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LED-basierte Cannabisproduktion
Der Einfluss von Lichtqualität und -intensität
Die Einführung von LED hat in den letzten zehn Jahren den Cannabisanbau in kontrollierter Umgebung revolutioniert und verspricht, seinen kometenhaften Aufstieg weltweit fortzusetzen. Laut dem Bericht „State of the Cannabis Lighting Market“ [1] aus dem Jahr 2021 ist die LED-Beleuchtung die bevorzugte Methode der nordamerikanischen Anbauer in den drei wichtigsten Wachstumsphasen: Vermehrung, Vegetation und Blüte. Die LED-Nutzung ist seit dem ersten Bericht von 2016 in allen Wachstumsstadien um mehr als 45 Prozent gestiegen. Von Timo Bongartz
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Was die künftige Verbreitung angeht, so ziehen 68 Prozent der Anbauer, die während der Blütezeit keine LEDs verwenden, dies in den nächsten zwölf Monaten in Betracht. Der Trend zur vollständigen Einführung von LEDs in Nordamerika, Europa und anderen Regionen lässt sich zwar auf unzählige Faktoren zurückführen – sinkende Kapitalkosten, anpassbare Spektralzusammensetzung, dimmbare Lichtintensität, eine wachsende Zahl von Forschungsarbeiten –, kann aber am besten durch die drei ineinander greifenden Vorteile von LEDs erklärt werden: höhere Effizienz, verstärkte Umweltkontrolle und verbesserte Erträge und Qualität.
Höhere Effizienz durch LED
Auf dem Markt gibt es heute zwei Diskurse über Cannabis-Beleuchtung, die die große Mehrheit der Anbauer weltweit betreffen. Der erste, der seit der Markteinführung von LEDs geführt wird und mit dem die Anbauer am besten vertraut sind, dreht sich um die Vorteile und Herausforderungen der Umstellung von alten Beleuchtungslösungen wie Natriumhochdrucklampen (high-pressure sodium, HPS) auf LEDs.
Die frühe Einführung von LEDs wurde vor allem durch ihre Energieeffizienz und Kostenersparnis vorangetrieben. So erreichen kommerzielle LED-Breitbandleuchten während ihrer Lebensdauer einen photosynthetischen Photonenfluss (PPF) von 2,6 Mikromol pro Joule Strom im Vergleich zu HPS-Leuchten mit durchschnittlich 1,9 Mikromol pro Joule. LEDs reduzieren auch drastisch die Wartungs- und Austauschkosten, die bei älteren Systemen häufiger anfallen. Diese Effizienzgewinne haben verschiedene Institutionen und Programme dazu veranlasst, Landwirten, die auf LED-Systeme umrüsten, großzügige Subventionen und Rabatte zu gewähren. Diese Einsparungen in Verbindung mit der Senkung der Heizungs-, Lüftungs-, Klimatechnik-(HLK) Kosten machen LEDs zu einer lohnenden langfristigen Investition für Anbauer auf der ganzen Welt. Die zweite, für viele Anbauer relativ neue Überlegung betrifft diejenigen, die bereits auf LEDs umgestellt haben, aber auf der Suche nach Forschungsarbeiten und Erkenntnissen sind, um das richtige Lichtspektrum und die richtige Lichtzusammensetzung für ihre besonderen Anbaubedingungen zu finden, einschließlich Geografie, Anlagentyp, Umweltbedingungen und Kultursorten. Beide Diskurse beinhalten fast immer eine Effizienzkomponente. Da sich die Vorherrschaft der LEDs gegenüber der herkömmlichen Beleuchtung jedoch gut etabliert hat, könnten einige Anbauer, die bereits LEDs verwenden, versucht sein, Beleuchtungsstrategien einzusetzen, die eine niedrige Lichtintensität und Wellenlängen wie Fernrot, Rot oder Rosa bevorzugen, um den Energieverbrauch zu senken. In ihrem Streben nach höherer Effizienz verzichten sie jedoch möglicherweise auf höhere Erträge. Viele Nutzpflanzen – darunter auch Cannabis – bevorzugen hochintensive, breit angelegte Strategien, die die Gesamterträge verbessern und die Qualität der Pflanzen in wichtigen Bereichen wie Morphologie, verbesserten Terpenprofilen und verbessertem Cannabinoidgehalt erhöhen. Effizienz ist nicht gleichbedeutend mit Optimierung, und Kosteneinsparungen bedeuten wenig, wenn man nicht auch das Ertragspotenzial maximiert. Jeder LED-basierte Cannabisbetrieb, der Effizienzsteigerungen anstrebt, muss dies mit einer Analyse der Beleuchtungsstrategie ausgleichen, die das Beste aus seiner Ernte herausholt.
