Drei Wege zur Maximierung des Potenzials einer vertikalen Farm

Von Abhay Thosar, Ph.D., Leiter der Gartenbaudienstleistungen für Fluence by OSRAM Zuvor veröffentlicht in der Februar-Ausgabe 2021 von Inside Grower. Bevölkerungswachstum und Verstädterung zwingen die weltweite Nahrungsmittelproduktion an einen Scheideweg. Insgesamt verbessert die Migration in Ballungsgebiete den Zugang zu Gesundheitsversorgung, besser bezahlten Arbeitsplätzen, Bildung und anderen sozioökonomischen Chancen. Aber sie belastet auch die bestehende Infrastruktur und die Nachfrage nach Ressourcen, was zu größerer Wasserknappheit, höherem Energieverbrauch, mehr Abfall und, was vielleicht am wichtigsten ist, zu einer Bedrohung der Lebensmittelversorgung, der Preise und der Qualität führt. Die wirtschaftlich Benachteiligten werden die ersten sein, die den Preis für die zunehmende Verstädterung zahlen müssen. Da die Preise steigen und der Zugang zu hochwertigen Nahrungsmitteln abnimmt, wird sich die Ernährungslage der armen Bevölkerung verschlechtern. In den nächsten Jahren wird die Verantwortung für die Überbrückung der Kluft zwischen dem prognostizierten Nahrungsmittelangebot und der Nachfrage in städtischen Gebieten weitgehend auf vertikale Farmen fallen, eine Industrie die sich voraussichtlich fast vervierfachen wird bis 2025 auf etwa 16 Mrd. $ steigen. Die COVID-19-Pandemie könnte diese Wachstumsrate noch weiter beschleunigen.Die Vertical-Farming-Branche hat noch einige Herausforderungen zu bewältigen. Die Produktionskosten sind nach wie vor relativ hoch, und da es sich um einen jungen Markt handelt, bedrohen Wissenslücken in Bezug auf bewährte Betriebsverfahren in kritischen Bereichen wie Anlagendesign und Umweltbedingungen die langfristige Nachhaltigkeit und Rentabilität. Die sich entwickelnde Wirtschaftsdynamik bei den Supermärkten zwingt die vertikalen Betriebe zu einer raschen Skalierung, da sie versuchen, eine größere Vielfalt an Feldfrüchten anzubauen und zu liefern und gleichzeitig die Anforderungen der Käufer an Größe, Qualität und Nährwert der Produkte zu erfüllen. Und mit Blick auf die Zukunft bedeuten neue Innovationen in den Bereichen Beleuchtungsstrategien, Anlagendesign, bewährte Anbaupraktiken und Automatisierung, dass sich die Betriebe der vertikalen Landwirtschaft ständig anpassen und nach neuen betrieblichen Vorteilen suchen müssen. Dies gilt sowohl für neue Marktteilnehmer als auch für relativ etablierte Akteure, und jeder von ihnen wird entscheidend sein, um nicht nur die Rentabilität aufrechtzuerhalten, sondern auch sicherzustellen, dass die Lebensmittelproduktion in städtischen Gebieten mit der Nachfrage wachsen kann. In diesem Sinne gibt es drei entscheidende Faktoren, die vertikale Landwirte berücksichtigen müssen, um die Markterwartungen zu erfüllen, die Effizienz zu verbessern und letztendlich größere Mengen hochwertiger Lebensmittel für mehr Menschen auf kleinerer Fläche anzubauen, zu kultivieren und zu verteilen.

