Zielsetzung und Einordnung
Diese Seite fasst die zentralen wissenschaftlichen Modelle und mathematischen Grundlagen zusammen, auf denen die Fachlogik unserer proprietären Software-Produkte basiert.
Sie dient als zentraler Beleg für die wissenschaftliche Validität unserer Simulations- und Berechnungswerkzeuge und macht die methodische Tiefe unseres technologiegestützten Planungsansatzes nachvollziehbar. Die hier dargestellten Modelle sind eine aufbereitete und integrierte Zusammenfassung der in der wissenschaftlichen Arbeit „Aquaponik als Basis des Kreislaufs“ (2022) hergeleiteten Berechnungen.
Kernmodell: Der gekoppelte Nährstoffkreislauf
Die grundlegende Aufgabe bei der Auslegung und Simulation einer Aquaponik-Anlage ist die Abstimmung der Nährstoffproduktion in der Aquakultur mit dem Nährstoffverbrauch in der Hydroponik. Unsere Software modelliert diese beiden Subsysteme und ihre komplexen Wechselwirkungen.
Modellierung der Nährstoffproduktion (Aquakultur)
Der entscheidende Faktor für die Nährstoffproduktion ist die tägliche Futtermenge, die dem System zugeführt wird. Alle weiteren Berechnungen leiten sich daraus ab.
Fischwachstum und Biomasse-Entwicklung
Um die Futtermenge präzise bestimmen zu können, muss das Wachstum der Fische im Zeitverlauf modelliert werden.
Gewählte Methode:
Unsere Engine nutzt eine fortschrittliche Methode, die auf den Fütterungsempfehlungen und Futterverwertungsraten (FCR) von Futterherstellern basiert. Diese Methode berücksichtigt die Wassertemperatur und das aktuelle Fischgewicht und hat sich in der Praxis als genauer erwiesen als klassische, rein temperaturbasierte Modelle.
Modellierung:
Das Fischgewicht wird iterativ berechnet, basierend auf der empfohlenen Futtermenge für das aktuelle Gewicht und der gewichtsabhängigen Futterverwertungsrate (FCR).
Futtermenge = f(aktuelles Fischgewicht, Wassertemperatur)FCR = f(aktuelles Fischgewicht)Neues Fischgewicht = Altes Gewicht + (Futtermenge / FCR)
Kohortenführung:
Die Simulation modelliert den gesamten Fischbestand („Standing Stock“) über die Zeit, indem mehrere Altersklassen (Kohorten) zeitversetzt in das System eingebracht werden. Dies ermöglicht eine realistische Abbildung der Biomasse-Schwankungen durch kontinuierliche Ernten und Neubesatz.
Berechnung der Stoffwechselprodukte
Basierend auf der maximalen täglichen Futtermenge, die sich aus dem maximalen Standing Stock ergibt, berechnet die Engine die Spitzenlast an Stoffwechselprodukten. Dies ist eine entscheidende Grundlage für die technische Auslegung der Anlage.
Grundlage:
Die Zusammensetzung des Fischfutters, insbesondere Rohprotein, Rohfett und weitere Inhaltsstoffe.
Modellierter Verbleib:
Das Futter wird in vier Fraktionen aufgeteilt:
- Nicht gefressenes Futter (Annahme: 5 %)
- Retention (Einlagerung in Fisch-Biomasse)
- Feste Ausscheidungen (Kot)
- Lösliche Ausscheidungen (über die Kiemen)
Berechnete Stoffe:
Für jeden Stoff wird die Produktionsrate in Gramm pro Kilogramm Fischfutter ermittelt.
- Gesamt-Ammonium-Stickstoff (TAN): wichtigster Parameter für die Dimensionierung des Biofilters
- Phosphor (P): wichtiger Pflanzennährstoff
- Gesamtschwebstoffe (TSS): maßgeblich für die Auslegung der mechanischen Filterung
- Sauerstoffverbrauch und CO₂-Produktion: entscheidend für die Auslegung der Belüftung und die Sicherstellung des Fischwohls
Postprandialer Metabolismus (zeitliche Dynamik)
Die Stoffwechselprodukte fallen nicht gleichmäßig über den Tag an. Unsere Modelle berücksichtigen die Verdauungszyklen der Fische (postprandialer Stoffwechsel), um die Produktionsspitzen nach der Fütterung abzubilden. Dies ermöglicht eine wesentlich genauere Auslegung der Systemkomponenten, da diese nicht auf den Tagesdurchschnitt, sondern auf die reale Spitzenlast ausgelegt werden müssen.
Modellierung des Nährstoffverbrauchs (Hydroponik und Gewächshaus)
Der Nährstoffverbrauch der Pflanzen ist eng an ihr Wachstum gekoppelt, welches wiederum primär von Licht, Temperatur und Klima abhängt.
Dynamisches Gewächshaus-Klimamodell
Die Engine nutzt ein physikalisch basiertes, dynamisches Modell, um das Mikroklima im Gewächshaus zu simulieren. Es berechnet auf Basis standortspezifischer Wetterdaten die Innen-Temperatur und Luftfeuchtigkeit.
Eingabeparameter:
Außentemperatur, Windgeschwindigkeit, relative Luftfeuchte, Solarstrahlung sowie Gewächshausgeometrie und Materialeigenschaften.
Modellierte Wärmeströme:
Die Simulation erstellt eine Energiebilanz, die folgende Wärmeströme berücksichtigt:
- Solare Gewinne durch Sonneneinstrahlung
- Wärmeverluste durch Transmission über die Gebäudehülle
- Wärmeverluste und Wärmeeinträge durch Lüftung
- Wärmeeintrag durch Heizung und Assimilationsbeleuchtung
- Latenter Wärmetransport durch Evapotranspiration der Pflanzen, ein entscheidender Faktor, der in einfachen Modellen häufig vernachlässigt wird
Output:
Diese Simulation bildet die Grundlage für die präzise Berechnung des Energiebedarfs, insbesondere für Heizung und Beleuchtung.
Pflanzenwachstum in Abhängigkeit vom Licht
Das Pflanzenwachstum wird als Funktion der täglich verfügbaren photosynthetisch aktiven Strahlung (PAR) modelliert, ausgedrückt als Tägliches Licht Integral (Daily Light Integral, DLI).
Methodik:
Für jeden Kultivar wird die benötigte akkumulierte Lichtmenge in mol/m² für einen vollständigen Wachstumszyklus definiert.
Simulation:
Die Engine berechnet für jeden Tag des Jahres das verfügbare natürliche DLI im Gewächshaus unter Berücksichtigung der Transmission der Gewächshaushülle. Anschließend wird die notwendige Leuchtdauer der Assimilationsbeleuchtung ermittelt, um ein definiertes optimales DLI zu erreichen.
Ergebnis:
Das Modell berechnet die variable Länge der Produktionszyklen über das Jahr hinweg. Dadurch entsteht eine dynamische und realistische Ertragsprognose, die saisonale Schwankungen abbildet.
Fazit
Die Simulations-Engine der APM basiert nicht auf Faustformeln, sondern auf einer Kette von validierten, wissenschaftlichen Modellen, die das komplexe Zusammenspiel von Fischbiologie, Wasserchemie, Gewächshausphysik und Pflanzenphysiologie abbilden. Diese wissenschaftliche Tiefe ist die Grundlage für die Genauigkeit unserer Werkzeuge und ein Kernbestandteil unseres geistigen Eigentums und unseres Wettbewerbsvorteils.