Entscheidend für den Erfolg vertikaler Farmen wird die Technologie sein

Vertikale Landwirtschaft wird zunehmend als eine der Lösungen für die Probleme globaler Lebensmittelproduktionssysteme angesehen, und im folgenden Artikel erklärt Antti Viitanen von Vaisala, warum Mess- und Regeltechnik der Schlüssel zum Erfolg dieses schnell wachsenden Sektors sein wird.

Nachhaltigkeitsherausforderungen in der Landwirtschaft

Die Landwirtschaft im Freien (Weide- und Ackerland) nimmt etwa die Hälfte des bewohnbaren Landes des Planeten ein, und sogenannte moderne landwirtschaftliche Praktiken haben die Produktion größerer Nahrungsmittelmengen zu relativ niedrigen Preisen ermöglicht. Laut Weltbank ist die landwirtschaftliche Entwicklung eines der wirksamsten Instrumente, um extreme Armut zu beenden, den gemeinsamen Wohlstand zu steigern und bis 2050 voraussichtlich 9,7 Milliarden Menschen zu ernähren. Schätzungen zufolge litten jedoch im Jahr 2021 rund 768 Millionen Menschen an Hunger. Darüber hinaus sind Landwirtschaft, Forstwirtschaft und Landnutzungsänderungen für etwa 25 % der Treibhausgasemissionen verantwortlich, die die globale Erwärmung antreiben, und die Landwirtschaft verbraucht etwa 70 % der Süßwasservorräte. Diese Herausforderungen werden natürlich durch den Klimawandel verschärft. 

In den letzten Jahrzehnten war das Wachstum der landwirtschaftlichen Produktion mit einem hohen Preis verbunden; Umwelt und Biodiversität wurden nachhaltig geschädigt. Intensive Tierhaltung verursacht eine stärkere Umweltverschmutzung und erhöht das Risiko der Ausbreitung von Krankheiten, und immer größere Flächen mit Monokulturen haben eine verringerte Artenvielfalt und werden häufig mit Düngemitteln und Agrochemikalien behandelt, die weitere Umweltschäden verursachen. Es gibt auch zunehmende Besorgnis über die Auswirkungen der Landwirtschaft auf die Bodengesundheit mit schädlichen Auswirkungen wie Erosion, Verschmutzung (Nährstoffe und Pestizide), Verdichtung, Wüstenbildung und Versalzung.

Die Freiland-Landwirtschaft muss sich an die Jahreszeiten halten, was bedeutet, dass die meisten Feldfrüchte nur einmal im Jahr zur Erntezeit verfügbar sind. Da Lebensmittel weltweit rund um die Uhr an jedem Tag des Jahres bereitgestellt werden müssen, besteht eine starke Nachfrage nach Lagerung und transkontinentalem Transport, was den CO2-Fußabdruck landwirtschaftlich genutzter Pflanzen enorm erhöht.

Die Landwirtschaft reagiert äußerst empfindlich auf die Auswirkungen des Klimawandels, da höhere Temperaturen, Dürren, Überschwemmungen und extreme Wetterbedingungen größere Risiken für die Landwirte darstellen. Die Lebensmittel- und Getränkebranche versucht daher, das Klimarisiko in ihren Lieferketten zu verringern. Dazu gehört die Analyse des CO2-Fußabdrucks von Produkten, die Schaffung einer Anforderung zur Reduzierung von „Lebensmittelkilometern“ und die Förderung des Verzehrs von Lebensmitteln aus der Region. Schwindende Wasserressourcen tragen auch dazu bei, dass eine Bewertung des Wasserverbrauchs erforderlich wird – wiederum mit dem Ziel, das Klimarisiko in Lieferketten zu reduzieren. Gleichzeitig lebt heute mehr als die Hälfte der Weltbevölkerung in Städten, und die Urbanisierung nimmt weiter zu.

Vertikale Landwirtschaft

Die Verlagerung der landwirtschaftlichen Produktion in Innenräume löst viele der oben beschriebenen Herausforderungen. So können beispielsweise Pflanzen zu jeder Jahreszeit ideale Wachstumsbedingungen geboten werden, während sie gleichzeitig vor Witterungsschwankungen geschützt sind. Wasser kann recycelt werden, und Pestizide werden fast vollständig überflüssig. Ohne Boden- oder Pestizidverunreinigung wird die Wassereffizienz weiter verbessert, da kein Waschen erforderlich ist .

Traditionell haben Gewächshäuser und Hydroponik-Lösungen für viele landwirtschaftliche Probleme angeboten, aber mit der Verstädterung und den hohen Kosten sowie der geringen Verfügbarkeit von Land in städtischen Gebieten ist es schwierig, die Herausforderung der Lebensmittelkilometer zu lösen. 

