La tecnologia sarà fondamentale per il successo delle fattorie verticali

L'agricoltura verticale è sempre più considerata una delle soluzioni ai problemi che affliggono i sistemi di produzione alimentare globali e nel seguente articolo Antti Viitanen di Vaisala spiega perché la tecnologia di misurazione e controllo sarà fondamentale per il successo di questo settore in rapida crescita.

Le sfide della sostenibilità in agricoltura

L'agricoltura all'aperto (pascoli e terreni coltivati) occupa circa la metà della terra abitabile del pianeta e le cosiddette pratiche agricole moderne hanno consentito la produzione di maggiori volumi di cibo a prezzi relativamente bassi. Secondo la Banca mondiale, lo sviluppo agricolo è uno degli strumenti più potenti per porre fine alla povertà estrema, aumentare la prosperità condivisa e sfamare oltre 9,7 miliardi di persone entro il 2050. Tuttavia, è stato stimato che circa 768 milioni di persone soffrissero la fame nel 2021. Inoltre, l'agricoltura, la silvicoltura e il cambiamento di destinazione d'uso del suolo sono responsabili di circa il 25% delle emissioni di gas serra che causano il riscaldamento globale e l'agricoltura utilizza circa il 70% delle riserve di acqua dolce. Queste sfide sono ovviamente aggravate dal cambiamento climatico. 

Negli ultimi decenni la crescita della produzione agricola è stata pagato a caro prezzo; causando danni insostenibili all'ambiente e alla biodiversità. L'allevamento intensivo di bestiame provoca livelli più elevati di inquinamento e aumenta il rischio di proliferazione di malattie, mentre aree sempre più vaste di campi monocolturali hanno ridotto la biodiversità e sono spesso trattate con fertilizzanti e prodotti agrochimici che infliggono ulteriori danni all'ambiente. Sono in aumento anche le preoccupazioni per gli effetti dell'agricoltura sulla salute del suolo, con effetti dannosi quali erosione, inquinamento (nutrienti e pesticidi), compattazione, desertificazione e salinizzazione.

L'agricoltura all'aperto deve operare secondo le stagioni, il che significa che la maggior parte dei raccolti è disponibile solo una volta all'anno. Con la richiesta di cibo globale 24 ore su 24, 7 giorni su 7, ogni giorno dell'anno, vi è una forte richiesta di stoccaggio e trasporto transcontinentale, che aumenta enormemente l'impronta di carbonio delle colture.

L'agricoltura è estremamente sensibile agli effetti del cambiamento climatico: temperature più elevate, siccità, inondazioni e condizioni meteorologiche estreme comportano rischi maggiori per gli agricoltori. Il settore alimentare e delle bevande sta quindi cercando di ridurre il rischio climatico nelle proprie catene di approvvigionamento. Ciò include l'analisi delle emissioni di carbonio dei prodotti, la creazione di un requisito per ridurre i "chilometri alimentari" e incoraggiare il consumo di alimenti di provenienza locale. Anche la diminuzione delle risorse idriche sta determinando la necessità di valutare l'impronta idrica, sempre nell'ottica di ridurre il rischio climatico nelle catene di fornitura. Allo stesso tempo, più della metà della popolazione mondiale ora vive nelle città e l'urbanizzazione continua a crescere.

Agricoltura verticale

Portare la produzione agricola all'interno risolve molte delle sfide precedentemente descritte. Ad esempio, le colture possono godere di condizioni di crescita ideali, in qualsiasi stagione, ed essere protette dalle variazioni meteorologiche. L'acqua può essere riciclata e i pesticidi sono quasi del tutto superflui. Senza contaminazione del suolo o dei pesticidi, l'efficienza idrica è ulteriormente migliorata dall'assenza di necessità di lavaggio. 

Tradizionalmente, le serre e le colture idroponiche hanno offerto soluzioni a molti problemi agricoli, ma con l'urbanizzazione, il costo elevato e la scarsa disponibilità di terreni nelle aree urbane, è difficile risolvere la sfida dei cibi non a chilometro zero. 

L'agricoltura verticale riduce drasticamente l'impronta fisica della produzione alimentare, ma dato l'elevato costo dell'energia, è di vitale importanza per la sostenibilità finanziaria dell'agricoltura verticale operare nel modo più efficiente possibile. Per questo motivo, i sensori svolgono un ruolo fondamentale, ed è per questo che i sensori Vaisala sono stati impiegati nel Regno Unito dalla Jones Food Company (JFC) nelle proprie fattorie verticali esistenti e nella nuova enorme struttura di Lydney (JFC2), che probabilmente diventare una delle più grandi fattorie verticali del mondo.