Die Gestaltung von Einrichtungen in Abhängigkeit von der Marktnachfrage

Die Geschichte und das Wachstum des Marktes für vertikale Landwirtschaft werden im Wesentlichen von zwei Trends auf der Ebene der Verbraucher und Käufer bestimmt. Vor einem Jahrzehnt war es praktisch unbekannt, dass Verbraucher Fragen dazu stellten, wie, wo und wann ihre Lebensmittel angebaut wurden. Heute ist das anders. Die Menschen wollen wissen, woher die Lebensmittel stammen, die sie kaufen, und sicherstellen, dass sie frei von Chemikalien und sicher zu essen sind. Jedes Produkt ist heute mehr als nur ein Etikett, es ist zu einer Geschichte geworden, die die Verbraucher hören wollen, und die einen ebenso großen Einfluss darauf hat, wo sie einkaufen und was sie kaufen. Die Supermärkte haben das zur Kenntnis genommen. Darüber hinaus haben die Supermärkte durch die vertikale Landwirtschaft eine weitere Option zusätzlich zu den bestehenden Lieferketten, auf die sie sich bei der Lebensmittelproduktion und -verteilung verlassen haben. Vertikale Farmen spielen eine noch wichtigere Rolle bei groß angelegten Störungen wie der COVID-19-Pandemie oder massiven Rückrufaktionen. Infolgedessen wenden sich Supermärkte, die vor allem Wert auf eine kontinuierliche Versorgung mit Lebensmitteln legen, an ihre lokalen vertikalen Betriebe und in einigen Fällen sogar an direkt in sie zu investieren. Die erhöhte Aufmerksamkeit hat jedoch ihren Preis (im wörtlichen wie im übertragenen Sinne). Die Supermärkte verlangen von den vertikalen Farmen, die sie beliefern, dass sie eine größere Vielfalt an Pflanzen anbauen - Salat, Tomaten, Gurken, Blattgemüse, Mikrogrün, Kräuter - und dass sie dabei die besonderen Anforderungen an Gewicht, Ästhetik, Nährwert und eine Reihe anderer Faktoren erfüllen, die letztlich von der Umgebung der vertikalen Farm und dem Fachwissen des Erzeugers abhängen. Vertikale Landwirte stellen schnell fest, dass sie ihr Portfolio von möglicherweise einer Handvoll Kulturen auf einige Dutzend oder mehr erweitern müssen, was eine Reihe von Fragen aufwirft, wie sie ihre Anlagen konzipieren oder nachrüsten und die Umweltbedingungen anpassen können, die eine bestimmte Kultur begünstigen. Die erste Entscheidung, vor der viele vertikale Landwirte stehen, ist die Frage nach der Anbautechnik, die für ihren Betrieb am besten skalierbar und rentabel ist. Hydroponik, Aeroponik und Aquaponik haben sich mit unterschiedlichem Erfolg als praktikable Optionen erwiesen, sind aber keineswegs austauschbar. Letztendlich gibt es keine Universallösung für jede vertikale Farm. Die Anbauer sollten sich genau überlegen, welche Erwartungen ihre Kunden haben und wie sich diese Erwartungen im Laufe der Zeit ändern könnten. Dann müssen die Anbauer das gesamte Spektrum der Bedürfnisse ihrer Pflanzen bewerten und herausfinden, wie jede einzelne auf verschiedene Umweltfaktoren und Beleuchtungsstrategien reagieren könnte.

