird den Markt der Bewässerungssteuerung zusätzlich wachsen lassen (Demand-based Water Use: Focus on Smart Irrigation, 2010)

Öffentlich geförderte Investitionen im Sektor Bewässerungsoptimierung (Bsp. Programm der australischen Regierung zur Erhöhung der „On-Farm Irrigation Efficiency“ über 300 Mio. USD, 2008) zeigen das große öffentliche Interesse

Unternehmensgegenstand

5Zimmermann Irrigation Monitoring

Turgor

Der Blutdruck der Pflanzen : der sog Turgordruck

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Pflanzenzellen sind wie ein Fahrradreifen aufgebaut:

• Fahrradschlauch: Zelle umgeben von einer hauchdünnen Zellmembran, über die der Stoffaustausch mit der Umgebung erfolgt

• Fahrradmantel: Starre Zellwände aus Zellulose, die die Zelle mechanisch stabilisieren und den Aufbau eines hydrostatischen Überdruckes durch Stoffaustausch ermöglichen. Dieser Überdruck wird Turgor genannt. Er liegt in der Regel bei guter Wasserversorgung morgens bei 5 bis 7 bar (Überdruck bei einem Fahrradreifen: 2.2 bar)

• Bei hoher Transpiration (Wasserverlust durch Photosynthese; meistens mittags, wenn die Temperaturen maximale und die relative Luftfeuchtigkeit minimale Werte erreichen) kann der Turgor auf Werte unter 1 bar fallen

• Bei Turgordruck Null löst sich wie beim Fahrradreifen die Zellmembran von der Zellwand ab. Dieser Prozess ist irreversibel; die Zelle stirbt.

• Ein Turgordruck von > 3 bar ist für das Wachstum einer pflanzlichen Zelle, sowie für die Produktivität (und Qualität) notwendig.

ZellsaftZellsaft / Wasser

Zellmembran

Zellwand

ZIM-Technologie

Das innovative Messprinzip der ZIM-Sonde

7

Der Überdruck in den Zellen, der sog. Turgordruck (0-7 bar), Pc, wirkt dem magnetischen Druck, Pclamp, entgegen. Die ZIM-probe misst die Differenz Pp (patch pressure) zwischen dem magnetischen Druck und dem Turgordruck.

ZIM-Technologie

clampP

aF

a

bc

aP

bpP

1

Pp = patch pressure Pc = turgor pressure Pclamp = clamp pressure Fa = attenuation factor (compression of cuticle, cell walls and air-filled

interspaces a, b = elasticity constants

ZIM-Technologie

Tages- und Nachtänderungen des ZIM-Sondensignals von Weinreben in Abhängigkeit vom Mikroklima

9

A: Sonnen exponiertes Blatt B: beschattetes Blatt

C: Temperatur und relative Luftfeuchtigkeit

Turgordruck- bzw. Wasserverlust

25

30

35

40

20 Sep 21 Sep 22 Sep 23 Sep10

20

30

40

20

40

60

80

100

6

8

10

12

Pp [

kPa]

Pp [

kPa]

T [

°C]

R.H

. [%]

A

B

C

ZIM-Technologie

Die ZIM-Sonden erlauben eine nicht-invasive und nutzerfreundliche Echtzeit-Überwachung des Wassergehaltes von Pflanzen ohne Schädigung des Blattes

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Banane

Orange

Olive

Blattober- und Unterseiten nach 3-4 Monaten kontinuierlicher Messung

rot = Ostenblau = Nordengrau = Südenschwarz = Westen

Pfeile markieren kurzzeitige Sonnen-exposition

25

30

35

05 08 11 14 17 20

40

50

60

Pp [

kP

a]

Pp [

kP

a]

obere Blätter

untere Blätter

Zeit [h]

ZIM-Technologie

Räumliche und zeitliche Dynamik der Wasserversorgung eines 4-m hohen

Avocado Baumes in Australien

ZIM-Technologie

Klimawandel und seine Folgen in Westaustralien.

12

Die großeTrockenheit hat zu großen Schäden an Eukalyptus- Bäumen im Kings Park, der grünen Lunge von Perth geführt.

ZIM Technologie

Zeitliche und räumliche Dynamik der Wasserversorgung von Eukalyptusbäumen im Kings Park, Perth.

