WelcoDie wachsende Weltbevölkerung, Urbanisierung und die damit einhergehenden
Herausforderungen in der Nahrungsmittelversorgung erfordern innovative
Lösungen, um die Ernährungssicherheit nachhaltig zu gewährleisten. Eine
vielversprechende Antwort auf diese Herausforderungen bietet das Konzept der
vertikalen Farmen. Dabei handelt es sich um mehrstöckige Anbausysteme, die in
kontrollierten, oft urbanen Umgebungen betrieben werden und eine effiziente
Nutzung von Raum, Wasser und Energie ermöglichen. Vertikale Farmen bieten
nicht nur die Möglichkeit, den Flächenverbrauch erheblich zu reduzieren, sondern
auch die Transportwege von Lebensmitteln zu minimieren, indem die Produktion
näher an die Konsument*innen rückt. Gleichzeitig eröffnen sie Chancen, den
Einsatz von Pestiziden zu verringern und den Wasserverbrauch im Vergleich zur
traditionellen Landwirtschaft drastisch zu senken. Trotz dieser Vorteile stehen
vertikale Farmen auch vor Herausforderungen, etwa im Hinblick auf hohe
Anfangsinvestitionen, Energiebedarf und technische Komplexität.
In diesem Beitrag möchte ich meine Faszination für diese innovative
Anbaumethode aus Sicht einer Nicht-Technikerin teilen, ihre Chancen und
Grenzen in diesem kleinen Format aufzeichnen und zu der Diskussion anregen,
welche Rolle vertikale Farmen in der Zukunft unserer Ernährung spielen können.
Was ist vertikale Landwirtschaft?
Vertikale Landwirtschaft ist keine Erfindung von heute. Bereits rund 600 Jahre vor
Christus entstanden die berühmten Hängenden Gärten von Babylon – eine Anlage
aus mehreren bepflanzten Terrassen, auf denen verschiedene Blumen- und
Baumarten wuchsen. Mithilfe von Kettenpumpen wurde Wasser aus dem Fluss
Euphrat bis in eine Höhe bis etwa 20 Metern transportiert, um die Gärten zu
bewässern. Auch indigene Völker von Südamerika wussten ihr Land mit Hilfe des
Etagenanbaus effizient zu nutzen.
Das moderne Konzept der vertikalen Landwirtschaft stammt von dem USamerikanischen
Mikrobiologe und Universitätsprofessor Dickson Despommier, der
1999 erste Pläne für diese Art des Urban Farming entwickelte. Heutige vertikale
Farmen funktionieren meist als geschlossene, hochkontrollierte Systeme, in denen
Pflanzen unter optimalen Bedingungen gezüchtet werden können, drunter auch
Pflanzen, die in bestimmten geografischen Regionen normalerweise nicht
gedeihen können.
Innerhalb der vertikalen Landwirtschaft gibt es unterschiedliche Methoden und
Technologien, die je nach Pflanzenart und Standort variieren. Die Pflanzen werden
in einem geschlossenen System wie etwa einer Halle, Container oder
Gewächshaus kultiviert. Ganz spektakulär sind dabei die Hochhäuser, die als
vertikale Farmen dienen. Die Temperatur, Luftfeuchtigkeit und -zufuhr und
Bewässerung werden reguliert, um Hochwertige Produkte zu erzeugen.
Hinsichtlich des Aufbaus unterscheidet man drei Arten von vertikalen Farmen: die
Aquaponik, Aeroponik und Hydroponik.
Die Aquaponik verbindet den Anbau der Pflanzen mit Fisch- oder Garnelenzucht.
Sie besteht aus mehr oder weniger geschlossenes Systems, und besteht aus
einem Teich und der Anbaufläche. Die nährstoffreichen Abfälle, die von den
Fischen produziert werden, werden mit Hilfe einer Pumpe zu den Wurzeln der
Pflanzen transportiert. Dort wird das Wasser durch die Pflanzen gefiltert und
gesäubert und gelangt schließlich wieder in den Teich. Obwohl effizient, wird diese
Art der vertikalen Landwirtschaft weniger kultiviert als als andere Formen.
