Eine Anwendungsfallstudie zu Sensoren für gelösten Sauerstoff in der Präzisionsbelüftung

I. Projekthintergrund: Herausforderungen und Chancen der indonesischen Aquakultur

Indonesien ist der zweitgrößte Aquakulturproduzent der Welt und eine wichtige Säule der nationalen Wirtschaft und Ernährungssicherheit. Traditionelle Anbaumethoden, insbesondere die intensive Landwirtschaft, stehen jedoch vor erheblichen Herausforderungen:

• Hypoxierisiko: In Teichen mit hoher Fischdichte verbrauchen die Atmung der Fische und der Zerfall organischer Stoffe große Mengen Sauerstoff. Unzureichender gelöster Sauerstoff (DO) führt zu langsamem Fischwachstum, vermindertem Appetit, erhöhtem Stress und kann zu Erstickung und Tod in großem Umfang führen, was verheerende wirtschaftliche Verluste für die Züchter zur Folge hat.
• Hohe Energiekosten: Herkömmliche Belüfter werden oft von Dieselgeneratoren oder dem Stromnetz angetrieben und müssen manuell bedient werden. Um nächtliche Hypoxie zu vermeiden, lassen Landwirte die Belüfter häufig über lange Zeiträume ununterbrochen laufen, was zu einem enormen Strom- oder Dieselverbrauch und sehr hohen Betriebskosten führt.
• Umfangreiches Management: Sich auf manuelle Erfahrung zu verlassen, um den Sauerstoffgehalt im Wasser zu beurteilen – beispielsweise durch die Beobachtung, ob Fische an der Oberfläche nach Luft schnappen – ist höchst ungenau. Wenn das Nach-Luft-Keuchen beobachtet wird, sind die Fische bereits stark gestresst, und eine Belüftung ist zu diesem Zeitpunkt oft zu spät.

Um diese Probleme zu lösen, werden in Indonesien intelligente Systeme zur Überwachung der Wasserqualität auf Basis der Technologie des Internets der Dinge (IoT) gefördert, wobei der Sensor für gelösten Sauerstoff eine zentrale Rolle spielt.

II. Detaillierte Fallstudie zur Technologieanwendung

Standort: Mittelgroße bis große Tilapia- oder Garnelenfarmen in Küsten- und Binnengebieten von Inseln außerhalb Javas (z. B. Sumatra, Kalimantan).

Technische Lösung: Einsatz intelligenter Systeme zur Überwachung der Wasserqualität mit integrierten Sensoren für gelösten Sauerstoff.

1. Gelöst-Sauerstoff-Sensor – Das „Sinnesorgan“ des Systems

• Technologie & Funktion: Verwendet optische Fluoreszenzsensoren. Das Prinzip beruht auf einer Schicht fluoreszierender Farbstoffe an der Sensorspitze. Bei Anregung mit Licht einer bestimmten Wellenlänge fluoresziert der Farbstoff. Die Konzentration des gelösten Sauerstoffs im Wasser verringert die Intensität und Dauer dieser Fluoreszenz. Durch Messung dieser Änderung lässt sich die Sauerstoffkonzentration präzise berechnen.
• Vorteile (gegenüber herkömmlichen elektrochemischen Sensoren):
  • Wartungsfrei: Elektrolyte oder Membranen müssen nicht ausgetauscht werden; die Kalibrierungsintervalle sind lang und erfordern nur minimale Wartung.
  • Hohe Störfestigkeit: Weniger anfällig für Störungen durch Wasserdurchflussrate, Schwefelwasserstoff und andere Chemikalien, daher ideal für komplexe Teichumgebungen.
  • Hohe Genauigkeit und schnelle Reaktion: Bietet kontinuierliche, genaue DO-Daten in Echtzeit.

2. Systemintegration und Workflow

• Datenerfassung: Der DO-Sensor wird dauerhaft in einer kritischen Tiefe im Teich installiert (oft im Bereich, der am weitesten vom Belüfter entfernt ist, oder in der mittleren Wasserschicht, wo der DO normalerweise am niedrigsten ist) und überwacht die DO-Werte rund um die Uhr.
• Datenübertragung: Der Sensor sendet Daten per Kabel oder drahtlos (z. B. LoRaWAN, Mobilfunknetz) an einen solarbetriebenen Datenlogger/Gateway am Teichrand.
• Datenanalyse und intelligente Steuerung: Das Gateway enthält einen Controller, der mit oberen und unteren DO-Schwellenwerten vorprogrammiert ist (z. B. Belüftung bei 4 mg/l starten, bei 6 mg/l stoppen).
• Automatische Ausführung: Wenn die Echtzeit-DO-Daten unter den eingestellten unteren Grenzwert fallen, aktiviert der Controller automatisch den Belüfter. Sobald der DO-Wert wieder einen sicheren oberen Wert erreicht hat, schaltet er den Belüfter ab. Der gesamte Prozess erfordert keinen manuellen Eingriff.
• Fernüberwachung: Alle Daten werden gleichzeitig auf eine Cloud-Plattform hochgeladen. Landwirte können den Sauerstoffgehalt und die historischen Trends jedes Teichs in Echtzeit über eine mobile App oder ein Computer-Dashboard überwachen und erhalten SMS-Benachrichtigungen bei Sauerstoffmangel.