Vertikale Landwirtschaft reduziert den physischen Fußabdruck der Lebensmittelproduktion drastisch, doch angesichts der hohen Energiekosten ist es für die finanzielle Nachhaltigkeit der vertikalen Landwirtschaft wichtig, dass sie außerdem so effizient wie möglich betrieben wird. Aus diesem Grund spielen Sensoren eine entscheidende Rolle. Daher wurden Vaisala-Sensoren von der Jones Food Company (JFC) in Großbritannien in ihren bestehenden vertikalen Farmen, aber auch in der riesigen neuen Anlage in Lydney (JFC2) verwendet, die mutmaßlich eine der größten vertikalen Farmen der Welt sein wird.

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Fallstudie – große kommerzielle vertikale Farm in Großbritannien: JFC2

JFC wurde 2016 gegründet, um die Vorteile der vertikalen Landwirtschaft zu nutzen und das ganze Jahr über frische lokale Produkte anzubieten. Die erste kommerzielle vertikale Farm des Unternehmens (JFC1) nahm 2018 mit 5000 m2 Anbaufläche und einer Kapazität von 150 Tonnen Frischprodukten pro Jahr die Produktion auf. JFC2 wird mit einer Anbaufläche von 15.000 m2 und einer Anbaukapazität von 1000 Tonnen pro Jahr viel größer sein. Zu den Schlüsselaspekten des Ansatzes des Unternehmens, die die kommerzielle Nachhaltigkeit untermauern, gehören:

1.    Skalierung – große Einrichtungen bieten Skalierungseffekte sowie die Möglichkeit, Großaufträge erfüllen zu können.
2.   Technologie – um ideale Wachstumsbedingungen zu schaffen und aufrechtzuerhalten, müssen hochwirksame Überwachungs- und Kontrollsysteme implementiert werden.
3.   Umfunktionierte Einrichtungen – anstatt die hohen ökologischen und finanziellen Kosten eines Neubaus zu tragen, hat JFC aktiv nach großen ungenutzten Gebäuden gesucht. JFC2 war zum Beispiel ursprünglich eine Gießerei.
4.   Innovation – es wurde eine Forschungseinrichtung eingerichtet, um neue Pflanzen und unterschiedliche Anbaubedingungen zu testen. Auch hier ist eine genaue Überwachung und Kontrolle von entscheidender Bedeutung.

Das Innovationszentrum von JFC in Bristol hat die Kapazität, gleichzeitig zehn verschiedene Pflanzen unter verschiedenen Bedingungen zu testen. „Dies ist grundlegend wichtig für den Erfolg des Unternehmens“, erklärt Justin Au. „Wenn ein Kunde mit der Suche nach einer bestimmten Kultur an uns herantritt, können wir schnell Versuche durchführen, um die optimalen Wachstumsbedingungen für diese Kultur in jeder Phase ihrer Entwicklung zu bestimmen. Das Überwachungs- und Steuerungssystem ermöglicht es uns, sowohl die Intensität und das Lichtspektrum der LEDs als auch die Nährstoffe im Gießwasser sowie die Temperatur, Luftfeuchtigkeit und den Kohlendioxidgehalt in den Kulturen zu ändern.“

„Sobald die optimalen Bedingungen für eine bestimmte Kultur geschaffen wurden, können wir sicher sein, dass wir sie in großem Maßstab anbauen und die Anforderungen des Kunden erfüllen können. Unser Ziel ist es, die Effizienz zu steigern, damit wir mit bestehenden Produkten im Regal konkurrieren können, aber mit den erheblichen Nachhaltigkeitsvorteilen, die die vertikale Landwirtschaft bietet.“

„Aktuell bauen wir Kräuter wie Basilikum, Dill, Petersilie, Koriander, Minze und Schnittlauch, Salate wie Kopfsalat, Rucola, Pak Choi, Spinat, Mangold, Grünkohl und Brunnenkresse sowie andere Feldfrüchte wie Erdbeeren an. Die Palette der Nutzpflanzen, die wir mit Vertical Farming kommerziell anbauen können, wird sich unvermeidlich weiter ausdehnen.“

Das Wasser wird in allen JFC-Einrichtungen ständig recycelt, wobei kontinuierliche Messungen von pH-Wert und Leitfähigkeit dazu beitragen, die Regulierung der Pflanzennährstoffe mit gelösten Düngemitteln sicherzustellen. Die Vaisala-Sensoren messen Temperatur, Feuchtigkeit und Kohlendioxid; All dies hat erhebliche Auswirkungen auf das Wachstum von Pflanzen. „Wir haben uns für Vaisala-Sensoren entschieden, weil wir langfristige Genauigkeit und Zuverlässigkeit benötigen und das Steuerungssystem nur so gut sein kann wie die Sensoren, daher ist es sinnvoll, die besten zu verwenden.“, erklärt Justin.

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Die Steuerungssysteme von JFC wurden von Christoph Grundmann, Head of Engineering, entworfen, der in der Vergangenheit Erfahrungen in der Satellitenkommunikation mit BBC und Arqiva sowie in der Entwicklung und Implementierung von Kraftwerkssteuerungssystemen gesammelt hat. Die Überwachungs- und Steuerungssysteme in allen Einrichtungen von JFC funktionieren sehr gut, ohne nennenswerte Ausfallzeiten.

