Eine Anwendungsfallstudie zu gelösten Sauerstoffsensoren in der Präzisionsbelüftung

I. Projekthintergrund: Die Herausforderungen und Chancen der indonesischen Aquakultur

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

• Hypoxierisiko: In Teichen mit hoher Besatzdichte verbrauchen die Atmung der Fische und der Abbau organischer Stoffe große Mengen Sauerstoff. Unzureichender gelöster Sauerstoff führt zu verlangsamtem Fischwachstum, vermindertem Appetit, erhöhtem Stress und kann zu großflächigem Ersticken und Fischsterben führen, was für die Züchter verheerende wirtschaftliche Verluste zur Folge hat.
• Hohe Energiekosten: Herkömmliche Belüfter werden häufig mit Dieselgeneratoren oder über das Stromnetz betrieben und müssen manuell bedient werden. Um nächtliche Sauerstoffarmut zu vermeiden, lassen Landwirte die Belüfter oft über lange Zeiträume ununterbrochen laufen, was zu einem enormen Strom- oder Dieselverbrauch und sehr hohen Betriebskosten führt.
• Umfangreiches Management: Sich bei der Beurteilung des Sauerstoffgehalts im Wasser auf Erfahrungswerte zu verlassen – beispielsweise durch Beobachtung, ob Fische an der Oberfläche nach Luft schnappen – ist sehr ungenau. Bis man dieses Schnappen beobachtet, sind die Fische bereits stark gestresst, und eine Belüftung ist dann oft zu spät.

Um diese Probleme anzugehen, werden in Indonesien intelligente Wasserqualitätsüberwachungssysteme auf Basis der Internet-of-Things-Technologie (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 Binnenregionen von Inseln außerhalb Javas (z. B. Sumatra, Kalimantan).

Technische Lösung: Einsatz intelligenter Wasserqualitätsüberwachungssysteme mit integrierten Sensoren für gelösten Sauerstoff.

1. Sensor für gelösten Sauerstoff – Das „Sinnesorgan“ des Systems

• Technologie & Funktion: Nutzt optische Fluoreszenzsensoren. Das Prinzip beruht auf einer Schicht fluoreszierenden Farbstoffs an der Sensorspitze. Bei Anregung durch Licht einer bestimmten Wellenlänge fluoresziert der Farbstoff. Die Konzentration an gelöstem Sauerstoff im Wasser verringert die Intensität und Dauer dieser Fluoreszenz. Durch Messung dieser Veränderung wird die Sauerstoffkonzentration präzise berechnet.
• Vorteile (gegenüber herkömmlichen elektrochemischen Sensoren):
  • Wartungsfrei: Elektrolyte und Membranen müssen nicht ausgetauscht werden; die Kalibrierungsintervalle sind lang, sodass nur minimaler Wartungsaufwand erforderlich ist.
  • Hohe Störfestigkeit: Weniger anfällig für Störungen durch Wasserdurchfluss, Schwefelwasserstoff und andere Chemikalien, wodurch es sich ideal für komplexe Teichumgebungen eignet.
  • Hohe Genauigkeit und schnelle Reaktionszeit: Liefert kontinuierliche, genaue DO-Daten in Echtzeit.

2. Systemintegration und Workflow

• Datenerfassung: Der DO-Sensor wird permanent 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-Gehalt typischerweise 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 & Intelligente Steuerung: Das Gateway enthält einen Controller mit vorprogrammierten oberen und unteren DO-Schwellenwerten (z. B. Belüftung bei 4 mg/L starten, bei 6 mg/L stoppen).
• Automatische Ausführung: Sobald die Sauerstoffkonzentration (DO) in Echtzeit unter den eingestellten unteren Grenzwert fällt, aktiviert die Steuerung automatisch den Belüfter. Er schaltet den Belüfter wieder ab, sobald die Sauerstoffkonzentration einen sicheren oberen Wert erreicht hat. Der gesamte Vorgang erfordert kein manuelles Eingreifen.
• 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 Wert