III. Anwendungsergebnisse und Nutzen

Die Einführung dieser Technologie hat für indonesische Landwirte revolutionäre Veränderungen mit sich gebracht:

1. Deutlich reduzierte Sterblichkeit, erhöhter Ertrag und Qualität:
   • Durch die Präzisionsüberwachung rund um die Uhr werden hypoxische Ereignisse, die durch Nachtstunden oder plötzliche Wetteränderungen (z. B. heiße, windstille Nachmittage) verursacht werden, vollständig verhindert und die Fischsterblichkeit drastisch reduziert.
   • Eine stabile DO-Umgebung reduziert den Stress der Fische, verbessert die Futterverwertungsrate (FCR), fördert ein schnelleres und gesünderes Wachstum und steigert letztendlich den Ertrag und die Produktqualität.
2. Erhebliche Einsparungen bei Energie- und Betriebskosten:
   • Wechselt den Betrieb von „24/7-Belüftung“ zu „Belüftung nach Bedarf“, wodurch die Laufzeit des Belüfters um 50–70 % reduziert wird.
   • Dies führt unmittelbar zu einem starken Rückgang der Strom- bzw. Dieselkosten, was zu einer deutlichen Senkung der Gesamtproduktionskosten und einer Verbesserung der Kapitalrendite (ROI) führt.
3. Ermöglicht präzises und intelligentes Management:
   • Landwirte werden von der arbeitsintensiven und ungenauen Aufgabe ständiger Teichkontrollen, insbesondere nachts, befreit.
   • Datenbasierte Entscheidungen ermöglichen eine wissenschaftlichere Planung der Fütterung, der Arzneimittelgabe und des Wasseraustauschs und ermöglichen so einen modernen Übergang von der „erfahrungsbasierten Landwirtschaft“ zur „datenbasierten Landwirtschaft“.
4. Verbesserte Risikomanagementfunktionen:
   • Durch mobile Warnmeldungen werden Landwirte sofort auf Anomalien aufmerksam und können aus der Ferne reagieren, auch wenn sie nicht vor Ort sind. Dadurch können sie plötzlich auftretende Risiken deutlich besser bewältigen.

IV. Herausforderungen und Zukunftsaussichten

• Herausforderungen:
  • Anfängliche Investitionskosten: Die Anschaffungskosten für Sensoren und Automatisierungssysteme stellen für Kleinbauern und Einzelbauern weiterhin ein erhebliches Hindernis dar.
  • Technische Schulung und Einführung: Es ist notwendig, traditionelle Landwirte zu schulen, damit sie alte Praktiken ändern und lernen, wie sie die Geräte verwenden und warten.
  • Infrastruktur: Eine stabile Stromversorgung und Netzabdeckung auf abgelegenen Inseln sind Voraussetzungen für einen stabilen Systembetrieb.
• Zukunftsaussichten:
  • Mit fortschreitender Technologiereife und der Erzielung von Skaleneffekten dürften die Ausrüstungskosten weiter sinken.
  • Subventionen und Förderprogramme der Regierung und nichtstaatlicher Organisationen (NGOs) werden die Einführung dieser Technologie beschleunigen.
  • Zukünftige Systeme werden nicht nur Sauerstoff, sondern auch pH-, Temperatur-, Ammoniak-, Trübungs- und andere Sensoren integrieren und so ein umfassendes „Unterwasser-IoT“ für Teiche schaffen. Algorithmen der künstlichen Intelligenz ermöglichen eine vollautomatische, intelligente Steuerung des gesamten Aquakulturprozesses.

Abschluss

Der Einsatz von Sauerstoffsensoren in der indonesischen Aquakultur ist eine repräsentative Erfolgsgeschichte. Durch präzise Datenüberwachung und intelligente Steuerung werden die zentralen Schwachstellen der Branche – Hypoxierisiko und hohe Energiekosten – effektiv adressiert. Diese Technologie stellt nicht nur eine Verbesserung der Werkzeuge dar, sondern eine Revolution in der Landwirtschaftsphilosophie, die die indonesische und globale Aquakulturindustrie stetig in eine effizientere, nachhaltigere und intelligentere Zukunft führt.