Image

Caso di studio - Grande fattoria verticale commerciale nel Regno Unito: JFC2

JFC è stata fondata nel 2016 per sfruttare i vantaggi dell'agricoltura verticale e fornire prodotti locali freschi tutto l'anno. La prima fattoria verticale commerciale dell'azienda (JFC1) ha iniziato la produzione nel 2018 con 5.000 m2 di spazio in coltivazione e la capacità di produrre 150 tonnellate all'anno di prodotti freschi. JFC2 sarà molto più grande, con un'area di coltivazione di 15.000 m2 e una capacità di produzione di 1000 tonnellate all'anno. Gli aspetti chiave dell'approccio dell'azienda alla base della sostenibilità commerciale includono:

1.    Scala: le grandi strutture offrono un'economia di scala e la capacità di soddisfare ordini di grandi dimensioni.
2.   Tecnologia: per creare e mantenere condizioni di coltivazione ideali, è necessario implementare sistemi di monitoraggio e controllo altamente efficaci.
3.   Strutture riadattate: anziché sostenere gli elevati costi ambientali e finanziari di una nuova costruzione, JFC ha cercato attivamente grandi edifici in disuso. JFC2, ad esempio, era in precedenza una fonderia.
4.   Innovazione: è stata creata una struttura di ricerca per sperimentare nuove colture e diverse condizioni di coltivazione. Anche in questo caso, il monitoraggio e il controllo accurati sono fondamentali.

L'Innovation Centre di JFC a Bristol ha la capacità di testare contemporaneamente dieci diverse colture in condizioni diverse " Questo è di fondamentale importanza per il successo dell'azienda", spiega Justin Au. "Quando un cliente si rivolge a noi alla ricerca di una coltura specifica, siamo in grado di condurre rapidamente prove per determinare le condizioni di coltivazione ottimali per tale coltura e in ogni fase del suo sviluppo. Il sistema di monitoraggio e controllo ci consente di modificare sia l'intensità e lo spettro della luce dei LED, sia i nutrienti presenti nell'acqua di irrigazione, sia la temperatura, l'umidità e i livelli di anidride carbonica nelle camere di coltivazione."

"Una volta stabilite le condizioni ottimali per una specifica coltura, possiamo essere certi che saremo in grado di coltivarla su larga scala e di soddisfare le esigenze del cliente. Il nostro obiettivo è quello di aumentare l'efficienza, in modo da poter competere con gli attuali prodotti a scaffale, ma con i sostanziali vantaggi in termini di sostenibilità offerti dall'agricoltura verticale.".

"Attualmente coltiviamo erbe aromatiche come basilico, aneto, prezzemolo, coriandolo, menta ed erba cipollina, insalate come lattuga, rucola, pak choi, spinaci, bietole, cavolo e crescione, oltre ad altre colture come le fragole. Inevitabilmente, la gamma di colture che possiamo coltivare commercialmente con l'agricoltura verticale continuerà ad espandersi."

L'acqua viene costantemente riciclata in tutti gli impianti JFC, con misurazioni continue del pH e della conduttività che contribuiscono a garantire la regolazione dei nutrienti per le piante con i fertilizzanti disciolti. I sensori Vaisala misurano la temperatura, l'umidità e l'anidride carbonica, tutti fattori che hanno un impatto significativo sulla crescita delle piante. "Abbiamo scelto i sensori Vaisala perché abbiamo bisogno di precisione e affidabilità a lungo termine e il sistema di controllo può essere valido solo quando i sensori lo sono, pertanto conviene utilizzare i migliori." spiega Justin.

Image

I sistemi di controllo di JFC sono stati progettati dal responsabile dell'ingegneria, Christoph Grundmann, che in passato ha lavorato nel settore delle comunicazioni satellitari con la BBC e Arqiva e nella progettazione e implementazione di sistemi di controllo per centrali elettriche. I sistemi di monitoraggio e controllo di tutte le strutture di JFC funzionano molto bene, senza tempi di inattività significativi.

