Ab dem Wintersemester 2023/24 bietet der Masterstudiengang „Sustainable Water Management and Engineering“ seinen Studierenden ein neues interdisziplinäres und innovatives Wahlmodul an: Digitalisiertes Wassermanagement in integrierter Aquakultur (DiA).
Die Studierenden können sich im Rahmen des neuen Wahlmoduls durch praxisnahe und auch selbstbestimmte Lehrinhalte in das Thema Digitalisierung in der integrierten Aquakultur einarbeiten.“
Prof. Dr. Manuela Wimmer, Studiengangleiterin Sustainable Water Management and Engineering
Gefördert wird die Implementierung des Moduls im Projekt „NaLeA“ durch die Stiftung Innovation in der Hochschullehre, im Rahmen der Ausschreibung „Freiraum 2022“.
Die Idee
Der internationale Masterstudiengang „Sustainable Water Management and Engineering“ (deutsch: Nachhaltiges Wassermanagement und -ingenieurwesen) soll Fachkräfte für die Wasserwirtschaft ausbilden. Dabei werden Management- und Technikkompetenzen mit den Themen Digitalisierung und Nachhaltigkeit verknüpft. Eine der zentralen Fragen ist, wie weltweit sauberes Wasser für die Versorgung von Mensch und Umwelt bereitgestellt werden kann. Dennoch sollen die Studierenden auch über den Tellerrand hinausblicken. Gelegenheit dazu fanden sie bis jetzt unter anderem in Vorlesungen zum Thema „Lebensmittelproduktion in der Aquakultur unter effizienter Ressourcennutzung“. Die Aquakultur, also die kontrollierte Aufzucht von Fischen und anderen Wasserbewohnern in bestimmten Haltungssystemen, hat es den Studiengangteilnehmenden angetan. Daher wurde vom Forschungsgruppenleiter Dr. Harvey Harbach und Studiengangleiterin Prof. Dr. Manuela Wimmer daran gearbeitet, ein noch tiefergehendes Lehrangebot zur Erzeugung von Lebensmitteln im Wasser anbieten zu können.
Das Projekt NaLeA
Der Startschuss für das zugehörige Projekt „Nachhaltige Lebensmittelerzeugung in der integrierten Aquakultur“ (NaLeA) fiel am 01.09.2022. Mit ca. 385.000 € fördert die Stiftung „Innovation in der Hochschullehre in Trägerschaft der Toepfer Stiftung gGmbH“ über zwei Jahre die Konzeptionierung und Einführung des Wahlmoduls. Dessen Alleinstellungsmerkmal ist, dass das Modul in überschneidender virtueller Realität und der Wirklichkeit tiefere Einblicke in Prozesse ermöglicht als in gängigen Lehrkonzepten. Es werden nicht nur Konzepte zur nachhaltigen Aquakultur vermittelt. Ganz im Gegenteil soll im Zentrum die aktive Aneignung von Methodenkompetenz stehen. Dazu gehört zum Beispiel Knowhow für die Planung und das Management einer Anlage oder für die Anwendung digitaler Mess- und Steuerungstechniken. Im Projekt werden drei Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler und sechs Hilfswissenschaftlerinnen und Hilfswissenschaftler beschäftigt sein, um die vielfältigen Aufgaben im Bereich Organisation, Anlagen-Betreuung sowie der interaktiven Lehrtätigkeit erfolgreich bewältigen zu können. Ab dem Sommersemester 2023 wird im Bachelor „Umweltingenieurwesen“ das Praxisprojekt „Digitalisierung in Aquakultur“ (DiA) angeboten, ab dem Wintersemester 2023/2024 das Wahlmodul „Digitalised Watermanagement in integrated Aquaculture“ (DiA) für die Masterstudierenden.
Die integrierte Aquakultur-Anlage
„Fail fast, learn faster“ – „Scheitere schnell, lerne schneller“. Dieser Spruch ziert den Eingangsbereich der Hochschule und kann auch als Motto für das Wahlmodul dienen.
Die Studierenden werden eine eigene Aquaponik-Anlage bekommen. An diesem Modell können sie sich frei auslassen. Ob „ihr Betrieb“ am Ende des Semesters wirtschaftlich Lebensmittel produziert, liegt allein in ihren Händen.“
Dr. Harvey Harbach, Leiter Forschungsgruppe Ressourceneffiziente Lebensmittelproduktion in integrierter Aquakultur
Eine Aquaponik-Anlage ist dafür das perfekte Forschungs- und auch Anwendungsobjekt zugleich, denn hierbei wird die Haltung von Fischen (Aqua-kultur) mit der Erzeugung von Gemüse oder anderen Pflanzen in einer Nährlösung (Hydro-ponik) integriert. Dies beinhaltet, dass ein Kreislauf aus beiden Systemen gebildet wird, in dem das Wasser zirkuliert und recycelt wird. Somit verringert sich der Wasserverbrauch für die Erzeugung von pflanzlichen und tierischen Lebensmitteln. Natürlich wird auch das Thema Energie sowie Effizienz betrachtet werden.
