Teknik är en avgörande faktor för att lyckas med vertikala odlingar

Vertikal odling betraktas alltmer som en av lösningarna på de problem som globala livsmedelsproduktionssystem står inför, och i följande artikel förklarar Antti Viitanen från Vaisala varför mät- och reglerteknik kommer att bli nyckeln till framgång för denna snabbt växande sektor.

Hållbarhetsutmaningar i jordbruket

Utomhusjordbruk (betes- och odlingsmark) upptar ungefär hälften av jordens beboeliga mark, och så kallade moderna jordbruksmetoder har möjliggjort produktion av ökade livsmedelsvolymer till relativt låga priser. Enligt Världsbanken är jordbruksutveckling ett av de mest kraftfulla verktygen för att utrota extrem fattigdom, öka delat välstånd och förse uppskattningsvis 9,7 miljarder människor år 2050 med föda. Dock har uppskattningar gjorts om att omkring 768 miljoner människor hungrade 2021. Dessutom svarar jordbruk, skogsbruk och förändringar i markanvändningen för cirka 25 % av utsläppen av växthusgaser som driver den globala uppvärmningen, och jordbruket använder cirka 70 % av färskvattentillgångarna. Dessa utmaningar förvärras givetvis av klimatförändringarna. 

Under de senaste decennierna har tillväxten i jordbruksproduktionen haft ett högt pris genom att orsaka ohållbar skada på miljön och den biologiska mångfalden. Intensiv boskapsuppfödning orsakar högre nivåer av föroreningar och ökar risken för spridning av sjukdomar, och allt större områden med mono-odlade åkrar har minskat den biologiska mångfalden och behandlas ofta med gödningsmedel och jordbrukskemikalier som orsakar ytterligare miljöskador. Det finns också en ökande oro för jordbrukets effekter på markens hälsa, med skadliga effekter inklusive erosion, föroreningar (näringsämnen och bekämpningsmedel), packning, ökenspridning och försaltning.

Utomhusjordbruket måste bedrivas efter årstiderna, vilket innebär att de flesta grödor endast är tillgängliga vid skördetid en gång per år. Eftersom tillgång till livsmedel globalt krävs dygnet runt, året runt är efterfrågan på lagringsutrymme och transkontinentala transporter stor, vilket ökar grödors koldioxidavtryck enormt.

Jordbruket är extremt känsligt för effekterna av klimatförändringar, med högre temperaturer, torka, översvämningar och extremt väder som alla medför större risker för bönder. Livsmedels- och dryckessektorn försöker därför minska klimatrisken i sina leveranskedjor. Detta innefattar analys av produkters koldioxidavtryck, att skapa ett krav på att minska ”livsmedelsmil” och uppmuntra konsumtion av lokalt producerade livsmedel. Krympande vattenresurser driver också behovet av bedömning av vattenavtryck – återigen, i syfte att minska klimatrisken i leveranskedjorna. Samtidigt bor nu mer än hälften av världens befolkning i städer och urbaniseringen fortsätter att växa.

Vertikal odling

Att flytta jordbruksproduktion inomhus löser många av de utmaningar som beskrivs ovan. Exempelvis kan grödor förses med optimala odlingsförhållanden, oavsett årstid, samtidigt som de skyddas från variationer i vädret. Vatten kan återvinnas, och bekämpningsmedel är nästan helt onödiga. Utan jord eller bekämpningsmedelsföroreningar förbättras vatteneffektiviteten ytterligare genom avsaknaden av krav på sköljning. 

Traditionellt har växthus och hydroponik erbjudit lösningar på många jordbruksproblem, men på grund av urbanisering och den höga kostnaden och låga tillgången på mark i stadsområden är det svårt att lösa utmaningen med livsmedelsmilen. 

Vertikal odling minskar dramatiskt livsmedelsproduktionens fysiska fotavtryck, men med tanke på de höga energikostnaderna är det ytterst viktigt för den ekonomiska hållbarheten med vertikal odling att den fungerar så effektivt som möjligt. Av den anledningen spelar sensorer en avgörande roll, och därför har Vaisalas sensorer installerats i Storbritannien av Jones Food Company (JFC) i deras befintliga vertikala odlingar, och i den enorma nya anläggningen i Lydney (JFC2) som sannolikt kommer att bli en av världens största vertikala odlingar.