Eine weitere Anbaumethode ist die Hydroponik. Pflanzen werden hier ohne der
Erde angebaut. Stattdessen wird die nährstoffreiche Wasserlösung verwendet, die
die wichtigen Mineralien direkt an die Wurzeln der Pflanzen liefern. Auch hier wird
das Wasser recycled, was einen geringen Verbrauch ermöglicht:
In der Aeroponik wachsen die Pflanzen in der Luft-/Nebel-Umgebung. Die Nährstofflösung wird mit
einer Pumpe in einem Nebel feiner Tröpfchen zerstäubt. Die Wurzel der Pflanzen werden mit einem Nebel befeuchtet und effizient durch die
Pflanzen absorbiert, dabei wird der Wasserverbrauch durch das Kreislaufsystem gemindert. Die Menge des gebrauchten Wassers kann hierzu um zu 90%
geringer sein, als in der klassischen Landwirtschaft.
Vertical Farming ermöglicht Massenproduktion in
der geschlossenen, kontrollierten Umwelt, ohne
Klimaeinfluss berücksichtigen zu müssen.
Vertikale Farmen können überall, wo Menschen
leben und arbeiten, gebaut werden. Dabei werden
auch die Anlagen betrieben, die die Elemente der traditionellen mit den Konzepten
der vertikalen Landwirtschaft verbinden. Dazu gehören zum Beispiel Plantagen,
bei denen die Pflanzen auf den Dächern kultiviert werde. Diese verwenden das
natürliche Sonnenlicht, was Produktionskosten erspart.
Globale Krisen.
Angesichts der wachsenden globalen
Herausforderungen eröffnet die vertikale
Landwirtschaft vielversprechende Perspektiven.
Sie ermöglicht einen nachhaltigen und
ressourcenschonenden Anbau von Lebensmitteln.
Darüber hinaus trägt sie zur Dezentralisierung,
Digitalisierung und Dekarbonisierung des
Lebensmittelsystems bei. Durch den Anbau in
mehreren Ebenen kann die Ernte pro
Quadratmeter um ein Vielfaches – bis zu 200 Mal
mehr als in der konventionellen Produktion –
steigern. Der Anbau erfolgt lokal, direkt in der
Nähe der Verbraucherinnen und Verbraucher.
Zudem ist eine ganzjährige Ernte möglich,
unabhängig von wechselhaften
Wetterbedingungen, der saisonalen
Schwankungen und vom anthropogenen
Klimawandel.
Die Abhängigkeit von Importländern im Bezug auf landwirtschaftliche Güter von
den Exportländern ist immens. So kommen 30% der Getreide auf dem Weltmarkt
aus Russland. Ebenso ist der Anteil der Ukraine an den Weltexporten der
Getreide, Rapsöl und Dünger groß. Die neusten Entwicklungen, wie der Ukraine-
Krieg haben gezeigt, dass Krisen horrende Folgen haben und Kettenreaktionen
auslösen, wodurch die Sicherheit der Nahrungsmittel gefährdet werden kann. Dies
betrifft vor allem die Gebiete, in denen es nicht produziert werden kann, weil es
keine dafür geeigneten Böden gibt, vor allem in den afrikanischen Ländern. Dort
stellt das meiste Problem das Fehlen der Infrastruktur und Technologien. Der
vergleichsweise niedrige Entwicklungsfaktor der erneuerbaren Energien stellt
einen großen Problem dar. Auch der Zugang zum fließenden Wasser ist nicht
immer selbstverständlich und das Wasser oft verseucht. In manchen Regionen ist
der Bildungsstand niedrig, demzufolge haben manche Menschen Vorbehalte, die
Produkte der vertikalen Landwirtschaft zu verzehren. Manche Indoor Farmen
dürfen darüber hinaus nicht gebaut werden, wenn sie gegen Building Codes
verstoßen.
Nicht alle Arten der Pflanzen können
allerdiengs in den Vertikalen Farmen
angebaut werden. Zu den Pflanzen, die
sich gut zum Anbau eignen, zählen eher
kleinwüchsige Pflanzen, wie Blattgemüse
und pflegeleichte Pflanzen.