Ein Gleichgewicht zwischen Umweltfaktoren herstellen

Die nächste Gruppe von Faktoren, die für die Gestaltung von Anlagen, Investitionen und den täglichen Betrieb maßgeblich sind, sollten immer die Umweltbedingungen selbst sein. Wie die Luft in und durch die einzelnen Regale einer vertikalen Farm strömt, ist eine der einzigartigsten und wichtigsten Herausforderungen, die vertikale Farmen lösen müssen. Wenn die Luftströmung nicht genau überwacht wird, ist das oft der Todesstoß für ganze Anbauflächen und damit für die Rentabilität, den Ertrag und die Beständigkeit. Die Luftbewegung trägt zur Aufrechterhaltung von Temperatur, Luftfeuchtigkeit und Transpiration in jedem Regal bei, und ein Mangel daran führt zu großen Temperaturschwankungen oder großen Lücken zwischen den Kulturen im unteren und oberen Bereich. Das ist ein unglaublich heikles Gleichgewicht, das es zu finden gilt. Alles, von der Anzahl der Zugänge zu einem Lager - es sollte nur einen Zugang geben - bis hin zu HLK- und Zirkulationssystemen, beeinflusst die Luftbewegung. Am besten ist es, wenn der maximale Temperaturunterschied zwischen dem obersten und dem untersten Regal nicht mehr als zwei Grad Celsius beträgt. In der Praxis können Anbauer, die mit großen Temperaturschwankungen konfrontiert sind, auch in Erwägung ziehen, Pflanzen, die relativ wärmere Temperaturen bevorzugen - wie Basilikum, Oregano, Schnittlauch, Salbei oder Thymian - ganz oben zu platzieren und einfach die Gesetze der Thermodynamik den Rest erledigen zu lassen. Die Anreicherung mit Kohlendioxid ist etwas einfacher zu handhaben, aber nicht weniger wichtig und ändert sich je nach Temperatur und Beleuchtungsstrategie. Auch die CO2-Anreicherung kann je nach der Anzahl der Zugänge zu einem Lager schwanken (auch hier sollte es nur einen geben). Die Anreicherung einer Kulturumgebung mit Kohlendioxid stimuliert die Photosynthese und das Pflanzenwachstum, dessen Geschwindigkeit entscheidend von der Differenz zwischen der CO2-Konzentration in der Luft und in den Blattzellen abhängt. Das Gesetz des abnehmenden Ertrags setzt der Menge an Kohlendioxid, die die Züchter einbringen sollten, eine Grenze. CO2 ist keineswegs der einzige Faktor, der das Pflanzenwachstum bestimmt, aber vertikale Farmen haben den Vorteil, dass sie den CO2-Gehalt genau überwachen und steuern können. Um dies richtig zu tun, sollten sie jedoch nicht vor erheblichen Investitionen zurückschrecken, sowohl in Handgeräte - mit denen die Anbauer den Kohlendioxidgehalt an jedem Regal, jeder Pflanze und jedem Blatt messen können - als auch in groß angelegte Kontrollsysteme, die den CO2-Gehalt im gesamten Lager messen und verfolgen können. Die Luftfeuchtigkeit bestimmt die Transpirationsrate einer Pflanze und die Größe der Spaltöffnungen, was sich letztlich darauf auswirkt, wie viel Wasser sie aus ihrer Wurzelzone in das Lagerhaus abgibt. Wenn sich die Spaltöffnungen einer Pflanze öffnen, geben sie Wasser ab und nehmen gleichzeitig Kohlendioxid auf, was das Gleichgewicht von Luftfeuchtigkeit, Temperatur und Kohlendioxid umso wichtiger macht. Verschiedene Pflanzenarten in verschiedenen Wachstumsstadien haben unterschiedliche Transpirationsraten, was die Gestaltung und Verwaltung einer vertikalen Farm noch komplexer macht. Die gängigste Art, die Luftfeuchtigkeit auszudrücken, ist die relative Luftfeuchtigkeit, also der prozentuale Anteil des Wasserdampfs in der Luft bei einer bestimmten Temperatur im Vergleich zur Gesamtwassermenge, die die Luft bei dieser Temperatur aufnehmen kann. In der vertikalen Landwirtschaft ist jedoch das Dampfdruckdefizit (Vapor Pressure Defense, VPD) die genauere Methode, um die Auswirkungen der Feuchtigkeit auf das Pflanzenwachstum zu messen. Das Dampfdruckdefizit ist nach wie vor eine interessante Diskussion unter Forschern, da die Branche versucht, die Unterschiede zwischen den Dampfdruckdefiziten von Luft und Blättern sowie die genauen Berechnungen des Dampfdruckdefizits zu verstehen. Jeder Umweltfaktor in einer vertikalen Farm beeinflusst die anderen bis zu einem gewissen Grad. Fast alles kann kontrolliert werden; das ist sowohl der Vorteil als auch die Herausforderung, die der Markt mit sich bringt. Kein Faktor ist jedoch für die Photosynthese wichtiger als ihr wichtigster Treiber: das Licht. Jeder Faktor - CO2, Temperatur, Luftstrom, Feuchtigkeit, Dünger, Bewässerung, VPD - muss mit Änderungen der Lichtmenge und -qualität fein abgestimmt werden, um die Leistung und Reaktion der Pflanzen zu optimieren.

