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

Gastautor Portrait

Prof. Dr. Heike Mempel

Professorin für Technik im Gartenbau und Qualitätsmanagement, Hochschule Weihenstephan-Triesdorf

Frau Prof. Dr. Mempel ist Professorin für Technik im Gartenbau und Qualitätsmanagement an der Hochschule Weihenstephan-Triesdorf. Das Forschungsgebiet von Prof. Dr. Heike Mempel fokussiert auf die Optimierung des Pflanzenbaus in Gewächshäusern und Indoor Farmen. Dabei sind wichtige Parameter die Reduzierung des Ressourcenverbrauchs und die gezielte Beeinflussung relevanter Qualitätsparameter. Zur Bewertung werden neben klassischen Bewertungskriterien des Pflanzenwachstums und der Qualität primär pflanzenphysiologische Messverfahren und nicht zerstörende NIR Messungen eingesetzt. Die Betrachtung der gesamten Supply Chain sowie Nachhaltigkeitsaspekte nehmen dabei einen wichtigen Stellenwert ein.

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01. Oktober 2020
Wesentliche Unterschiede zwischen den Kulturverfahren Gewächshaus, Freiland und Indoor Farming in Bezug auf wichtige Kenngrößen.

Grafik: HSWT

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.

Schematische Darstellung einer Indoor Farm mit relevanten Vorteilen.

Grafik: HSWT

Schon heute gilt Indoor Vertical Farming als hoch-effizient hinsichtlich des Verbrauchs von Boden, Wasser und Nährstoffen. Die Unabhängigkeit von äußeren Klimabedingungen erlaubt eine flexible Standortwahl. Vor allem für die Pflanzenproduktion unter wachstumsfeindlichen Bedingungen in Wüstenregionen, auf verunreinigten Böden oder auch auf versiegelten Flächen in Großstädten ist dies besonders interessant.

Wassersparen? – Klar!

Wasserverbrauch im Gewächshaus und in der Indoor Vertical Farm nach eigenen Versuchen an der HSWT.

Grafik: HSWT

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.

Grüne Energie für eine grüne Produktion

Grafik: HSWT

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.

Indoor Vertical Farming – die Zukunft der Landwirtschaft?

Für Produkte aus Indoor Farmen kann eine homogene Qualität und die Freiheit von Fremdstoffen jederzeit gewährleistet werden.

Prof. Dr. Heike Mempel

Indoor Farmen werden in Zukunft eine größere Rolle in der Landwirtschaft spielen und je nach Standort die Produktion von Frischware aber auch pflanzlichen Rohstoffen unterstützen. Viele der weltweit größten Indoor Farmen wie beispielsweise Spread in Japan, JFC in England und Aero Farms in den USA produzieren primär frische Gemüseprodukte, wobei vor allem verschiedene Salate und Kräuter das Sortiment bestimmen.

Einen besonderen Vorteil bietet Indoor Farming vor allem, wenn ein Mehrwert gegenüber der Produktion im Gewächshaus oder im Freiland gegeben ist. Beispielsweise wenn der Reinheitsgrad der pflanzlichen Rohstoffe von besonderer Bedeutung ist, wie das für Abnehmer aus der Pharma- oder Lebensmittelindustrie der Fall ist. Für Produkte aus Indoor Farmen kann eine homogene Qualität und die Freiheit von Fremdstoffen jederzeit gewährleistet werden. Zudem können gewünschte sekundäre Inhaltstoffe gezielt beeinflusst werden.

Durch die vielfältigen Konzepte von kleinen mobilen Indoor Farmen zur lokalen Versorgung bis hin zu großen automatisierten Produktionshallen werden Indoor Farmen in der zukünftigen Pflanzenproduktion ihre Anwendungsfelder finden.

Auch in Zukunft wird ein großer Teil unserer pflanzlichen Nahrungsmittel auf dem Feld oder im Gewächshaus wachsen. Mit Blick auf die zunehmend knapper werdenden Ressourcen, vor allem hinsichtlich Wasser und geeigneter Anbauflächen, wird Indoor Farming eine wichtige ergänzende Säule der Agrarproduktion darstellen.

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