Verbesserte Kontrolle
LEDs bieten eine verbesserte Kontrolle über nahezu jeden Parameter eines Cannabisanbaus. Am wichtigsten ist natürlich die Möglichkeit, die Lichtintensität und die spektrale Zusammensetzung zu beeinflussen, um die Erträge und die Produktion zu maximieren. Es ist jedoch ebenso wichtig, die Auswirkungen von LEDs auf die Umgebungssteuerung zu verstehen – vor allem für Anbauer, die kürzlich von herkömmlicher Beleuchtung auf LED umgestiegen sind oder dies in Erwägung ziehen. Es gibt vier wichtige Steuerungsparameter, die durch LEDs verbessert werden:
Dampfdruckdefizit-Management (Vapor Pressure Deficit, VPD)
HPS-Lampen erzeugen eine erhebliche Menge an Wärme. Wenn sie jedoch ausgeschaltet sind, können die daraus resultierenden Veränderungen in der Umgebung die Pflanzen anfälliger für Kondensation und Krankheitserreger machen, da sie schneller abkühlen als andere Oberflächen. Bei der Verwendung von LEDs wird die Umgebung weniger durch die von der Beleuchtung erzeugte Wärme beeinträchtigt, denn sie stützt sich auf das präzisere HLK-System, das genau für die Einhaltung der Sollwerte für Temperatur und Luftfeuchtigkeit ausgelegt ist. Diese verbesserte Stabilität der LEDs führt letztendlich zu weniger Kondensation an den Pflanzen, geringerem Wasserverbrauch und weniger Entfeuchtungslüftung.
Erreichen der perfekten Temperatur mit LEDs
Die Umgebungstemperatur spielt eine wichtige Rolle für die physiologischen Funktionen und die Pollenentwicklung bestimmter Pflanzen wie Gurken und Tomaten. Bei HPS-Systemen ist es viel kostspieliger und schwieriger, ein angemessenes Wärmeniveau aufrechtzuerhalten, was zu Schwankungen führt, die die Pflanzen belasten. HPS-Lampen können zwar zwei verschiedene Aufgaben erfüllen – sowohl Beleuchtung als auch Beheizung –, aber sie erfüllen keine der beiden Fluence-Beleuchtung bei Cannerald. Aufgaben besonders gut und Foto: Montel Inc. stellen eine weitaus größere Gefahr für die Pflanzen dar, wenn sie ausfallen. Letztendlich sollte die Aufrechterhaltung optimaler Temperaturen in der Verantwortung des HLK-Systems liegen. Eine LED-Umrüstung kann die Installation eines zusätzlichen Heizsystems erforderlich machen, aber die Landwirte profitieren von einer insgesamt geringeren Heizlast und – was noch wichtiger ist – von einer besseren Umgebungskontrolle.
Fluence-Beleuchtung bei Cannerald.
Foto: Montel Inc.
LEDs stabilisieren CO2 durch Vermeidung von Entlüftung
Wenn die PPFD steigt, ist die Aufrechterhaltung zusätzlicher CO2Konzentrationen entscheidend für die Maximierung der photobiologischen Reaktionen und der Gesamtproduktion. Eine Konzentration von 1.200 bis 2.000 ppm ist oft der optimale Bereich für die Cannabisproduktion. Allerdings müssen Züchter, die HPSLampen verwenden, ihre Anlagen belüften, um die Umgebung entweder zu entfeuchten oder zu kühlen, was zu wilden Schwankungen bei Temperatur, Luftfeuchtigkeit und CO2-Gehalt führt. LED-Systeme verringern den Bedarf an Belüftung, was eine bessere Klimakontrolle, CO2-Erhaltung, erhöhte Photosynthese, verbesserte Morphologie und ein verringertes Auftreten von Krankheiten ermöglicht.