Die Steuerungssysteme des Innovationszentrums von JFC wurden von Luke Grundmann programmiert und in Betrieb genommen, der besonders beeindruckt war von der prompten und proaktiven Unterstützung der Vaisala-Ingenieure beim Anschluss und der Konfiguration ihrer Modbus-RTU-Sensoren mit einem generischen USB-zu-RS485-Konverter und Freeware-Software. „Der verantwortliche Programmierleiter war noch nicht eingetroffen, aber trotzdem führte mich der Vaisala-Ingenieur mit allem, was ich zur Hand hatte, geschickt durch den Prozess.“, erklärt Lukas.

Christoph verwendet Vaisala-Sensoren standardmäßig, nachdem er in einem Steuersystem für Getreidetrockner bereits Erfahrungen mit ihnen gemacht hat. Er sagt: „Wir bei JFC streben danach, Pflanzen so kostengünstig wie möglich zu produzieren, aber es wäre eine dumme Form von Wirtschaftlichkeit, kostengünstige Sensoren zu kaufen, da die Kosten durch einen Ausfall hoch wären. Durch die Zuverlässigkeit der Vaisala-Sensoren bleiben die Gesamtbetriebskosten niedrig.“

„Außerdem war es wichtig, dass die Sensoren über eine MODBUS-Kommunikationsfähigkeit verfügen, was bei der Installation viel Zeit und Geld gespart hat und für die Zukunft bedeutet, dass Änderungen schnell und einfach zu implementieren sind“.

Temperatur und Luftfeuchtigkeit in den JFC-Einrichtungen werden von einem separaten HLK-System gesteuert, aber Christoph sagt: „Das HLK bei JFC1 wurde mit eigenen Sensoren geliefert, also haben wir sie durch die von Vaisala ersetzt. Bei JFC2 werden wir die Vaisala-Sensoren verwenden, um die vom HLK-System durchgeführten Messungen zu überprüfen und zu validieren und gegebenenfalls einzugreifen.“

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Die erste Ernte für JFC2 ist im Sommer 2023 fällig, und dank der 15 Ebenen ist jeder Quadratmeter 15-mal produktiver. Das Dach der neuen Anlage ist vollständig mit Sonnenkollektoren bedeckt, und die Energie wird zu 100 % aus erneuerbaren Quellen stammen. Regenwasser wird gesammelt und gefiltert, und fast 95 % des Wassers werden recycelt.

Um die Effizienz der Wachstumsbedingungen in JFC2 zu maximieren, wird die gesamte Anlage von einem Netzwerk aus Vaisala-Sensoren überwacht, darunter: 46 RH/Temp-Sensoren; 12 CO2-Sensoren; 10 Temperatur-/RH-/CO2-Sensoren; 2 Luftdrucksensoren und eine mehrparametrische Wetterstation der Baureihe Vaisala WXT 530.

Antti Viitanen von Vaisala kommentiert das Überwachungssystem und sagt: „Die Genauigkeit und Zuverlässigkeit dieser Sensoren wird für die Effizienz des laufenden bedarfsgesteuerten Managements der Pflanzenwachstumsbedingungen entscheidend sein, da genaue Messungen dazu beitragen, die Pflanzenproduktion zu maximieren, während Verschwendung vermieden wird und Kosten minimiert werden“.

Zusammenfassung

Die Hauptvorteile der vertikalen Landwirtschaft gegenüber traditionellen Methoden beziehen sich fast alle auf die Nachhaltigkeit. Boden und Biodiversität werden nicht beeinträchtigt; Treibhausgasemissionen sind wesentlich geringer; die Wassereffizienz wird dramatisch verbessert, da keine unnötige Verdunstung stattfindet, die Bohrstelle nicht versiegt und die Böden nicht auswaschen. Der Raum wird effizient genutzt, um bei Bedarf ein städtisches Umfeld unterzubringen und Lebensmittelkilometer zu verringern. Wichtig ist, dass frische Produkte an jedem Tag des Jahres erhältlich sind, unabhängig von Wetter und Jahreszeit. Steigende Produktionskosten für Lebensmittel bedeuten jedoch, dass der Erfolg neuer vertikaler Farmen von ihrer Fähigkeit abhängen wird, die Eingaben effektiv zu überwachen und zu steuern, weshalb die Sensorqualität so wichtig ist.

Mit Blick auf die Zukunft plant Christoph, die Nachhaltigkeitsreferenzen von JFC durch Initiativen wie die Nutzung von CO2 aus anaerober Vergärung und den Einsatz kompostierbarer Wachstumsmedien, die einer anaeroben Vergärung unterzogen werden können, weiter zu verbessern. Er wertet auch die berechnete Taupunktausgabe der Vaisala-Sensoren aus, um festzustellen, ob dies eine intelligentere Möglichkeit zur Steuerung der HLK-Systeme wäre. Darüber hinaus untersucht er mit Hilfe der Vaisala-Expert*innen die Möglichkeit von Enthalpiemessungen für die Innen- und Außenumgebung, um die effizienteste HLK-Umwälzung (Frischluftverhältnis) zu bestimmen.