Früchtgemüsearten (Tomaten, Chilli,
Paprika oder Gurken) benötigen mehr
Wasser und sind dadurch etwa schwerer
im Anbau. Kohlgemüse, wie Pac Choi, können durchaus kultiviert werden, sowie
Mikrogemüse wie Blattkohl, Radieschen, Brokkoli oder Minze und Kräuter. Beeren
wie Erdbeeren, Blaubeeren, Heidelbeeren können auch in der Hydroponik, sowie
Pilze, Fische und Meeresfrüchte, gezüchtet werden. Besonders interessant ist
dies für die Kosmetik- und Gesundheitsbranche, in der es an hochqualitativen
Produkten wie etwa bestimmte Blumen- und Pflanzensorten, wie Aloe Vera, CBD,
Baldrian oder Calendulla, Bedarf besteht. Auch Gastronomie un Hotellerie zeigen
ein großes Interesse an den Produkten der Vertikalen Landwirtschaft. Doch hier
gibt es einen Hacken: Die Pflanzen können nur in den bestimmten Kombinationen
angebaut werden, der einst gewählte Design lässt sich schwer umfunktionieren
und und die Kosten sind groß.
Marktentwicklung.
„Forbes“ klassifiziert Vertical Farming als eine der 20 Technologien mit dem
größten Potential, die Welt in den kommenden Jahrzehnt zu verändern.
Besonders in den Städten kann es dazu beitragen, die Produktion der
Lebensmittel nachhaltig in Zukunft zu gestalten. Es ermöglicht ein schnelleres
und nachhaltiges Wachstum ausgewählter Produkte in den optimierten
Wachstumsbedingungen. Forscher machen darauf aufmerksam, dass die
Produkte aus den vertikalen Farmen gesunder als die der klassischen
Landwirtschaft sind, der Slogan: „Bezahle den Bauer, nicht den Arzt“ wird lauter.
Der globale Markt für vertikale Landwirtschaft wächst. Im Jahr 2020 betrug er
betrug er 5,5 Mld US-Dollar. Es wird erwartet, dass er in den nächsten Jahren um
24% wächst. Der größte Betreiber sind USA, jedoch auch in Europa konnte ein
starkes Wachstum in den letzten Jahren verzeichnet werden, dabei sind
Niederlande ein Pionierland. Bildungseinrichtungen leisten Recherchearbeit und
interessieren sich für die Entwicklung der Techniken. Auch Großbritannien zeigt
Interesse an die Produkte im urbanen Raum. Zu den Kunden zählen der
Lebensmittelhandel, die Gastronomie und Hotellerie, Kosmetik- und
Pharmabranche. Manche Lebensmittelhändler, wie etwa Aldi, stellen vertikale
Farmen bereits in ihren Geschäften.
Besonders interessant ist Vertical Farming für die Entwicklungsländer, wie etwa
Indien, wo die städtischen Gebiete stark wachsen. Den Schätzungen zufolge, wird
Indien in Zukunft kein Land der Dörfer mehr, sondern der Städte und Metropolen
sein. Aus diesem Grund wird an der Kostenoptimierung des Vertical Farming stark
gearbeitet, der im indischen Szenario immer noch kostspielig ist. Trotz der
Vorteilen werden in Indien wenige vertikale Farmen gebaut, hauptsächlich wegen
den hohen Bau- und Unterahltungskosten. Um die vertikale Farmen zu
stabilisieren, muss die öffentliche Interesse geweckt werden. Laut Experten kann
die Massenproduktion die Situation in Zukunft verbessern und helfen, die Kosten
zu reduzieren, dafür ist aber Zusammenarbeit von Politik, Wirtschaft und Ökologie
notwendig.
Technologien.
Die Entwicklung der Technologien, die in den
vertikalen Landwirtschaft eingesetzt werden, ist
eine Gegenstand der Forschung welweit.
Vertikale Farmen verwenden die modernen
Ansätze wie Robotik, Sensorik, künstliche
Intelligenz und digitale Bildverarbeitung. KI
ermittelt die Parameter der Luftfeuchtigkeit, die
Temperatur wird automatisch angepasst. Der
Ressourcenverbrauch, Qualität, Erträge und
Umweltfaktoren können nachhaltig beeinflusst
werden. Die Methode der Produktion der
Nutzpflanzen ist als CEA (controlled
Enviroment Agriculture) bekannt. Sie beinhaltet
die Kontrolle spezifischen Umweltaspekte, die
automatisch gesteuert werden. Die Zucht erfolgt unter der ständigen Beobachtung
des Bodenzustands, Bekämpfung der Schädlinge, Organisation der Betriebsdaten
und landwirtschaftlicher Aufgaben, Verwaltung der Temperatur- und
Klimaveränderungen, der Lichtbedingungen und des Wassers. Zu Beobachtung
der Pflanzen werden Drohnen eingesetzt. Zusätzlich verwenden die virtuelle
Farmen technisch Neuerungen wie Big Data, Predictive Analytics, Sensorik und
Robotik, sowie IoT.