In der WUR-Studie fanden die Forscher heraus, dass bei einigen Sorten der Gehalt an Monoterpenen und Cannabinoiden, einschließlich THC, CBD und CBG, deutlich umgekehrt proportional zum Anteil des roten Lichts im Produktionsspektrum war.
Höhere PPFD-Werte und höhere Erträge
Cannabis hat einen nahezu unersättlichen Appetit auf Licht, und viele Forscher, die die Auswirkungen von LEDs auf Cannabis untersuchen, stellen zunehmend höhere Sättigungspunkte fest, was neue Wege zur Verbesserung der Rentabilität für die Anbauer durch Beleuchtungsstrategien mit hohem PPPD-Wert und hoher Produktion aufzeigt.
Verbesserte Qualität und Erträge
Obwohl die prognostizierten Einsparungen die anfängliche Akzeptanz von LEDs vorantrieben, haben sich ihre höhere Effizienz und Rentabilität als Hauptfaktoren für ihre anhaltende Beliebtheit herausgestellt. Heute weiß man, dass eine Erhöhung der Lichtintensität und der spektralen Qualität mit einer erheblichen Steigerung des Ertrags, der Morphologie und der Gesundheit der Pflanzen einhergeht. So fanden Forscher heraus, dass ein Anstieg der photosynthetisch aktiven Strahlung (PAR) um ein Prozent mit einem Anstieg des erntefähigen Produkts um ein Prozent bis zu einem Lichtniveau von 1.500 µmol/m²/s einhergeht. Durch die Optimierung der Anlagen mit LEDs und vertikalen Racks können die Anbauer Gewinne erzielen, die die bereits beträchtlichen Einsparungen bei weitem übersteigen. In dem Maße, wie die Studien zu den verschiedenen Auswirkungen von LEDs auf die Cannabisproduktion zunehmen, wird auch die Fähigkeit der Anbauer wachsen, das volle Potenzial von LEDs zu nutzen – vor allem ihre Fähigkeit, Strategien mit hoher Intensität und breitem Spektrum umzusetzen, um neue Produktions- und Rentabilitätsniveaus zu erreichen. der Cannabisproduktion zu kontrollieren, geht jedoch mit einem klaren Bedarf des Marktes einher, die Auswirkungen verschiedener Spektren und Intensitäten auf die Pflanzen und den Betrieb insgesamt zu verstehen. In Zusammenarbeit mit der Universität Wageningen, Niederlande, US-amerikanischen Cannabisproduzenten und anderen hat die Forschungsabteilung von Fluence herausgefunden, dass die Empfindlichkeit des Spektrums zwar von der Sorte abhängt, dass aber Beleuchtungsstrategien mit breitem Spektrum – die grünes Licht und andere Wellenlängen umfassen, die in schmalbandigen Spektren weitgehend fehlen – den Ertrag, die Morphologie und die Gesamtleistung ausgewählter Cannabissorten im Vergleich zu Schmalbandspektren mit einem hohen Anteil roter und fernroter Wellenlängen verbessern. In einer Studie, die in Zusammenarbeit mit Texas Original Compassionate Cultivation (TOCC) durchgeführt wurde, untersuchten Forscher die Reaktion von Cannabis Typ I, Typ II und Typ III auf eine Breitbandbeleuchtung mit verschiedenen Rotlichtanteilen bei hohem PPFD. In jedem Fall erzeugte das Breitbandspektrum mit geringeren Mengen an rotem Licht das höchste Trockengewicht pro Pflanze. Bei Cannabis des Typs I führte ein ausgewogenes Spektrum von weißem Licht zu 17 Prozent höheren Erträgen als die nächsthöhere Spektrallösung, die eine höhere Konzentration von rotem Licht enthielt. Cannabis, das mit dem ausgewogeneren Spektrum angebaut wurde, zeigte auch eine deutlich verbesserte Morphologie. Pflanzen, die mit einem ausgewogenen Weißlichtspektrum gezüchtet wurden, waren auch frei von Photobleichen in ihren oberen Knospen, eine Entwicklung, die typischerweise bei Pflanzen auftritt, die mit einem höheren Anteil an rotem Licht gezüchtet werden.