13

38 Sonden, verteilt über den gesamten 30 m hohen Eukalyptus-Baum, messen seit August 2011 den Wasserstress in Abhängigkeit von den klimatischen Bedingungen

ZIM-Technologie

Oszillationen in den Stomataöffnungen induzieren Turgordruck-

Oszillationen und vermindern die Wasserverluste

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Aber: Periodisches Schließen der Stomata führt zu einer geringeren Produktivität, da die CO2 Aufnahme stark reduziert ist

Weizen Banane

Turgordruck- bzw. Wasserverlust

ZIM-Technologie

Part of a 2- to 3-month Pp-readings under field conditions

15

grapevine grapefruit

Arrows mark irrigation

40

60

80

4 8 12 16 20

20

25

30

35

20

40

60

80

100

Pp [kPa]

Aug 2008

T [°C]

R.H. [%]

20

40

60

80

8 11 14 17

20

30

40

20

40

60

80

100

Pp

[kP

a]

July 2009

T [

°C]

R.H

. [%]

ZIM-Technologie

Part of 2- to 3-month Pp-readings on olive under laboratory (A) and field (B) conditions

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30 7 14 21 28 4 11

40

60

80

100

120

140

Jul/Aug 2009

Pp [

kPa

]

28 6 14 22 30 7

20

40

60

80

100

Sep/Oct/Nov 2009

Pp [

kPa

]

A B

non-irrigation

irrigation

non-irrigation

irrigation

ZIM-Technologie

Inverted diurnal Pp-changes measured on olive under non-irrigation conditions

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A B

(A: laboratory and B: field )

21 23 25 27 29 31 2

40

60

80

100

120

140

Pp [

kPa

]

Jul/Aug 2009 22 24 26 28 30 1 3 5 7

20

40

60

80

100

Pp

[kP

a]

Oct/Nov 2009

A B

25 26 27 28 29

40

60

80

100

120

P

p [kP

a]

Jul 2009 29 30 31 1 2

20

40

60

80

100

Pp [

kPa

]

Oct/Nov 2009

Arrows mark inverted diurnal Pp-changes

ZIM-Technologie

Durstige Pflanzen senden Notruf

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SOSS

ZIM-Technologie

Das ZIM System für das Bewässerungsmanagement informiert den Nutzer weltweit über die Wasserversorgung seiner Pflanzen

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Geschäftsmodell

Aufbau einer weltweiten Datenbank für die Anzucht von Kulturpflanzen und Kulturbäumen in Abhängigkeit vom Mikroklima und Bodenbeschaffenheit

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ZIM-databaseIndustrielle

Landwirtschaft

ZIM-probe

extremerWasserstress

milder Wasserstress

kein Wasserstress

EFRE gefördert

Forstwirtschaft (Agrarholz)

Markteintritt

Bereits fortgeschrittener Markteintritt: Zahlreiche Kunden und Kooperationspartner im In- und Ausland

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Israel: Hebrew University, Campus for Agriculture (Banane, Wein)Gilat Research Center (Olive, Orange)Golan Research Institute (Avokado)

Niederlande: Inst. for Greenhouse Horticulture, Wageningen (Tomate)

Österreich: Universität Salzburg (Tropenhaus)

Portugal: Technologia e Inovacao da Rega (Pflaume)

Schweiz: Eidgenössische Forschungsanstalt WSL (Eiche)

Spanien: Institute for Natural Resources and Agrobiology, Sevilla (Olive, Pfirsich, Tabak)Campus Universitario Espinardo, Murcia (Pfirsich)Departament de Biologia, Palma de Mallorca (Wein)

Australien: Department of Agriculture, Food & Wine, Adelaide (Wein)Department of Agriculture and Food Systems, Horsham (Weizen)The University of Western Australia, Perth (Weizen, Eukalyptus)Mining Industrie, Western Australia (Aufforstung)CSIRO Plant Industry, Canberra (Weizen)

Brasilien: Agronomia Pricicaba, Sao Paolo (Soja)

Deutschland: FH Freising, Gartenbau (Tomate, Paprika)HNE Eberswalde (Agrarholz)Bundesanstalt für Ernährung und Landwirtschaft (Wein)Winzergenossenschaft Sommerach (Wein)Pflanzenphysiologisches Institut Hannover (Bohne)Forschungsanstalt Geisenheim, Germany (Wein)Universtät Würzburg (HOBOS, Education portal using the example of the honey bee)Landschaftssystemanalyse des ZALF Müncheberg (Mais)TU München (Arabidopsis)BASF SE, Ludwigshafen (Soja, Mais)YARA GmbH & Co. KG, Hanninghof, Mucia (Zitrus, Raps)