Technische Herausforderungen in vertikalen Farmen.
Eine große Hürde in der Landwirtschaft, sowohl in der vertikalen, als klassischen
Form, ist die Wasserversorgung. Um eine nachhaltige Wassernutzung zu
erreichen, muss das Wasser kontinuierlich wiederverwendet sein, in einem
geschlossenen Kreislauf. Das Wasser ändert dabei ständig seinen Zustand vom
reinen ins unreine. Das unreine Wasser wird gesäubert und wiederverwendet.
Dadurch wird dem Nutzer eine sichere Wasserversorgung geboten, ein großer
Vorteil dabei stellt keine Notwendigkeit der Abwasserversorgung dar.
Um das System in vertikalen Farmen zu steuern werden die mathematischen
Modelle des Wasserflusses erstellt. Diese implizieren die Daten darüber, wo das
Frische Wasser gebraucht wird und wo das Wasserabfall generiert wird. Das
System wird mithilfe der Sensoren beobachtet und Berechnungen von der dafür
verwendeten Software, wie SIOM, durchgeführt. Das System wird von Sensoren
überwacht.
Ein weiterer, für das Gedeihen der Pflanzen wichtiger Faktor sind die
Lichtbedingungen. Es wird eine maximale Beleuchtungsdauer von 14 Stunden
empfohlen, um einen Tag-Nacht-Wechsel zu simulieren. Auch die Wellenlänge des
Lichtes ist entscheidend: Pflanzen absorbieren das blaue und rote Licht, das
wichtig für die Photosynthese ist und reflektieren grünes und gelbes, das für die
Morphogenesis notwendig ist. In den vertikalen Farmen werden die individuellen
Module des LEDs in die individuelle Wachstumsphase der Pflanzen integriert,
abhängig vom Setup, damit jede Pflanze die Optimale Menge des Lichtes
bekommt.
Eine weitere Hürde stellt die Energieversorgung. Da die vertikale Farmen viel
Energie verbrauchen, ist die Effizienz der Energieversorgung enorm wichtig.
Häufige Energiequelle sind dabei die Photovolteikanlagen, die auf dem Dach
platziert werden können. Auch Windräder werden eingesetzt: sind von Tag und
Nacht unabhängig und kostengünstiger als alle anderen Energiequellen.
Außerdem entsteht in den vertikalen Farmen eine Mengen von Bio-Gas, das als
Treibstoff verwendet werden kann.
Dadurch, dass vertikale Farmen geschlossene Systeme sind, sind sie besser
geschützt vor den Schädlingen als die Freiluftanlagen. Das erlaubt den geringen
oder keinen Einsatz von Pestiziden. Um die Pflanzen zu beobachten, werden
hierzu auch die Kameras installiert oder Sensoren, die unangenehme Gerüche als
Signal für die mögliche Infektion aufspüren können. Die so entstandenen Daten
werden in der Cloud gespeichert und können von den Experten interpretiert
werden. KI lernt von diesen Prozessen und wird eingesetzt, um die Gesundheit
der Pflanzen besser zu beobachten, es können Insekten, die für die Pflanzen
unschädlich sind, eingesiedelt werden.
Das alles erfolgt unter einer mehr oder weniger vollständigen Automatisierung.
Parameter, die gelesen und automatisiert verwendet werden sind Temperatur,
CO2-Gehalt, Luftfeuchtigkeit, Luftdruck und -zirkulation, Gehalt der Nährstoffe,
Energiekonsum und Lichverhältnisse. Vertikale Farmen können gar nicht, teils
oder vollautomatisiert werden. Auf der Ebene 0 werden die Vorgänge
ausschließlich durch Menschen durchgeführt, im Rahmen der manuellen Arbeit
und Treffen der Entscheidungen. Die elektronische Systeme spielen eine
unterstützende Rolle. Auf der letzten Stufe werden alle Vorgänge durch die
Maschinen durchgeführt, einschließlich Analyse der Märkte im Bezug auf das
Angebot und Nachfrage sowie Lieferung.
