Teknologialla on keskeinen rooli vertikaaliviljelyssä

Vertikaaliviljelyä pidetään yhä yleisemmin yhtenä ratkaisuna maailman ruoantuotantojärjestelmien ongelmiin. Tässä artikkelissa Vaisalan Antti Viitanen kertoo, miksi mittaus- ja valvontateknologialla on keskeinen rooli tämän nopeasti kasvavan alan menestyksessä.

Kestävän kehityksen haasteet maataloudessa

Noin puolet planeettamme asumiskelpoisesta maasta on maatalouden käytössä laidunmaina ja viljelymaina, ja nykyaikaiset maatalouskäytännöt ovat mahdollistaneet ruoan tuotannon entistä suuremmissa määrissä verrattain edulliseen hintaan. Maailmanpankin mukaan maatalouden kehitys on yksi tehokkaimmista tavoista päästä eroon äärimmäisestä köyhyydestä, lisätä yhteistä hyvinvointia ja saada ruokaa arviolta 9,7 miljardille ihmiselle vuoteen 2050 mennessä. Arvioiden mukaan noin 768 miljoonaa ihmistä näki kuitenkin nälkää vuonna 2021. Lisäksi maa- ja metsätalous sekä maankäytön muutokset ovat vastuussa noin 25 prosentista kasvihuonekaasupäästöistä, jotka edistävät ilmastonmuutosta, ja maatalous kuluttaa myös noin 70 prosenttia makean veden resursseista. Nämä haasteet tietenkin vain korostuvat ilmastonmuutoksen myötä. 

Viime vuosikymmeninä maataloustuotannon kasvulla on ollut suuri hinta, ja se on aiheuttanut kestämätöntä haittaa ympäristölle ja biodiversiteetille. Intensiivinen karjatalous lisää saasteiden määrää ja tautien leviämisriskiä, ja entistä suuremmat yhden lajikkeen viljelmät ovat vähentäneet biodiversiteettiä. Lisäksi näitä alueita käsitellään toistuvasti lannoitteilla ja maatalouskemikaaleilla, jotka aiheuttavat lisää ympäristövahinkoja. Myös huoli maatalouden vaikutuksista maaperään on kasvamassa. Haittavaikutuksia ovat muun muassa eroosio, saasteet (ravinteet ja tuholaismyrkyt), kokoon puristuminen, aavikoituminen ja suolaantuminen.

Ulkoviljelmien on toimittava vuodenaikojen mukaan, mikä tarkoittaa, että useimmat sadot ovat kerättävissä vain kerran vuodessa. Maailmalla tarvitaan ruokaa vuoden ympäri vuorokauden jokaisena päivänä. Se edellyttää paljon varastointia ja mannertenvälisiä kuljetuksia, mikä suurentaa satojen hiilijalanjälkeä merkittävästi.

Maatalousala on erittäin herkkä ilmastonmuutoksen vaikutuksille. Entistä korkeammat lämpötilat, kuivuus, tulvat ja äärimmäiset sääolosuhteet ovat kaikki yhä suurempia riskejä maanviljelijöille. Siksi elintarvikealalla halutaan vähentää toimitusketjujen ilmastoriskiä. Tämä sisältää tuotteiden hiilijalanjäljen analysoinnin ja paikallisesti tuotetun ruoan suosimisen pitkien kuljetusten välttämiseksi. Hupenevat vesivarat lisäävät myös vesijalanjäljen arviointitarvetta – jälleen toimitusketjujen ilmastoriskin vähentämiseksi. Samalla yli puolet maailman väestöstä asuu kaupungeissa, ja kaupungistuminen jatkaa kasvuaan.

Vertikaaliviljely

Maataloustuotannon tuominen sisätiloihin ratkaisee monia edellä kuvatuista haasteista. Satoja voidaan esimerkiksi kerätä ihanteellisissa kasvuolosuhteissa vuodenajasta riippumatta, suojassa vaihtelevalta säältä. Vesi voidaan kierrättää, eikä tuholaismyrkkyjä tarvita käytännössä lainkaan. Pesutarpeen poistuminen parantaa vesitehokkuutta entisestään, koska sisätiloissa ei ole saastunutta maaperää tai tuholaismyrkkyjä. 

Perinteisesti kasvihuoneet ja vesiviljelmät ovat tarjonneet ratkaisuja moniin maatalouden ongelmiin, mutta kaupungistumisen myötä, kaupunkialueiden hinnan noustessa ja saatavuuden vähentyessä, ruokien kuljetushaasteisiin vastaaminen on vaikeaa. 

