Vaisalan CO2-antureiden hyödyntäminen tieteellisessä kasvihuoneessa

Tutkijat Wageningen University & Research -instituutissa Alankomaissa ovat käyttäneet Vaisalan hiilidioksidiantureita tutkimuskasvihuoneissaan jo yli vuosikymmenen ajan. Hiilidioksidi on erittäin tärkeä mittausparametri kasvitieteessä – ei pelkästään siksi, että kasvit tarvitsevat hiilidioksidia kasvaakseen, vaan myös siksi, että ympäristöpäästöt myötävaikuttavat ilmastonmuutokseen, joten tähän kaasuun liittyy valtavia uhkia ja mahdollisuuksia. Maailmankuulun tutkimusinstituutin työ on osittain riippuvainen anturien tarkkuudesta ja luotettavuudesta, joten on tärkeää, että tutkijat eivät tingi anturien laadusta.

Wageningen on ollut kasvihuoneviljelyn tutkimuksen ja teknologian kehityksen kärjessä Alankomaissa. Kasvintutkimusinstituutilla on yli 100 kasvihuoneosastoa Bleiswijkin toimipaikassaan, minkä ansiosta tutkijat pystyvät luomaan laajan valikoiman ympäristöolosuhteita. Tyypillisiä ympäristömuuttujia ovat valo, vesi, kasvatusväliaine, ravinteet, (biologinen) tuholaisten/tautien torjunta, lämpötila, kosteus ja tietenkin hiilidioksidi (CO2); kaikilla näistä on merkittäviä vaikutuksia satoon.

Alankomaiden viljelysektori pyrkii ilmastoneutraaliksi vuoteen 2040 mennessä. Wageningenin tutkijat ovat sen vuoksi rakentaneet äskettäin uuden esittelykasvihuoneen vihannesten, hedelmien ja kukkien kasvatusta varten tavoitteena löytää tapoja vähentää CO2-päästöjä sekä eliminoida kasvinsuojelukemikaalien tarve ja vähentää veden ja ravinteiden käyttöä.

Hiilidioksidi kasvihuoneissa
 

Hiilidioksidi on sivutuotteena monissa öljy- ja kaasualan sekä petrokemian prosesseissa, mutta kasvit myös tarvitsevat sitä kasvaakseen fotosynteesin avulla. Niinpä Alankomaiden kasvihuoneviljelijät ovat tehneet yhteistyötä maan teollisuuden kanssa hyödyntääkseen niiden sivuvirtoja ja taistellakseen samalla ilmastonmuutosta vastaan pienentämällä maan CO2-nettopäästöjä. Monissa maailman kasvihuoneissa poltetaan maakaasua
hiilidioksidin saamiseksi, mutta tästä muodostuu myös lämpöä, jota ei välttämättä tarvita kesäkuukausina. Siksi teollisen sivutuotteen hyödyntäminen on huomattavasti parempi ratkaisu.

Hiilidioksidia toimitettiin ensin hollantilaisiin kasvihuoneisiin vuonna 2005 OCAP (Organic Carbon Dioxide for Assimilation of Plants) -yrityksen rakentaman putkiverkoston kautta. Kaupalliset
kasvihuoneviljelijät maksavat tästä CO2-toimituksesta, joka on peräisin suurelta osin bioetanolilaitoksesta. Instituutin tutkimustyön tärkeänä osana on hiilidioksidin
hyödyntämisen optimointi kasvien kasvuun vaikuttavien muiden muuttujien ohella. Instituutti
on esimerkiksi kehittänyt CO2- annostelun simulointityökalun: ”CO2-katseluohjelman”. Tämä
ohjelma valvoo viljelijän annostelustrategian vaikutuksia ja näyttää ne. Sen avulla voi esimerkiksi arvioida keskipäivällä tapahtuvan CO2-annostelun vaikutuksen verrattuna annosteluun aamulla.