I sistemi di controllo dell'Innovation Centre di JFC sono stati programmati e messi in funzione da Luke Grundmann, che è rimasto particolarmente colpito dal supporto tempestivo e proattivo fornito dagli ingegneri Vaisala per collegare e configurare i sensori modbus RTU utilizzando un convertitore generico da USB a RS485 e un software freeware. "Il cavo di programmazione speciale non era ancora arrivato, ma nonostante ciò il tecnico Vaisala mi ha guidato abilmente attraverso il processo utilizzando ciò che avevo a disposizione." spiega Luke.

Christoph utilizza i sensori Vaisala come standard, dopo averli utilizzati in precedenza in un sistema di controllo per l'essiccazione dei cereali. Afferma: "In JFC cerchiamo di produrre colture nel modo più economico possibile, ma sarebbe un'economia insensata acquistare sensori a basso costo, perché il costo di un guasto sarebbe elevato, mentre l'affidabilità dei sensori Vaisala significa che il costo di proprietà è basso".

"Era anche importante che i sensori avessero la capacità di comunicazione MODBUS, il che ha consentito di risparmiare una notevole quantità di tempo e denaro durante l'installazione, e significa che qualsiasi modifica futura sarà rapida e semplice da implementare."

La temperatura e l'umidità nelle strutture del JFC sono controllate da un sistema HVAC separato, ma Christoph afferma: "L'HVAC del JFC1 era dotato di sensori propri, che abbiamo sostituito con quelli di Vaisala. Al JFC2 utilizzeremo i sensori Vaisala per controllare e convalidare le misurazioni effettuate dal sistema HVAC e intervenire se necessario."

Image

Il primo raccolto di JFC2 è previsto per l'estate del 2023 e, con 15 strati, ogni ettaro diventa 15 volte più produttivo. Il tetto della nuova struttura è interamente ricoperto di pannelli solari e il 100% dell'energia proverrà da fonti rinnovabili. L'acqua piovana sarà raccolta e filtrata e quasi il 95% dell'acqua sarà riciclata.

Per massimizzare l'efficienza delle condizioni di coltivazione in JFC2, l'intera struttura sarà monitorata da una rete di sensori Vaisala, tra cui: 46 sensori RH/Temp, 12 sensori CO2; 10 sensori Temp/RH/CO2, 2 sensori di pressione atmosferica e una stazione meteorologica multiparametrica Vaisala serie WXT 530.

Commentando il sistema di monitoraggio, Antti Viitanen di Vaisala afferma: "L'accuratezza e l'affidabilità di questi sensori saranno cruciali per l'efficienza della gestione continua e controllata dalla domanda delle condizioni di coltivazione delle piante, poiché misurazioni accurate aiutano a massimizzare la produzione del raccolto, evitando gli sprechi e riducendo al minimo i costi."

Riepilogo

I principali vantaggi dell'agricoltura verticale rispetto ai metodi tradizionali riguardano quasi tutti la sostenibilità. Il suolo e la biodiversità non subiscono danni, le emissioni di gas serra sono notevolmente inferiori, l'efficienza idrica è decisamente migliorata, senza inutili evapotraspirazioni, esaurimento dei pozzi o lisciviazione. Lo spazio viene utilizzato in modo efficiente per adattarsi all'ambiente urbano, laddove necessario, e per ridurre i chilometri percorsi dagli alimenti. È importante notare che i prodotti freschi possono essere disponibili in qualsiasi giorno dell'anno, indipendentemente dalle condizioni climatiche o dalla stagione. Tuttavia, l'aumento dei costi di produzione degli alimenti fa sì che il successo delle nuove aziende agricole verticali dipenda dalla loro capacità di monitorare e controllare efficacemente gli input: ecco perché la qualità dei sensori è così importante.

In prospettiva, Christoph intende migliorare ulteriormente le credenziali di sostenibilità di JFC con iniziative quali l'utilizzo di CO2 dalla digestione anaerobica e l'impiego di substrati di coltivazione compostabili che possano essere sottoposti a digestione anaerobica. Sta anche valutando l'output del punto di rugiada calcolato dei sensori Vaisala per determinare se questo possa essere un modo più intelligente per controllare i sistemi HVAC. Inoltre, con l'aiuto degli esperti Vaisala, sta esaminando le misurazioni dell'entalpia degli ambienti interni ed esterni per determinare il ricircolo HVAC più efficiente (rapporto di aria fresca).