Planung einer wirksamen Beleuchtungsstrategie

Die Planung und Umsetzung einer effektiven Beleuchtungsstrategie ist und bleibt der wichtigste Faktor für den Erfolg Ihrer vertikalen Farm. In so komplexen Umgebungen wie vertikalen Farmen bestimmt die Ermittlung der richtigen Lichtintensität, des Spektrums, der Photoperiode und der Konfiguration, wie andere Umgebungsfaktoren zusammenwirken, um den Ertrag und die Qualität einer Anlage zu optimieren. Der erste dieser Faktoren, die Beleuchtung selbst, ist für vertikale Farmen von größerer Bedeutung als für andere Anbauräume, denn in einer vertikalen Farm erhalten die Pflanzen keine andere Lichtquelle. Die Sonne ist nicht der Schutzschild, der sie für Gewächshäuser ist. Diese einfache und offensichtliche Tatsache bedeutet, dass vertikale Landwirte auf eine Art und Weise Effizienzgewinne erzielen müssen, wie es andere nicht tun, was sich in einer Vielzahl von Betriebskennzahlen niederschlagen kann. Die Lichtausbeute zum Beispiel wird immer wichtiger. Die meisten vertikalen Farmen befinden sich in städtischen Gebieten und zahlen wahrscheinlich einen hohen Preis für Strom. Die Maximierung der Mikromol pro Watt und die Verringerung der Energieverschwendung sind nicht nur eine Nachhaltigkeitsinitiative, sondern entscheidend für die Gesamtrentabilität. Ebenso benötigen vertikale Farmen, die Lagerhallen mit einer Fläche von mehreren zehntausend Quadratmetern betreiben, Leuchten mit einem guten Formfaktor, ohne dabei an Lichtintensität einzubüßen. Die richtige Konfiguration bedeutet, dass vertikale Farmen mehr Regale in ihren Einrichtungen unterbringen können und gleichzeitig die Beleuchtung näher an den Pflanzen platzieren können, um bessere Ergebnisse zu erzielen.Über die Hardwarespezifikationen hinaus bestehen Beleuchtungsdesign und -strategie aus mehreren Schlüsselfaktoren: Lichtintensität, Lichtqualität (oder Spektren) und Lichtschienenkonfiguration. Jeder dieser Faktoren sollte sich an den übergeordneten Zielen der Anlage orientieren, die in der Regel vom Verbraucher oder Käufer definiert werden. Beleuchtungsstrategien können je nach Kulturpflanze angepasst werden, um bestimmte Pflanzenchemien oder Veränderungen in der Biomasse zu erzielen. Unterschiede in den Spektren und der Lichtintensität können die Färbung, die Haltbarkeit, den Geschmack und den Geruch der Pflanzen beeinflussen. Die gewünschten Pflanzeneigenschaften sollten im Vorfeld gemeinsam mit dem potenziellen Käufer festgelegt werden, damit der Lichtplaner die optimale Strategie zur Erreichung der Ziele einer Anlage ermitteln kann. Die Lichtmenge ist der erste und wichtigste Aspekt, wenn es um die Optimierung der Produktivität der Ernte geht. Es ist wichtig, für jede Kultur die richtige Menge an Mol/Tag zu erreichen. Die Lichtqualität (oder das Spektrum) wird durch die Messung der Wellenlänge des Lichts in Nanometern (nm) definiert. Die Wellenlängen des Lichts, das die Photosynthese antreibt, liegen hauptsächlich zwischen 400 und 700 nm - ein Bereich, der als photosynthetisch aktive Strahlung (PAR) bezeichnet wird. In der vertikalen Landwirtschaft hat sich breites, weißes Licht für die Gewebekultur, die Vermehrung und das vegetative Wachstum als effektiv erwiesen, wobei es auch die praktischere Funktion hat, dem menschlichen Auge die Diagnose und Beobachtung der Pflanzen Tag für Tag zu erleichtern. Mit der Ausweitung der Forschung zu LED-Anwendungen ist klar geworden, dass die Beleuchtungsstrategien je nach Wachstumsstadium angepasst werden müssen. Die Zeiten, in denen Pflanzen mit der gleichen Intensität und den gleichen Spektren bombardiert wurden, sind bald vorbei. Immer mehr Untersuchungen zeigen, dass verschiedene Sorten in unterschiedlichen Reifestadien auf unterschiedliche Beleuchtungsstrategien reagieren. Differenziertere, maßgeschneiderte Beleuchtungsstrategien führen zunehmend zu greifbaren Geschäftsergebnissen für die Anbauer: längere Haltbarkeit, verbesserte Ästhetik, höherer Nährwert, kürzere Zykluszeiten und höhere Ernteerträge. LED-Verbesserungen werden weiterhin zu Kostensenkungen führen, während eine gründlichere Forschung neue Beleuchtungsstrategien und bewährte Betriebsverfahren entdecken und bestätigen wird, die den vertikalen Landwirten helfen, die künftige Marktnachfrage nach einer höheren Lebensmittelproduktion zu erfüllen und gleichzeitig die Rentabilität zu verbessern. Insgesamt ist die Zukunft für vertikale Farmen vielversprechend und reif für noch mehr Innovationen. Die Automatisierung - die letzte Grenze der Lebensmittelproduktion - wird eine noch größere Kontrolle über die landwirtschaftliche Umgebung bedeuten. Diese Zukunft ist absehbar. Im Moment müssen sich die vertikalen Betriebe jedoch auf das beschränken, was sie kontrollieren können, und das ist so ziemlich alles andere.

Über Abhay

Abhay Thosar ist der Direktor der Gartenbaudienste bei Fluence von OSRAMDort ist er für die Leitung eines Teams von Gartenbauspezialisten verantwortlich, die die Anbaumethoden der Landwirte verbessern, ihre Beleuchtungsstrategien optimieren und die Rentabilität ihrer Betriebe steigern. Er hat einen Doktortitel in Pflanzenphysiologie von der Gujarat Agricultural University und war mehr als ein Jahrzehnt in führenden Gewächshäusern und Baumschulen in den USA tätig.