Positiver Effekt auf das Mikroklima mit dem kapillarem Unterflurbewässerungssystem zur urbanen und landwirtschaftlichen Bewässerung

Im Rahmen des BMBF-geförderten FuE-Vorhabens AgRain wurde ein kapillares Unterflurbewässerungssystem mittels der INTEWA DRAINMAX® Tunnelrigole entwickelt und patentiert. Das System speichert dezentral Regenwasser von unversiegelten (Sickerwasser) oder versiegelten Flächen. Im Anschluss steigt das gesammelte Wasser mittels Kapillarkraft nach oben. Ursprünglich für die Bewässerung von Nassreis in Burkina-Faso entwickelt, zeigen neue Versuche die Einsetzbarkeit des Systems auch in deutschen Städten, als Wasserversorgung von urbaner Begrünung (inklusive Urban Farming) aber auch als großflächiges System zur Umgebungskühlung. Somit liefert das System Antworten auf mehrere drängende Probleme der Folgen des Klimawandels: Nahrungsmittelsicherheit, lokale Hitzeinseln, Wasserbevorratung und Regenwassermanagement.

Erfolgreiche Bewässerungsversuche zeigen: halbierter Wasserverbrauch bei doppeltem Ertrag

Neue Versuche im Dürresommer 2022 haben für die Anwendung zur Bewässerung im Gemüseanbau – in städtischem Kontext auch „Urban Farming“ genannt- die Effektivität des Systems bestätigt. Am Standort Aachen wurden im Frühsommer der AgRain-Demonstrator mit Tunnel und das Referenzsystem ohne Tunnel (siehe Abb. 2) gemäß Bepflanzungsplan (Abb. 3) bepflanzt.

Das Referenzsystem wurde, um der vorherrschenden Bewässerungsart in Burkina Faso Rechnung zu tragen, händisch bewässert. In der Praxis waren dies an heißen Sommertagen 5 bis 6 Liter/ m². Für den Beispielmonat August ergibt sich im Tunnelsystem so ein Wasserverbrauch von 290 Liter und damit weniger als 50 % des Wasserverbrauchs als zum Referenzsystems, welches 600 Liter verbrauchte.

Eine mögliche Erklärung dafür liefert der Vergleich der Bodenfeuchten: Es fällt auf, dass im Tunnelsystem die Amplitude der Bodenfeuchte in der Hauptwurzelzone (20 cm) mit maximal -50 kPa weniger stark ausgebildet ist. Dies bedeutet, dass die Pflanzen einem geringeren Wasserstress im Tagesverlauf ausgesetzt sind.

Die Analyse der Bodenfeuchtedaten im Referenzsystem zeigt hingegen, dass sich nach dem Gießvorgang eine Sättigung des Bodens in der Hauptwurzelzone einstellt, das Bewässerungswasser jedoch kaum in tiefere Bodenschichten vordringt. Somit stellt sich auch an heißen Tagen innerhalb von 24 Stunden in der Hauptwurzelzone wieder extreme Trockenheit (> 800 kPa) ein.

Der Versuch zeigte außerdem, dass das Tunnel-System in der Vegetationsperiode 2022 einen doppelt so hohen Massenertrag wie das Referenzsystem aufwies. Dieses Ergebnis unterstützt der optische Vergleich in Abbildung 6 hinsichtlich des Pflanzenwachstums.

Gleichzeitig wurde das Tunnel-System weniger stark von Mehltau und Kohlfliegen heimgesucht, die dem oberflächig gegossenen System sehr zu schaffen machten.

Nutzungsarten: Bewässerung und Verdunstung

Das Wasser wird im DRAINMAX-Tunnel gespeichert und im Anschluss durch die kapillare Steigwirkung nach oben transportiert. Dabei wird es anteilig von den Wurzeln der Pflanzen absorbiert und für die Photosynthese (6 H₂O + 6 CO₂ = 6 O₂ + C₆H₁₂O₆) oder für den Zelldruck (Turgor) und damit die Stabilität der Pflanze verwendet. Wasser, welches nicht von der Pflanze absorbiert wird, steigt weiter nach oben und verdunstet an der Oberfläche. Damit wird eine Kühlung der Umgebung von 670 kWh/m³ bewirkt (Verdunstungskühlung: für den Phasenübergang von flüssig zu gasförmig wird Energie benötigt, die der Umgebung entzogen wird und diese somit abkühlt). Optimale Wasserversorgung kann laut Literatur zu einer Abkühlung der Umgebungstemperatur von 1,5 – 7°C führen.  (Gkatsopoulos 2017, Sudimac et al. 2019, Umweltbundesamt 2014) In den aktuellen Versuchen wurde unter Anderem untersucht, ob bei Fehlen einer kapillarbrechenden Schicht (Kiesel, Schotter, o. Ä.) der Tunnel „leerverdunstet“. Dies war jedoch nicht der Fall. Die höheren  Erträge  im Tunnelsystem weisen vielmehr auf eine ausreichende bzw. optimale Wasserversorgung der Pflanzen hin. Eine genaue Messung der Verdunstung ist jedoch nur in entsprechenden Versuchskästen möglich.