Alleinstellungsmerkmale

Die Vorteile der ZIM-Technologie

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• Hochpräzise Messung der Wasserversorgung von Pflanzen

• Leichte Einstellung von Schwellwerten für die Bewässerung: Turgordruck ist ein wesentlicher Faktor für das Pflanzenwachstum

• Nicht-invasives Echtzeit-Messverfahren mit telemetrischer Datenübermittlung

• Zentrale Datenverarbeitung ermöglicht Langzeit-Monitoring und proaktive (Fern-)Steuerung von Bewässerungssystemen

• Einfache Handhabung, geringster Mess- und Betreuungsaufwand

• Vielseitige Einsatzmöglichkeiten bei allen Blattpflanzen

• Maximaler Nutzen bei geringsten Kosten

• 20-30% Einsparung bei der Bewässerung (>100 € p. ha)

• Stark reduzierte Kosten für Aufbereitung von Wasser (ca. 0,40 € pro m3)

• Deutlich reduzierte Erosionsschäden (Weinbau: Kosten von > 1.400 € pro ha p.a.)

• Stark reduzierte Bodenversalzung in ariden und semi-ariden Gebieten

• Optimierter Einsatz von Düngungs- und Pflanzenschutzmitteln

• Spürbare Ertrags- und Qualitätssteigerung

Vielen Dank für Ihre

Aufmerksamkeit

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Kurzprofil des Unternehmens

ZIM Plant Technology GmbH ist ein junges KMU mit Sitz in Hennigsdorf. Die Firma, die am 15.12.2010 gegründet wurde, wird von der Investitionsbank und Zukunftsagentur des Landes Brandenburgs ( ILB, ZAB) und dem HighTech Gründerfonds gefördert.

Gesellschafter sind: Prof. Dr. Ulrich Zimmermann (51%)

Dipl. Biol. Simon Rüger (17%)

Dipl. Biol. Wilhelm Ehrenberger (17%)

High-Tech-Gründerfonds (15%)

Die Firma umfasst zurzeit 11 festangestellte Mitarbeiter und drei weitere Mitarbeiter im Außendienst, die auf Provisionsbasis arbeiten (Zug, Schweiz; Sevilla, Spanien und Perth, Australien).

ZIM Plant Technology GmbH vertreibt ein in Brandenburg entwickeltes, Internet-basiertes Sondensystem, über das die Bewässerung von Kulturpflanzen und Bäumen optimal gesteuert werden kann. Das System geht auf 40-jährige Forschungsarbeiten von Prof. Zimmermann (bis 2010 Vorstand des Lehrstuhles für Biotechnologie der Universität Würzburg) zurück.

Das ZIM-Sondensystem (ZIM= Zimmermann Irrigation Monitoring) wurde zum Patent von der Firma ZIM Plant Technology angemeldet.

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ZIM-Technologie

Nächste Entwicklungsstufe: Ein Aktuatorsystem, das ein voll automatisiertes, effizientes Bewässerungsmanagementsystem ermöglicht

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ZIM-databaseZIM-irrigation management /

actor

Industrielle Landwirtschaft ZIM-

repeaterZIM-probe ZIM-radio controller

ZIM-transmitter

ZIM-control center

Kabel Funk Funk

Mobilfunk

Mobilfunk

EFRE gefördert

Verbundforschung

Forschungsverbund zwischen ZIM Plant Technology und der Hochschule für nachhaltige Entwicklung Eberswalde (Projektleiter Prof.Dr. D. Murach) ist Grundlage für den Aufbau einer Datenbank

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ZIM AgroForst – Optimierung des Gehölzanbaus in der Land- und Forstwirtschaft im Hinblick auf den Klimawandel Analyse der Wechselbeziehungen zwischen Wasserversorgung und Biomasseproduktion mit der von ZIM Plant Technology GmbH entwickelten Sonden zur Messung des Blattturgors. Optimierung von Anlagen zur Tröpfchenbewässerung.

Brandenburg ist ideal geeignet als Modellregion für Projekte mit Bezug zum Wasserhaushalt:

-große Variabilität in der Wasserversorgung-sandige Böden mit einer geringen Wasserspeicherkapazität-sehr geringe Niederschläge

ZIM-Technologie

clampP

aF

a

bc

aP

bpP

1

Pp = patch pressure Pc = turgor pressure Pclamp = clamp pressure Fa = attenuation factor (compression of cuticle, cell walls and air-filled

interspaces a, b = elasticity constants