Konkret wird das Abwasser aus den Fischbecken zuerst mechanisch gefiltert, um Futterreste und Kot zu entfernen. Danach folgt ein sogenannter Biofilter, in dem das von den Fischen ausgeschiedene Ammoniak, ein Zellgift, von nützlichen Bakterien zu Nitrat umgewandelt wird. Dies ist eine Bindungsform von Stickstoff, den Pflanzen brauchen, um wachsen und Früchte bilden zu können. Das nährstoffreiche Wasser wird zu den Pflanzen geleitet. Diese wirken als Filter, die dem Wasser das Nitrat sowie Phosphor und andere Nährelemente entziehen. Danach gelangt das gereinigte Wasser zurück zu den Fischen. Diese können darin gut fressen und wachsen – und dabei abermals Nährstoffe in das Wasser abgeben. Der Kreis schließt sich.
Nährstoffrecycling in von Menschen beeinflussten Systemen und dessen Auswirkungen auf die Umwelt ist eines der Kernthemen im Masterstudiengang.“
Prof. Dr. Dr. h.c. Jürgen Lehmann, Präsident der Hochschule Hof
„Daher freut es mich, dass die Studierenden in einer realen Aquaponik-Anlage mit dieser Herausforderung konfrontiert werden. Die angeeigneten Prinzipien und Lösungswege werden sie nicht nur im Bereich der integrierten Lebensmittelerzeugung im Wasser, sondern auch beispielsweise bei der kommunalen Abwasserbehandlung einsetzen können”, so Präsident Lehmann weiter.
Lehre neu interpretiert
Im Wahlmodul schlüpfen die Studierenden aktiv in die Rollen von Anlagenbetreiber:innen, Investor:innen, Planungsinstanzen, Behördenvertreter:innen, Bauunternehmern sowie Hersteller:innen von Anlagenkomponenten und zugehöriger Mess- und Regeltechnik. Nach einem übersichtlichen, aber notwendigen, Theorieteil wird von den Teilnehmenden ein Businessplan erstellt. Vorgaben soll es dafür keine geben.
Welche Fischart es werden soll, welche Komponenten in welcher Größenordnung in der Anlage verbaut, welche Pflanzen angebaut werden sollen oder an wen und wo die Lebensmittel vermarktet werden – all das darf das Studierendenteam selbst recherchieren und festlegen. Ob das dann von Investoren unterstützt und von den Behörden genehmigt wird, ist eine andere Frage.”
Lena Bächer, wissenschaftliche Mitarbeiterin
Das halb-virtuelle Konzept ermöglicht dieses realistische Vorgehen. Im Anschluss daran wird die geplante Aquaponik-Anlage in einem reduzierten Maßstab an der Hochschule Hof aufgebaut. Die Anlage soll als Modell dienen, um die Nährstoffflüsse untersuchen und steuern zu können – und das auch online.
Digitalisierung der Lebensmittelerzeugung
Ein Hilfswerkzeug, das dies ermöglichen soll, ist digitale Mess- und Steuerungstechnik. Das Wohlergehen und damit Wachstum der gedachten Fische und Pflanzen hängt in erster Linie von der Qualität ihres gemeinsamen Wassers ab. Daher soll dieses kontinuierlich untersucht werden. Verantwortlich hierfür sind wiederum die Studierenden. Sie werden die Messsonden für Nährstoffe, die Mini-Computer und die Steuerungseinheiten selbst installieren und programmieren. Auch ist es ihre Aufgabe, die gewonnenen Messwerte der Fernüberwachung aufzubereiten und daraus praktische Schlüsse zu ziehen. Die Erkenntnisse aus der selbstständigen, datenbasierten Optimierung der Prozesssteuerung oder des gesamten Anlagen-Aufbaus können auf andere Bereiche des Wassermanagements übertragen werden.
Absolventinnen und Absolventen des Moduls DiA werden zum einen ein fundiertes Verständnis über Nährstoffflüsse im Wasser erlangt haben. Zum anderen werden sie auch praktisch in der Lage sein, die Nährstoffflüsse mit digitalen Hilfsmitteln zu steuern. Ob sie damit später erfolgreich Fische und Gemüse für die lokale Lebensmittelversorgung erzeugen oder Abwasser-Reinigungs-Prozesse derartig optimieren, dass Ökosysteme entlastet werden und der Wasserverbrauch verringert wird, liegt in ihrer Hand. Ohne Frage aber wird jede Region profitieren, die auf solche Fachkräfte zählen kann.“
Dr. Harvey Harbach