Abseits des Urban Farmings, also der Erzeugung von für den Verzehr geeigneter Biomasse, ist der Einsatz des kapillaren Bewässerungssystems auch als großflächige Verdunstungskühlung bei Grünflächen im urbanen Kontext möglich. Beim Einsatz des Systems wird durch Evapotranspiration, welche die Verdunstung einerseits ausgehend von Boden- und Wasserflächen (Evaporation) und andererseits über die Oberfläche von Pflanzen (Transpiration) umfasst, die Umgebung gekühlt.

DRAINMAX-Green: Die Vorteile auf einen Blick

Im Vergleich zu oberflächig bewässerten Grünflächen bietet das System als kombiniertes System zur Bewässerung und Verdunstungskühlung Kommunen und ihren Bewohnern folgende Vorteile:

• Eine optimale Bewässerung fördert das Pflanzenwachstum, so dass die Pflanze mehr bzw. größere Blätter ausbilden kann. Damit wird die, für die Transpiration zur Verfügung stehende Oberfläche erhöht. Mehr Wasser kann dadurch verdunsten und die Umgebung wird effektiver gekühlt. Die Lebensqualität der Bewohner wird verbessert und bei großflächigem Einsatz des Systems kann sich sogar die lokale Niederschlagshäufigkeit erhöhen.
• Durch den unterirdischen Einbau des Systems werden keine Flächen als Aufstandsflächen verbraucht. Bestehende öffentliche Grünflächen werden durch Nutzung des kleinen Wasserkreislaufs im Rahmen der Verdunstung zur „natürlichen Klimaanlage“ und erhalten damit eine höhere Wertschöpfung und -schätzung. 
• Durch seinen Aufbau bildet das System den natürlichen Niederschlagskreislauf nach. Die Versickerungsfähigkeit von unversiegeltem Boden wird durch die Befeuchtung „von unten“ erhöht und so der oberflächennahe Abfluss verringert. Somit werden Überflutungen und Kanalüberlastung verringert.
• Die natürlichen Ressourcen werden geschont, da das System keinen Energie für den kapillaren Aufstieg benötigt. Die kapillare Steighöhe ist jedoch, in Abhängigkeit von der Bodenart (Porengröße und -form) begrenzt. Die Einbautiefe des Systems sollte also je nach Nutzungsart (Bewässerung vs. Verdunstung) gewählt werden.
• Die Bewässerung erfolgt mit gesammeltem Regen(sicker)wasser und das oftmals für die Bewässerung eingesetzte Trinkwasser kann „eingespart“ werden. Grundwasservorräte werden somit geschont oder sogar mittels Sickerwasser aus dem Überlauf aufgefüllt.

Der Einsatz von DRAINMAX-Green als Unterflurbewässerungssystem grenzt damit langfristig die drängenden Probleme in Folge von klimatischen Veränderungen ein. Das Demonstrationssystem in Aachen ist, mittels städtischer Verdunstung und landwirtschaftlicher Bewässerung, der erste Schritt in eine nachhaltige grüne Zukunft.

Literatur

• P. Gkatsopoulos. A Methodology for Calculating Cooling from Vegetation ET for Use in Urban Space Microclimate Simulations. Science Direct, National Technical University of Athens, 2017.
• B. Sudimac, B. Ili, V. Mun, A.S. AnCelkovi. Heat ux transmission assessment of a vegetation wall inuence on the building envelope thermal conductivity in Belgrade climate.Science Direct, Belgrade, 2019
• Umweltbundesamt. Grünes Zimmer Ludwigsburg. https://www.umweltbundesamt.de/themen/klima-energie/klimafolgenanpassung/werkzeuge-der-anpassung/tatenbank/gruenes-zimmer-ludwigsburg-0, Stand 2014

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