Hoe het gewas en bedrijf profiteren van de overstap van HPS naar LED

Assimilatiebelichting is essentieel in moderne kassen, met name in regio's waar kortere daglengtes en verminderde zonnestraling niet voldoen aan de eisen voor een productieve gewasgroei. De benodigde hoeveelheid assimilatiebelichting hangt af van verschillende factoren: de locatie van de kas, het seizoen, het gewas, het vereiste lichtspectrum en de elektriciteitskosten.

Geschiedenis

Assimilatiebelichting is essentieel in moderne kassen, met name in regio’s waar kortere daglengtes en verminderde zonnestraling niet voldoen aan de eisen voor een productieve gewasgroei. De benodigde hoeveelheid assimilatiebelichting hangt af van verschillende factoren: de locatie van de kas, het seizoen, het gewas, het vereiste lichtspectrum en de elektriciteitskosten.

Wereldwijd neemt het energieverbruik in kassen toe door een breder en intensiever gebruik van verwarming en assimilatiebelichting. Op noordelijke breedtegraden is intensieve verwarming vaak nodig om een gunstige temperatuur voor jaarrondteelt te handhaven. Assimilatiebelichting, vooral in het najaar en de winter, is cruciaal voor fotoperiodecontrole, de regulering van ontwikkelingsprocessen zoals bloei, en het waarborgen van voldoende biomassaproductie.

Energie-efficiëntie

Tuinbouwverlichtingssystemen werden voor het eerst ontwikkeld halverwege de 19e eeuw en werden in de 20e eeuw breed toegepast in de sector. Deze systemen waren voornamelijk gebaseerd op lichtbronnen zoals hogedruknatriumlampen (HPS), metaalhalidelampen en tl-verlichting. Hoewel deze traditionele lichtbronnen met succes assimilatiebelichting voor plantengroei leverden, boden ze beperkte flexibiliteit in spectrale afstemming om specifieke plantreacties te optimaliseren.

In de jaren 80 begon de National Aeronautics and Space Administration (NASA) met onderzoek naar lichtemitterende diodes (LED’s) voor plantengroei in de ruimte, wat later bijdroeg aan een sectorbrede overgang van gasontladingslampen naar solid-state verlichtingssystemen.

De voortdurende verschuiving van HPS naar LED-verlichting heeft de energie-efficiëntie aanzienlijk verbeterd, voornamelijk dankzij de hogere foton-efficiëntie van LED-chips (3,8–4,5 μmol J⁻¹) in vergelijking met HPS-armaturen (1,9 μmol J⁻¹) bij het omzetten van elektrische input in fotosynthetisch actieve straling (PAR). Verwacht wordt dat de energieprestaties van LED’s zich verder zullen blijven verbeteren, waardoor hun voorsprong op conventionele tuinbouwverlichtingssystemen verder toeneemt.

LED-transitie

In Nederland zijn zowel het kasoppervlak dat gebruikmaakt van kunstlicht als de toegepaste lichtintensiteit de afgelopen jaren snel toegenomen. Deze trend wordt weerspiegeld door een afname van het energieverbruik voor verwarming en een bijbehorende toename van het energieverbruik voor verlichting. De overstap van HPS naar LED kan de energiekosten voor verlichting met ongeveer 10–25% verlagen.

In de Verenigde Staten neemt de toepassing van LED-verlichting daarentegen ook toe, met een aandeel van 16% in 2016 en 78% in 2024. De overstap naar LED is met name van cruciaal belang voor gewassen met een hoge lichtbehoefte, zoals cannabis, die lange fotoperiodes en hoge lichtintensiteiten vereisen. In dergelijke gevallen is het potentieel voor energiebesparing het grootst, hoewel het totale besparingspercentage uiteindelijk wordt beperkt door het aandeel van verlichting in het totale energieverbruik.

Verminderde stralingswarmte

LED’s stoten, in tegenstelling tot HPS-lampen, verwaarloosbare hoeveelheden nabij-infraroodstraling uit. Omdat HPS-lampen echter een aanzienlijke bijdrage leveren aan stralingswarmte, vereist de overstap naar volledige LED-systemen strategische aanpassingen om het verlies van thermische input aan de kasomgeving te compenseren (Fig. 1).

In Nederland werd bijvoorbeeld historisch 25–30% van de verwarmingsbehoefte gedekt door hoge-intensiteit gasontladingslampen (HID). Noordse landen zijn daarentegen goed gepositioneerd voor een soepele overstap naar LED-verlichting, dankzij de beschikbaarheid van hernieuwbare energiebronnen zoals aardwarmte. Het gebruik van aardwarmte kan de productiekosten met wel 35% verlagen, waardoor commerciële kasteelt mogelijk wordt in koudere klimaten die anders economisch niet haalbaar zouden zijn. In dergelijke omstandigheden, waar verwarming zowel goedkoop als milieuvriendelijk is, wegen de voordelen van de lagere elektrische vraag van LED’s op tegen de kosten van extra verwarming.