Vertikaaliviljely vähentää ruoantuotannon fyysistä jalanjälkeä merkittävästi, mutta energian korkean hinnan vuoksi on olennaisen tärkeää, että vertikaaliviljelmä toimii mahdollisimman tehokkaasti ollakseen taloudellisesti kannattava. Tässä mitta-antureilla on keskeinen rooli, ja juuri siksi brittiläinen Jones Food Company (JFC) valitsi Vaisalan anturit olemassa oleviin vertikaaliviljelmiinsä. Lisäksi JFC on rakentamassa Lydneyhin valtavaa uutta viljelmää (JFC2), josta tulee todennäköisesti yksi maailman suurimmista vertikaaliviljelmistä.

Image

Asiakastarina – suuri kaupallinen vertikaaliviljelmä Isossa-Britanniassa: JFC2

JFC perustettiin vuonna 2016 tavoitteenaan hyödyntää vertikaaliviljelyn etuja ja tarjota tuoreita paikallisia satoja vuoden ympäri. Yrityksen ensimmäinen kaupallinen vertikaaliviljelmä (JFC1) aloitti tuotannon vuonna 2018, jolloin käytössä oli 5 000 neliömetriä viljelytilaa ja 150 tonnin vuosikapasiteetti. JFC2:sta tulee paljon suurempi, sillä viljelyalaa on 15 000 neliömetriä ja kapasiteetti on 1 000 tonnia vuodessa. Muun muassa seuraavat seikat korostavat yrityksen lähestymistapaa kaupalliseen kestävään kehitykseen:

1.    Mittakaava – suuret viljelmät antavat suurtuotannon edut sekä riittävän kapasiteetin suurten tilausten täyttämiseen.
2.    Teknologia – ihanteellisten kasvuolosuhteiden luomiseen ja ylläpitämiseen tarvitaan erittäin tehokkaat valvonta- ja ohjausjärjestelmät.
3.    Vanhojen tilojen uudelleenkäyttö – kalliiden ja ympäristöä kuormittavien uudisrakennusten sijaan JFC on pyrkinyt aktiivisesti hyödyntämään suuria tyhjillään olevia rakennuksia. Esimerkiksi JFC2 oli aiemmin valimo.
4.    Innovaatiot – yrityksen tutkimuslaitos kokeilee uusia lajikkeita ja erilaisia kasvuolosuhteita. Tässäkin valvonta ja ohjaus ovat olennaisen tärkeitä.

Bristolissa sijaitsevassa JFC Innovation Centressä voidaan kokeilla samanaikaisesti kymmentä eri lajiketta eri olosuhteissa. "Tämä on olennaisen tärkeää yrityksen menestyksen kannalta", Justin Au kertoo. "Kun asiakas pyytää meiltä tiettyä lajiketta, voimme toteuttaa nopeasti kokeet ja määrittää sille optimaaliset kasvuolosuhteet kaikissa kehitysvaiheissa. Valvonta- ja ohjausjärjestelmän avulla voimme muuttaa LED-valojen kirkkautta ja valospektriä, kasteluveden ravinteita sekä kasvatustilojen lämpötila-, kosteus- ja hiilidioksiditasoja".

"Kun lajikkeelle optimaaliset olosuhteet on määritetty, voimme luottavaisin mielin alkaa kasvattaa sitä suuressa mittakaavassa asiakkaan tarpeiden täyttämiseksi. Pyrimme parantamaan tehokkuutta, jotta voimme kilpailla nykyisten valmistuotteiden kanssa ja hyödyntää samalla vertikaaliviljelyn kestävän kehityksen hyödyt".

"Tällä hetkellä kasvatamme yrttejä, kuten basilikaa, tilliä, persiljaa, korianteria, minttua ja ruohosipulia, salaatteja, kuten rukolaa, kiinankaalia, pinaattia, mangoldia, lehtikaalia ja isovesikrassia, sekä muita satoja, kuten mansikkaa. Vertikaaliviljelmissä kasvatettavien lajikkeiden määrä tulee kasvamaan tulevaisuudessa".

Vettä kierrätetään jatkuvasti kaikissa JFC:n viljelmissä, ja pH-arvon sekä johtavuuden jatkuva mittaus auttaa varmistamaan kasviravinteiden säätelyn liuenneissa lannoitteissa. Vaisalan anturit mittaavat lämpötilaa, kosteutta ja hiilidioksidia, joilla kaikilla on merkittävä vaikutus kasvien kasvuun. "Valitsimme Vaisalan anturit, koska tarvitsemme pitkäaikaista tarkkuutta ja luotettavuutta. Ohjausjärjestelmä voi olla vain yhtä hyvä kuin sen anturit, joten oli järkevää valita parhaat", Justin kertoo.

Image

JFC:n ohjausjärjestelmät on suunnitellut pääinsinööri Christoph Grundmann, joka on aiemmin työskennellyt muun muassa satelliittiyhteyksien parissa BBC:llä ja Arqivalla sekä voimalaitosten ohjausjärjestelmien suunnittelun ja toteutuksen asiantuntijana. Kaikki JFC:n valvonta- ja ohjausjärjestelmät toimivat hyvin ilman merkittäviä käyttökatkoksia.