CO2-Abdruck
Der CO2-Abdruck der virtualen Farmen ist aufgrund des hohen Energieverbrauch
hoch. Im Vertical Farming wird zwar kein Diesel verwendet, das in der klassischen
Landwirtschaft den CO2-Abdruck erhöht, aber der enorme Energieverbrauch, wie
etwa durch LED-Beleuchtung, sorgt dafür, dass der CO2-Abdrück bei den
vertikalen Farmen höher, als in der traditionellen Landwirtschaft, ist. Den Experten
zufolge können die vertikale Farmen nicht arbeiten, ohne CO2 auszustoßen.
Natürlich wird ein Teil des CO2 durch die Photosynthese absorbiert, wobei die
Pflanzen Glukose und Sauerstoff produzieren. Die Effizienz liegt hier aber
lediglich bei 2%.
Die Höhe des CO2-Abdrucks ist unterschiedlich, je nach Land. Schon Frankreich
hat einen niedrigeren Abdruck als Deutschland, da Frankreich, das Kernkraft stark
nutzt, CO2-armen Strom (dabei muss es mit anderweitigen Risken rechnen, die mit
der Kernenergie verbunden sind) produziert.
Nach den Berechnungen braucht 100 kg Salat rund 18 kWh. Deutschland
verursachte im Jahr 2022 434 g CO2/kWh, Frankreich ca. 73g/kWh. Der deutsche
Vertical Farming Salat würde somit 7,81 kg CO2 verursachen, der französische
dagegen 1,31 kg. Diese Mengen beziehen sich auf den CO2-Anteil, der nur für
den Stromverbrauch durch die LED-Beleuchtung verantwortlich ist. Nicht
berücksichtigt sind noch die Punkte wie Kühlung, Logistik und Lagerung. Mit
steigenden CO2-Preisen steigen auch die Kosten für Kunden und Konsumenten,
die beim Vertical Farming schon ohnehin groß sind.
Quelle: https://petr-kirpeit.de/vertical-farming-co2-zertifikate/
Vorteile und Nachteile der Vertikalen Farmen und der Vergleich mit der
klassischen Landwirtschaft.
Eine Stärke der vertikalen Landwirtschaft ist die
Planbarkeit und Kontrollierbarkeit der
Umweltfaktoren und ihr geringer
Wasserverbrauch. Die weiteren Vorteile ist die
Gesundheit der Pflanze: den Studien zufolge sind
die Produkte der vertikalen Landwirtschaft
gesunder und reicher an Nährstoffe als die
Erzeugnisse der klassischen Landwirtschaft.
Allerdings sind sie anfällig auf das Erscheinen der
unwillkommenen Substanzen, wie etwa Nitrate,
auch Bakterien und Viren können sich auf
Pflanzen vermehren. Um die Kontamination zu
vermeiden, ist das Tragen der Schutzkleidung und
Einhalten der Hygienevorschriften durch das
Personal unausweichlich. Auch die
Nährstofflösung muss regelmäßig auf
Mikroorganismen geprüft
berücksichtigt sind noch die Punkte wie Kühlung, Logistik und Lagerung. Mit
steigenden CO2-Preisen steigen auch die Kosten für Kunden und Konsumenten,
die beim Vertical Farming schon ohnehin groß sind.
Quelle: https://petr-kirpeit.de/vertical-farming-co2-zertifikate/
Vorteile und Nachteile der Vertikalen Farmen und der Vergleich mit der
klassischen Landwirtschaft.
Eine Stärke der vertikalen Landwirtschaft ist die
Planbarkeit und Kontrollierbarkeit der
Umweltfaktoren und ihr geringer
Wasserverbrauch. Die weiteren Vorteile ist die
Gesundheit der Pflanze: den Studien zufolge sind
die Produkte der vertikalen Landwirtschaft
gesunder und reicher an Nährstoffe als die
Erzeugnisse der klassischen Landwirtschaft.