Veel kassen gebruiken ook warmtekrachtkoppeling (WKK) om elektriciteit, warmte en CO₂ te produceren door het verbranden van aardgas. In kassen met HPS-verlichting moet de overtollige warmte van WKK-generatoren vaak worden geventileerd, wat onbedoeld de CO₂-voetafdruk vergroot. Een kas met LED-verlichting kan de elektrische vraag daarentegen efficiënter afstemmen op de thermische output van een WKK-systeem, waardoor verspilling en emissies worden geminimaliseerd. Kassen die afhankelijk zijn van WKK zullen daardoor aanzienlijke energiebesparingen realiseren bij de overstap naar LED-verlichting.

Tot slot bieden LED’s aanpasbare lichtkwaliteit, nauwkeurige fotoperiodecontrole en een hoge-intensiteit output met minimale stralingswarmte. Dit maakt het mogelijk om lichtschema’s op maat te maken, ter optimalisatie van fotosynthese, plantmorfologie en de totale opbrengst.

Figuur 1: Energiebesparing in kassen door de overstap van hogedruknatrium naar LED-verlichting (Katzin et al. 2021)

Effect van stralingswarmte op overige omgevingsparameters

Het is belangrijk om op te merken dat het gebruik van HPS-verlichting, met name bij gewassen die een hoge lichtintensiteit en lange fotoperiodes vereisen, de luchttemperatuur in de kas aanzienlijk verhoogt. Tijdens de zomer kan dit leiden tot suboptimale luchttemperaturen voor de gewasgroei en de luchtvochtigheid verder verhogen door een toegenomen transpiratie van de planten. Naarmate zowel de luchttemperatuur als de luchtvochtigheid stijgen, moet de ventilatie worden verhoogd, wat kan leiden tot verlies van toegediende CO₂. Daarnaast kunnen de energiekosten stijgen om optimale omstandigheden voor temperatuur en luchtvochtigheid te handhaven. In de winter kan overtollige stralingswarmte van HPS eveneens leiden tot een verhoogde ventilatiebehoefte, wederom vanwege de verhoogde luchtvochtigheid door transpiratie.

Daarnaast hebben het type lichtbron en de bijbehorende stralingswarmte een directe invloed op de temperatuur van het plantweefsel. In extreme gevallen, waarbij irrigatie en luchtbeweging beperkt zijn, kan de plant­temperatuur, afhankelijk van de lichtbron, 6 tot 12°C hoger liggen dan de luchttemperatuur. Een hogere planttemperatuur versnelt de ontwikkelingssnelheid, wat negatieve effecten kan hebben wanneer de optimale temperatuurgrenzen voor de plant worden overschreden.

Onder normale teeltomstandigheden resulteert het gebruik van LED’s in een verlaging van de bladtemperatuur van ongeveer 1,3°C ten opzichte van HPS-verlichting, hoewel dit verschil vaak kleiner is dan verwacht bij de overstap naar LED-systemen.

Figuur 2: Analyse van de omgevingsinvloeden op bladtemperatuur onder zonlicht, hogedruknatrium en lichtemitterende diodes (Nelson en Bugbee 2015)

Aanvullende voordelen van LED’s

LED’s bieden niet alleen een hogere energie-efficiëntie, maar maken ook een verhoging van de lichtintensiteit en fotoperiode mogelijk die met HPS-systemen vaak niet haalbaar is. In kassen, met name in de zomer, kan het gebruik van HPS bij hoge intensiteiten de luchttemperatuur tot suboptimale niveaus doen stijgen, wat een negatief effect heeft op de gewasopbrengst en -kwaliteit. Dit is vooral problematisch wanneer verduisteringsschermen vereist zijn om lichtvervuiling te voorkomen, zoals in veel landen wettelijk verplicht is, waardoor het afvoeren van overtollige warmte verder wordt beperkt.

Daarnaast bieden LED’s meer flexibiliteit in klimaatbeheersing. De lichtintensiteit kan dynamisch worden aangepast op basis van realtime elektriciteitsprijzen, wat een kostenefficiënter energiegebruik mogelijk maakt. Bovendien kan het lichtspectrum worden afgestemd om specifieke aspecten van de plantengroei en -ontwikkeling te sturen, een mate van controle die met HPS-armaturen niet mogelijk is.

Bronnen:
Holweg, M. (2025). Photobiology of medicinal cannabis: Pharmaceutical compounds and crop morphology (Doctoral dissertation, Wageningen University and Research).

Katzin, D., Marcelis, L. F., & van Mourik, S. (2021). Energy savings in greenhouses by transition from high-pressure sodium to LED lighting. Applied Energy, 281, 116019.

Nelson, J. A., & Bugbee, B. (2015). Analysis of environmental effects on leaf temperature under sunlight, high pressure sodium and light emitting diodes. PloS one, 10(10), e0138930.

Cannabis Business Times ‘2024 State of the Cannabis Lighting Market’