Image

Fallstudie – Stor kommersiell vertikal odling i Storbritannien: JFC2

JFC grundades 2016 med målet att utnyttja fördelarna med vertikal odling för att ge färska lokala produkter året runt. Företagets första kommersiella vertikala odling (JFC1) startade produktionen 2018 med 5 000 m2 odlingsyta och kapacitet att producera 150 ton färskvaror per år. JFC2 kommer att bli mycket större med en växande yta på 15 000 m2 och en växande kapacitet på 1 000 ton per år. De främsta aspekterna av företagets strategi som underbygger kommersiell hållbarhet innefattar följande:

1.    Skala – Stora anläggningar ger stordriftsfördelar tillsammans med kapacitet att tillgodose stora order.
2.   Teknologi – För att skapa och upprätthålla ideala odlingsförhållanden är det nödvändigt att införa högeffektiva övervaknings- och reglersystem.
3.   Omarbetade anläggningar – Hellre än att ta på sig de höga miljömässiga och ekonomiska kostnaderna för nybyggnation har JFC aktivt sökt efter stora byggnader som inte används. JFC2 var till exempel tidigare ett gjuteri.
4.   Innovation – En forskningsanläggning har anlagts för att pröva nya grödor och olika odlingsförhållanden. Återigen är noggrann övervakning och reglering avgörande.

JFC:s innovationscenter i Bristol har kapacitet att pröva tio olika grödor under olika förhållanden samtidigt. ”Detta är av grundläggande betydelse för företagets framgång”, förklarar Justin Au. ”När en kund vänder sig till oss och söker en specifik gröda kan vi snabbt utföra försök för att fastställa de optimala odlingsförhållandena för den grödan, och i varje skede av dess utveckling. Övervaknings- och reglersystemet gör att vi kan ändra både intensiteten och ljusspektra från LED-lamporna, såväl som näringsämnena i bevattningsvattnet samt temperatur, luftfuktighet och koldioxidnivåer i odlingsrummen.”

” När de optimala förhållandena för en specifik gröda har fastställts kan vi vara säkra på att vi kommer kunna odla den i stor skala och uppfylla kundens krav. Vår målsättning är att öka effektiviteten så att vi kan konkurrera med befintliga hyllprodukter, men med de betydande hållbarhetsfördelar som vertikal odling ger.”

”För närvarande odlar vi örter som basilika, dill, persilja, koriander, mynta och gräslök, salladssorter som sallat, ruccola, pak choi, spenat, mangold, grönkål och vattenkrasse, samt andra grödor som jordgubbar. Utbudet av grödor som vi kan odla kommersiellt med vertikal odling kommer oundvikligen att fortsätta expandera.”

Vatten återvinns ständigt på alla JFC-anläggningar med kontinuerliga mätningar av pH och konduktivitet som hjälper till att säkerställa regleringen av växtnäringsämnen med lösta gödningsmedel. Vaisala-sensorerna mäter temperatur, luftfuktighet och koldioxid: alla med betydande inverkan på växternas tillväxt. ”Vi valde Vaisala-sensorerna eftersom vi behöver långsiktig noggrannhet och tillförlitlighet, och reglersystemet kan bara vara lika bra som sensorerna, så det är vettigt att använda det bästa”, förklarar Justin.

Image

JFC:s reglersystem har konstruerats av teknikchefen Christoph Grundmann, vars tidigare erfarenhet omfattar arbete inom satellitkommunikation på BBC och Arqiva, samt konstruktion och implementering av reglersystem för kraftverk. Övervaknings- och reglersystemen på alla JFC:s anläggningar fungerar mycket bra, utan betydande driftstopp.