Die drastische und weltweite Umstellung auf die Verwendung von LEDs hat Wissenschaftler und Forscher dazu veranlasst, ihr volles Potenzial zu erkunden. LEDs sind technologisch effizienter und thermoregulierter als ihre Vorgänger, aber fortschrittliche LEDs bieten auch verbesserte Funktionen wie Spektralkontrolle, Dimmen, Foto-Akklimatisierung und höhere PPFD, um nur einige zu nennen. Die Fähigkeit, jeden Aspekt
Die Vorteile von Strategien mit hoher Lichtintensität
Cannabiszüchter wissen seit langem, dass Licht und Pflanzen eine Einheit bilden, aber neuere Forschungen legen nahe, dass Cannabis eine noch höhere Schwelle für die Lichtintensität hat als bisher angenommen, wenn das richtige Spektrum verwendet wird. Ein kürzlich von Fluence in Zusammenarbeit mit TOCC durchgeführter Forschungsversuch mit hohem PPFD-Wert untersuchte Lichtintensitäten von 1.100 bis 2.100 µmol/m²/s. Es wurden
Foto: Fluence by OSRAM
drei Sorten mit hohem THC-Gehalt (Typ I), mit ausgewogenem THC- und CBD-Gehalt (Typ II) und mit niedrigem THC-Gehalt (Typ III) unter einem ausgewogenen Spektrum von weißem Licht analysiert. Die Studie ergab, dass die größte Ertragssteigerung zwischen 1.100 und 1.500 µmol/m²/s auftrat. Eine Erhöhung der Lichtintensität um 26 Prozent steigerte die Erträge um 27 Prozent. Die Erträge stiegen auch bei 2.100 µmol/m²/s weiter an, wo die Forscher eine Ertragsspitze beobachteten. Die Umweltparameter wurden während des gesamten Experiments genau überwacht. Die Forscher stellten fest, dass bei Behandlungen, die 1.500 µmol/m²/s überschreiten, die Steuerung dieser Parameter wesentlich schwieriger wird. Innovationen in der LED-Technologie und neue Erkenntnisse in den Bereichen Photobiologie und Landwirtschaft haben den Cannabismärkten auf der ganzen Welt eine spannende Zukunft eröffnet. Die Fähigkeit von Forschern, Ingenieuren und Züchtern, weiterhin Strategien und Methoden mit hoher Intensität und breitem Spektrum zu entwickeln und zu verfeinern, wird für diejenigen, die sie anwenden, eine neue Ära des Wachstums und der Rentabilität bedeuten. ↙
Foto: Fluence by OSRAM
[1] https://www.cannabisbusinesstimes.com/article/special-report-stateof-the-cannabis-lighting-market/
Timo Bongartz
Timo Bongartz hat mehr als ein Jahrzehnt damit verbracht, Unternehmen bei der Geschäftsmodellinnovation zu unterstützen und neue Unternehmungen zu initiieren. Seine Leidenschaft für die Beschleunigung von Unternehmenstransformationen – kombiniert mit einer Liebe zum Pflanzenanbau aus seiner Kindheit – führte ihn schließlich in die Gartenbaubranche. Heute ist Bongartz General Manager für die EMEA-Region von Fluence by OSRAM und unterstützt Lebensmittel-, Zierpflanzen- und Pharmazieproduzenten in ganz Europa, dem Nahen Osten und Afrika dabei, ihre Anbauprojekte durch fortschrittliche Beleuchtungstechnologien für den Gartenbau zu verwirklichen.