Allerdings sind sie anfällig auf das Erscheinen der
unwillkommenen Substanzen, wie etwa Nitrate,
auch Bakterien und Viren können sich auf
Pflanzen vermehren. Um die Kontamination zu
vermeiden, ist das Tragen der Schutzkleidung und
Einhalten der Hygienevorschriften durch das
Personal unausweichlich. Auch die
Nährstofflösung muss regelmäßig auf
Mikroorganismen geprüft und ausgetauscht werden. Viele Konzerne, die vertikale
Landwirtschaft betreiben, verbinden sie mit der Konzession für die klassische
Landwirtschaft.
Darüber hinaus beanspruchen die vertikalen Farmen weniger Gebiet, als die
klassische Landwirtschaft, bei relativ geringen Lieferwegen. Auch die Lebensdauer
der Pflanzen aus vertikalen Farmen ist länger und der Verlust der Ware geringer.
Da in den vertikalen Farmen keine Schädlinge vorkommen, ist es nicht mehr
notwendig, Pestizide zu verwenden, wodurch das Waschen der Produkte nicht
mehr notwendig ist. Vertikale Farmen verbrauchen dabei bis zu 75% weniger
Dünger.
Der große Nachteil der vertikalen Farmen ist allerdings ihr großer CO2-Abdruck.
Zwar ist der Anteil der erneuerbaren Energien größer, erfordert aber das Gebäude
und künstliche Beleuchtung den Einsatz der zusätzlichen Ressourcen und die
Vorabinverstition ist kostspielig. Es fallen hohe Betriebskosten und die
Technologien sind noch nicht ausgereift.
Sowohl der Bau, als auch betrieb benötigen hohe Kosten. Besonders bei den
hohen Gebäuden sind die Konstruktionskosten groß. Oft hängt die
Energieversorgung von lokalen Lichtverhältnissen und es müssen die Arbeitskräfte
ausgebildet werden.
Darüber hinaus ist der Anzahl der Pflanzen, die angebaut werden können,
begrenzt. Der hohe Energieverbrauch ist ebenso auffällig, je nach dem
verfügbaren Energiemix oder unabhängigen erneuerbaren Energiequellen.
Um eine wirklich nachhaltige Lebensmittelproduktion mit einer vertikalen Farm zu
gewährleisten, muss der Einfluss des Ressourcenverbrauchs und der
Umweltauswirkungen reduziert werden. Für diese Aspekte gibt es keine
universelle Lösung, jede vertikale Farm muss ihrer Umgebung angepasst werden.
Pflanzen haben unterschiedliche Umweltbedürfnisse und es ist sehr schwierig,
dass Design einer bestehenden Vertical Farm zu ändern. Auch wenn es machbar
ist, zieht es enorme Kosten mit sich. Auch manche natürlichen Prozesse, wie die
Kreuzung der Pollen künstlich herzustellen, ist kostspielig und braucht
Arbeitskräfte.
Fazit:
Vertikale Farmen sind weder heute noch in Zukunft in der Lage, die klassische
Landwirtschaft vollständig zu ersetzen. Vielmehr stellen sie eine sinnvolle
Ergänzung dar, um die Nahrungsmittelproduktion zukunftsfähig zu erweitern.
Durch ein Umdenken in der Agrarwirtschaft können vertikale Anbaumethoden
helfen, bestehende Strukturen zu verändern und die Effizienz in der
Lebensmittelproduktion deutlich zu steigern. Vertikale Landwirtschaft ist also kein
unrealistisches Konzept – aber auch kein Selbstläufer. Die Systeme müssen
wirtschaftlich tragfähig und zugleich umweltfreundlich gestaltet sein. Besonders in
Regionen, in denen konventionelle Anbaumethoden nicht funktionieren, bieten
vertikale Farmen eine praktikable Lösung und leisten einen Beitrag zur
Unabhängigkeit der lokalen Agrarproduktion. Für eine erfolgreiche Umsetzung
sind jedoch weitere Investitionen in Forschung und Entwicklung notwendig –
insbesondere in den Bereichen angewandte Wissenschaften, Ingenieurwesen und
Technologie.
Quellen:
https://petr-kirpeit.de/vertical-farming-co2-zertifikate/