Hiilidioksidin valvonta

Instituutti korvaa noin 150 mittapäätä kymmenen vuoden käytön jälkeen uudemmalla mallilla. Kaikkien mittapäiden kalibrointi tarkistetaan ennen jokaisen projektin alkua käyttämällä sertifioituja referenssikaasuja. On tärkeää, että kalibrointitiedot ovat jäljitettävissä, jotta jokaisen mittapään kalibrointisertifikaatti pysyy voimassa ja myöhemmät kalibrointitarkistukset voidaan dokumentoida. Asennettujen mittapäiden tarkistukseen käytetään validointityökaluna myös kannettavaa CO2-mittaria (Vaisala GM70), jossa on CO2-mittapää GMP252, vaikka lisäkalibrointi ei olekaan tarpeen.

Tällä hetkellä instituutin asentamat mittapäät tuottavat 4–20 mA:n signaaleja, jotka syötetään kasvihuoneiden automaattista hallintaa varten ohjelmoituihin ”ilmastotietokoneisiin”. Tämä järjestelmä antaa myös hälytyksen, jos CO2-taso nousee jostain syystä vaarallisen korkeaksi.
 

CO₂ -anturiteknologia

Hiilidioksidi absorboi valoa infrapuna-alueella aallonpituudella 4,26 μm. Tämä tarkoittaa sitä,
että kun infrapunasäteily kulkee hiilidioksidia sisältävän kaasun läpi, osa säteilystä absorboituu, ja tämän absorboitumisen voi mitata. Vaisala CARBOCAP® hiilidioksidianturissa on innovatiivinen mikrotyöstetty, sähköisesti viritettävä FPI (Fabry- Pérot-interferometri) suodatin. Hiilidioksidin absorption mittaamisen lisäksi FPI-suodatin mahdollistaa referenssimittaukset aallonpituudella, jossa absorptiota ei tapahdu. Kun referenssimittauksia suoritetaan, FPI-suodatin säädetään sähköisesti vaihtamaan ohituskais- tan absorption aallonpituudesta ei-absorboivaan aallonpituuteen. Referenssimittaus kompensoi mahdolliset muutokset valonlähteen voimakkuudessa sekä kontaminaation ja lian kerääntymisen optisessa polussa. Tämän johdosta CARBOCAP®- anturi on erittäin stabiili ajan kuluessa, ja koska molemmat mittaukset ovat samassa anturissa, tämä kompakti tekniikka voidaan ottaa käyttöön pienissä mittapäissä, moduuleissa ja lähettimissä.

CARBOCAP®-teknologian ansiosta tutkijoiden ei tarvitse kantaa huolta kalibrointiryöminnästä
tai anturivirheistä.
 

Hiilidioksidi kasvitieteellisessä tutkimuksessa

Tällä hetkellä on meneillään kaksi projektia, joissa arvioidaan eri CO2-tasojen vaikutusta kasvien tuotantoon. Toisessa tutkitaan pehmeitä hedelmiä ja toisessa tomaatteja. Koska hiilidioksidilla2 on niin tärkeä rooli sekä kasvien kasvussa että ilmastonmuutoksessa, tämän kaasun tarkka mittaaminen tulee yhä tärkeämmäksi. Useimmat kasvihuoneet ovat nyt yhteydessä instituutin Ethernet- verkkoon, ja valvontaverkkoon lisätään jatkuvasti monenlaisia uusia antureita. Tämä tarjoaa mahdollisuuden hyödyntää uusia ”älykkäitä” antureita.

Yhteenveto

Bleiswijkin CO2-anturien tarkkuus, stabiilius ja luotettavuus ovat selkeästi ensiarvoisen tärkeitä asioita instituutin tutkimuksen kannalta – erityisesti, koska eri kasvihuoneiden tietoja vertaillaan usein toisiinsa.

CO2-toimitus ei ole ilmaista, joten on tärkeää, että tätä resurssia valvotaan ja toimitetaan tehokkaasti kasvien tuotannon optimoimiseksi.

Pyrkimys vähentää fossiilisten polttoaineiden käyttöä ja kehittää energiatehokkaampia hallintajärjestelmiä auttaa vähentämään kasvihuonesektorin hiilidioksidipäästöjä. Hiilidioksidin hyödyntämisen tärkeys kasvaa kuitenkin edelleen vuoden 2040 hiilineutraaliustavoitteen vuoksi ja siksi, että maailma tarvitsee uusia kestäviä ja taloudellisesti toteuttamiskelpoisia tapoja ottaa talteen CO2-päästöjä.

Lisätietoja GMP252: sta tai ota meihin yhteyttä saadaksesi lisätietoja.