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

1. Deutlich reduzierte Sterblichkeit, gesteigerter Ertrag und höhere Qualität:
   • Durch die präzise Überwachung rund um die Uhr werden hypoxische Ereignisse, die durch die Nachtstunden oder plötzliche Wetteränderungen (z. B. heiße, windstille Nachmittage) verursacht werden, vollständig verhindert und die Fischsterblichkeit drastisch reduziert.
   • Eine stabile Sauerstoffumgebung reduziert den Stress der Fische, verbessert die Futterverwertung, fördert ein schnelleres und gesünderes Wachstum und steigert letztendlich den Ertrag und die Produktqualität.
2. Erhebliche Einsparungen bei Energie- und Betriebskosten:
   • Der Betrieb wird von „24/7 Belüftung“ auf „Belüftung nach Bedarf“ umgestellt, wodurch die Laufzeit des Belüfters um 50-70 % reduziert wird.
   • Dies führt unmittelbar zu einem starken Rückgang der Strom- oder Dieselkosten, wodurch die gesamten Produktionskosten deutlich gesenkt und die Kapitalrendite (ROI) verbessert wird.
3. Ermöglicht präzises und intelligentes Management:
   • Die Landwirte werden von der arbeitsintensiven und ungenauen Aufgabe der ständigen Teichkontrolle befreit, insbesondere nachts.
   • Datengestützte Entscheidungen ermöglichen eine wissenschaftlichere Planung von Fütterung, Medikamentengabe und Wasseraustausch und ermöglichen so einen modernen Übergang von der „erfahrungsbasierten Landwirtschaft“ zur „datengestützten Landwirtschaft“.
4. Verbesserte Risikomanagementfähigkeit:
   • Mobile Warnmeldungen ermöglichen es Landwirten, Unregelmäßigkeiten sofort zu erkennen und aus der Ferne zu reagieren, auch wenn sie nicht vor Ort sind. Dadurch wird ihre Fähigkeit, plötzliche Risiken zu bewältigen, erheblich verbessert.

IV. Herausforderungen und Zukunftsaussichten

• Herausforderungen:
  • Anfangsinvestitionskosten: Die anfänglichen Kosten für Sensoren und Automatisierungssysteme stellen nach wie vor ein erhebliches Hindernis für Kleinbauern und Einzelbauern dar.
  • Technische Schulung und Anwendung: Es ist notwendig, traditionelle Landwirte darin zu schulen, ihre alten Anbaumethoden zu ändern und den Umgang mit den Geräten sowie deren Wartung zu erlernen.
  • Infrastruktur: Eine stabile Stromversorgung und Netzabdeckung auf abgelegenen Inseln sind Voraussetzungen für einen stabilen Systembetrieb.
• Zukunftsaussichten:
  • Es wird erwartet, dass die Ausrüstungskosten mit zunehmender Reife der Technologie und dem Erreichen von Skaleneffekten weiter sinken werden.
  • Subventionen und Förderprogramme von Regierungen und Nichtregierungsorganisationen (NGOs) werden die Einführung dieser Technologie beschleunigen.
  • Zukünftige Systeme werden neben gelöstem Sauerstoff auch pH-Wert, Temperatur, Ammoniak, Trübung und weitere Sensoren integrieren und so ein umfassendes „Unterwasser-IoT“ für Teiche schaffen. Algorithmen der künstlichen Intelligenz ermöglichen die vollautomatische und intelligente Steuerung des gesamten Aquakulturprozesses.

Abschluss

Der Einsatz von Sauerstoffsensoren in der indonesischen Aquakultur ist eine beispielhafte Erfolgsgeschichte. Durch präzise Datenüberwachung und intelligente Steuerung werden die zentralen Herausforderungen der Branche – Sauerstoffmangel und hohe Energiekosten – effektiv bewältigt. Diese Technologie stellt nicht nur eine Verbesserung der Werkzeuge dar, sondern eine Revolution in der Aquakulturphilosophie und führt die indonesische und globale Aquakulturbranche stetig in eine effizientere, nachhaltigere und intelligentere Zukunft.