Indoor Vertical Farming – Ein innovatives System für die Pflanzenproduktion der Zukunft

Weltweit nimmt die pro Kopf verfügbare Agrarfläche aufgrund der steigenden Weltbevölkerung und ungünstiger Klima- und Witterungsbedingungen oder einer schlechten Bodenqualität beständig ab. Eine Möglichkeit die Pflanzen vor ungünstigen Witterungsbedingungen zu schützen, ist die Nutzung von Folientunneln oder Gewächshäusern. Je nach technischer Ausstattung ermöglichen hochmoderne Gewächshäuser eine von den Witterungsbedingungen zunehmend unabhängige Produktion. Dennoch unterliegt das Klima und die Kulturführung auch in einem High-Tech Gewächshaus weiterhin dem Einfluss von Sonneneinstrahlung, Tageslänge oder der Temperatur. Indoor Vertical Farming ist die konsequente Weiterentwicklung der Produktion im Gewächshaus als vollständig von den äußeren Bedingungen unabhängige Pflanzenproduktion und mit vielen Vorteilen gegenüber bisherigen Systemen (Abbildung 1).

Das Indoor Vertical Farming spezialisiert sich auf die Produktion von Pflanzen in mehrlagigen, vertikal angeordneten Kultursystemen in einer geschlossenen Gebäudestruktur (Container, Lagerhallen, etc.). Die Lichtenergie für das Pflanzenwachstum wird über künstliche Belichtungssysteme wie LED-Module zur Verfügung gestellt. Von der Temperatur über die Luftfeuchte, Belichtungszeit und -intensität, dem Lichtspektrum bis hin zur Bewässerung kann alles gezielt eingestellt und optimiert werden. Sensoren und Kamerasysteme ermöglichen zudem das Wachstum und die pflanzliche Entwicklung in Echtzeit zu beobachten und kontinuierlich zu optimieren.

Wasser ist eine der zukünftigen Herausforderungen für die Landwirtschaft, welche derzeit 70 % des weltweiten Wasserverbrauchs benötigt. Trockenperioden aber auch Starkregenereignisse, wie sie auch in Deutschland häufiger werden, führen zu erheblichen Qualitätsverlusten und Ernteeinbußen bis hin zum Totalausfall. Außerdem kann häufige Bodenbearbeitung und Auswaschung von Nährstoffen die Qualität des Bodens und des Grundwassers erheblich beeinträchtigen und langfristig schädigen.

Die Produktion im Freiland benötigt deutlich mehr Wasser als die geschützte Produktion unter Glas. Im Gewächshaus kommen bereits seit vielen Jahren hydroponische Kulturverfahren zum Einsatz, die durch einen geschlossenen Wasserkreislauf besonders wassersparend sind. Dabei wachsen die Pflanzen nicht im Boden, sondern in unterschiedlichen organischen oder anorganischen Substraten, die als Puffer für Wasser und Nährstoffe dienen. Auch ein vollständiger Verzicht auf Substrat ist möglich, dann erfolgt die Kultur in spezifischen Haltesystemen. Zusätzlich zum Einsatz hydroponischer Kultursysteme kann in Indoor Farmen auch das von den Pflanzen über Transpiration an die Luft abgegebene Wasser über Kondensatoren zurückgewonnen und dem Wasserkreislauf erneut zugeführt werden. Hier kommt der Vorteil der geschlossenen Gebäudestruktur zum Tragen. Das Potential ist enorm – in eigenen Versuchen konnte belegt werden, dass zum Beispiel für die Produktion von 1 Kilo Pak Choi gerade einmal 1,2 Liter Wasser verbraucht wird.

Den größten Nachteil einer Indoor Farm stellt der hohe Stromverbrauch für Belichtung und Klimatisierung dar. Für einen nachhaltigen Erfolg müssen Indoor Farmen daher klimaneutral werden. Eine Versorgung aus nachhaltigen Energiequellen ist hierfür eine wichtige Voraussetzung. Positive Argumente für die Integration von Indoor Farming in Energieversorgungsnetze sind die genau kalkulierbaren und teilweise zeitlich steuerbaren Energiemengen (z.B. durch gezielte Belichtungsstrategien).

Je nach benötigter Flexibilität können zur Versorgung von Indoor Farmen sowohl kleine mit regenerativer Energie betriebene Blockheizkraftwerke, PV Anlagen oder Windkraft zum Einsatz kommen. Im Idealfall wird die Indoor Farm direkt als Teil einer umfassenderen Kreislaufwirtschaft konzipiert, die entweder im Rahmen eines landwirtschaftlichen Betriebs oder in urbane Strukturen eingegliedert wird.

Das Applied Science Center der HSWT arbeitet an innovativen Konzepten und Anwendungsfeldern für Indoor Farming Systeme. Effiziente Belichtungsstrategien zur Steigerung der Effizienz sind dabei ein wichtiges Themenfeld.