Reglersystemen i JFC:s Innovation Center programmerades och beställdes av Luke Grundmann, som var särskilt imponerad av den snabba och proaktiva supporten från Vaisalas ingenjörer för anslutning och konfiguration av deras modbus RTU-sensorer med en generisk USB till RS485-omvandlare och gratisprogramvara. ”Specialprogrammeringsledaren hade inte anlänt, men trots det guidade Vaisala-ingenjören mig skickligt genom processen med hjälp av det jag hade till hands”, förklarar Luke.

Christoph använder Vaisala-sensorer som standard efter tidigare erfarenhet av dem i ett reglersystem för en spannmålstork. Han säger: ”På JFC strävar vi efter att producera grödor så kostnadseffektivt som möjligt, men det skulle vara dåraktig ekonomi att köpa lågkostnadssensorer eftersom kostnaden för misslyckande skulle vara hög, och Vaisala-sensorernas tillförlitlighet innebär att ägandekostnaden är låg.”

”Det var också viktigt att sensorerna hade MODBUS-kommunikationsförmåga, vilket sparade avsevärt med tid och pengar under installationen och medför att alla framtida ändringar kommer att gå snabbt och enkelt att implementera.”

Temperatur och luftfuktighet i JFC:s anläggningar regleras av ett separat VVS-system, men Christoph säger: ”VVS-systemet i JFC1 levererades med egna sensorer, så vi har bytt ut dem mot Vaisalas. I JFC2 kommer vi att använda Vaisala-sensorerna för att kontrollera och validera de mätningar som görs av VVS-systemet, och ingripa vid behov.”

Image

Den första skörden för JFC2 kommer sommaren 2023, och med 15 lager blir varje hektar 15 gånger mer produktiv. Taket på den nya anläggningen är helt täckt med solpaneler, och 100 % av energin kommer från förnybara källor. Regnvatten kommer att samlas in och filtreras, och nästan 95 % av vattnet kommer att återvinnas.

För att maximera effektiviteten av odlingsförhållandena i JFC2 kommer hela anläggningen att övervakas av ett nätverk av Vaisala-sensorer, däribland: 46 luftfuktighets-/temperatursensorer, 12 CO2-sensorer, 10 temperatur-/luftfuktighets-/CO2-sensorer, 2 sensorer för atmosfärtryck och en Vaisala WXT 530-seriens väderstation med flera parametrar.

Som kommentar om övervakningssystemet säger Vaisalas Antti Viitanen:  ”Noggrannheten och tillförlitligheten hos dessa sensorer kommer att vara avgörande för effektiviteten av den pågående efterfrågestyrda hanteringen av växters tillväxtförhållanden, eftersom noggranna mätningar bidrar till att maximera produktionen av grödor samtidigt som man undviker spill och minimerar kostnaderna.”

Sammanfattning

Nästan alla huvudsakliga fördelar med vertikal odling jämfört med traditionella metoder är relaterade till hållbarhet. Marken och den biologisk mångfalden är oskadda, växthusgasutsläppen är avsevärt lägre, vatteneffektiviteten är dramatiskt förbättrad utan onödig evapotranspiration, borrhålsutarmning eller urlakning. Utrymmet används effektivt för att tillgodose en urban miljö där det behövs, och för att minska matmilen. En annan viktig faktor är att färskvaror är tillgängliga alla dagar på året, oavsett väder eller årstid. De eskalerande kostnaderna för livsmedelsproduktion innebär dock att framgången för nya vertikala odlingar kommer att bero på dessas förmåga att övervaka och reglera indata effektivt, vilket är anledningen till att sensorkvaliteten är så viktig.

I framtiden planerar Christoph att ytterligare förbättra JFC:s hållbarhetsegenskaper med initiativ som att använda koldioxid från anaerob nedbrytning och komposterbara odlingsmedier som kan genomgå anaerob nedbrytning. Han utvärderar också beräknade daggpunktsutdata från Vaisala-sensorerna för att fastställa om detta skulle vara ett smartare sätt att styra VVS-systemen. Dessutom tittar han med hjälp av Vaisalas experter på entalpimätningar för inre och yttre miljöer för att fastställa den mest effektiva VVS-recirkulationen (friskluftsförhållandet).