JFC Innovation Centren ohjausjärjestelmät ohjelmoi ja toteutti Luke Grundmann, joka oli erityisen vaikuttunut Vaisalan insinöörien tarjoamasta nopeasta ja ennakoivasta tuesta, jonka avulla modbus RTU -anturit saatiin yhdistettyä ja konfiguroitua käyttämällä tavallista USB–RS-485-muunninta ja freeware-ohjelmistoa. "Ohjelmoinnista vastaava asiantuntija ei ollut vielä saapunut, mutta silti Vaisalan insinööri opasti minut taitavasti prosessin läpi niillä resursseilla, mitä minulla oli", Luke kertoo.

Cristoph pitää Vaisalan antureita standardina johtuen hänen aiemmasta kokemuksestaan niiden käyttämisestä viljankuivatuksen ohjausjärjestelmässä. Cristoph kertoo: "Me JFC:llä pyrimme tuottamaan satoja mahdollisimman kustannustehokkaasti, mutta ei olisi taloudellisesti järkevää ostaa halpoja antureita, sillä niiden vikaantumisen hinta olisi korkea. Vaisalan anturien luotettavuuden ansiosta omistuskustannukset ovat alhaiset."

"Oli myös tärkeää, että anturit tukevat MODBUS-tietoliikennettä, sillä se säästi huomattavasti aikaa ja rahaa asennuksessa, ja lisäksi tulevat muutokset on helppo ja nopea toteuttaa".

JFC:n tiloissa lämpötilaa ja kosteutta ohjataan erillisellä ilmanvaihtojärjestelmällä, mistä Christoph toteaa seuraavaa: "JFC1:n ilmanvaihtojärjestelmässä oli omat anturit, joten ne oli korvattava Vaisalan antureilla. JFC2:ssa käytämme Vaisalan antureita ilmanvaihtojärjestelmän mittausten tarkistukseen ja validointiin, ja sitten voimme tehdä tarvittaessa muutoksia".

Image

JFC2:n ensimmäinen sato on valmistumassa kesällä 2023, ja koska kerroksia on 15, tuottavuus on 15 kertaa tavallista viljelmää parempi. Uuden rakennuksen katto on peitetty kokonaan aurinkopaneeleilla, ja energia saadaan täysin uusiutuvista lähteistä. Sadevesi kerätään talteen ja suodatetaan, ja lähes 95 prosenttia vedestä kierrätetään.

Parhaan tuottavuuden varmistamiseksi JFC2:n kasvuolosuhteita valvotaan Vaisalan anturiverkostolla, jossa on 46 kosteus- ja lämpötila-anturia, 12 hiilidioksidianturia, 10 lämpötila-, kosteus- ja hiilidioksidianturia, kaksi ilmanpaineanturia sekä Vaisala WXT 530 -sarjan moniparametrinen sääasema.

Vaisalan Antti Viitanen toteaa valvontajärjestelmästä seuraavaa: "Anturien tarkkuus ja luotettavuus on olennaisen tärkeää kasvuolosuhteiden tarpeen mukaan ohjatun hallinnan tehokkuuden kannalta, sillä tarkat mittaukset auttavat saamaan parhaan sadon, vähentämään jätettä ja pitämään kustannukset alhaalla".

Yhteenveto

Vertikaaliviljelyn edut perinteisiin menetelmiin verrattuna liittyvät lähes kaikki kestävään kehitykseen. Maaperää ja biodiversiteettiä ei häiritä, kasvihuonekaasupäästöt ovat merkittävästi pienemmät ja vesitehokkuus on huomattavasti parempi ilman tarpeetonta kokonaishaihduntaa, ehtymistä tai liuotusta. Tila käytetään tehokkaasti, mikä mahdollistaa toiminnan kaupunkiympäristössä ja lyhyemmät kuljetusmatkat. Tärkeintä on kuitenkin se, että tuoretuotteita on saatavilla vuoden ympäri säästä riippumatta. Ruoantuotannon nousevien kustannusten vuoksi uusien vertikaaliviljelmien menestys riippuu niiden kyvystä valvoa ja ohjata toimintaa tehokkaasti, ja siksi anturien laatu on niin tärkeää.

Tulevaisuudessa Christoph aikoo parantaa JFC:n kestävän kehityksen toimia uusilla hankkeilla, kuten hyödyntämällä mädätyksessä muodostuvaa hiilidioksidia ja käyttämällä kompostoitavaa kasvuainetta, joka voidaan mädättää. Hän on myös arvioimassa Vaisalan anturien laskettua kastepistelähtöä määrittääkseen, olisiko se älykkäämpi tapa ohjata ilmanvaihtojärjestelmiä. Lisäksi hän tutkii Vaisalan asiantuntijoiden avulla entalpiamittauksia sisä- ja ulkotiloissa tehokkaimman ilmanvaihtokierron (raittiin ilman suhde) määrittämiseksi.