Kontrola klimatu w rolnictwie wertykalnym: Optymalizacja plonów i kosztów energii

Nie da się zaprzeczyć, że w najbliższej przyszłości podejście świata do rolnictwa będzie musiało ulec znacznej zmianie.

"W tej chwili zmieniamy sposób produkcji żywności" - mówi dr William Stiles. "Metody, które stosowaliśmy do tej pory, mogą być szkodliwe dla środowiska i są coraz bardziej niepewne jeśli chodzi o system produkcji w obliczu postępujących zmian klimatycznych".

"W ciągu najbliższych kilkunastu lat wyzwania związane z utrzymaniem produkcji roślinnej będą coraz większe. Choć niekoniecznie musi to oznaczać klęski urodzaju każdego roku, może to spowodować poważny brak bezpieczeństwa żywnościowego na całej półkuli północnej."

Biorąc pod uwagę te bardzo realne perspektywy, rolnictwo pionowe - znane również jako Controlled Environment Agriculture (CEA) - stanowi przyszłość upraw. Przyszłość, w której produkcja żywności może być kontrolowana i optymalizowana bardziej niż kiedykolwiek.

W tym artykule omawiamy CEA, poruszamy temat kosztów energii i wyjaśniamy, w jaki sposób Dantherm i Vertikit tworzą rozwiązania kontroli klimatu w rolnictwie pionowym, które przeciwdziałają nadmiernym wydatkom.

Co to jest rolnictwo pionowe?

Rolnictwo pionowe lub CEA jest procesem rolniczym, w którym rośliny są uprawiane w pomieszczeniach zamkniętych i umieszczane jedna nad drugą, co pozwala na znaczną optymalizację i kontrolę warunków wzrostu, a co za tym idzie, także poprawę plonów i jakości produktów. Może być prowadzone w dowolnym miejscu, od małej szopy lub szklarni, do znacznych obiektów i magazynów.

Ze względu na zwiększone prawdopodobieństwo poważnych niepowodzeń w uprawach po 2030 r., spowodowane zmianami klimatycznymi, technologia ta będzie miała kluczowe znaczenie dla bieżącego bezpieczeństwa żywnościowego naszej planety.

"Istotą tego, dlaczego CEA jest tak ważne, jest to, że może ono przyczynić się do zapewnienia bezpieczeństwa żywnościowego" - mówi dr Stiles.

"Kiedy patrzysz na potencjał masowych klęsk głodu na całym świecie z powodu niepowodzeń w uprawach spowodowanych ekstremalną pogodą – a więc scenariusze, które są bardzo realistyczne po 2030 roku - posiadanie technologii, która pozwoli na przejście z produkcji polowej na produkcję CEA natychmiast gwarantuje, że będziemy mieli zapewnioną produkcję żywności w każdych warunkach".

Dowiedz się więcej o rolnictwie w kontrolowanym środowisku.

Zalety wewnętrznych farm wertykalnych

Poza istotnym bezpieczeństwem produkcji żywności, CEA oferuje wiele korzyści w porównaniu z tradycyjnymi metodami uprawy:

Większe zbiory i jakość plonów

Oprócz zwiększenia spójności produkcji roślinnej, rolnictwo pionowe znacznie poprawia plony i może poprawić ich ogólną jakość. W przybliżeniu, metoda ta jest od 5 do 10 razy bardziej wydajna niż tradycyjne rolnictwo.

Na przykład, na "standardowej" farmie sałaty, można przewidzieć 1-2 zbiory w roku. Na dobrze kontrolowanej farmie wertykalnej, prawdopodobnie będziesz zbierał plony co miesiąc.

Ponadto, stosunkowo kompaktowy charakter rolnictwa pionowego może umożliwić hodowcom dywersyfikację oferty z większym powodzeniem - przydatne w czasach, gdy zaledwie 5% dochodów gospodarstw pochodzi z "rolnictwa".

Kontrola wzrostu kluczowych produktów

Pionowe rolnictwo pozwala hodowcom dopasować środowisko otaczające rośliny, jakkolwiek zdecydują. Można zmusić rośliny do wzrostu w określony sposób lub produkować je w większej ilości poprzez zastosowanie określonych cech środowiskowych.

"Rośliny mają wysoki stopień plastyczności" - wyjaśnia dr Stiles. "Nie są w stanie się rozwijać, jeśli warunki nie są optymalne dla wzrostu, a więc muszą dostosować swoją fizjologię, aby dostosować się do określonych cech środowiskowych".

"Dlatego poprzez wywołanie pewnych warunków można zmusić rośliny do dostosowania ich budowy i struktury chemicznej. W wyniku tego mogą powstawać związki, które mogą być korzystne z punktu widzenia produkcji."

Dobrym przykładem są żonkile, o których wiadomo, że produkują związek zwany galantaminą; materiał stosowany w lekach na Alzheimera. Produkcja tego związku zwiększa się, gdy roślina ta jest uprawiana w środowisku górskim (zjawisko określane jako "efekt Czarnej Góry", nazwane tak ze względu na miejsce, w którym zostało po raz pierwszy zaobserwowane). Ale uprawa roślin w środowiskach górskich jest trudna.

Zamiast tego, przy użyciu technologii CEA hodowcy mogą odtworzyć dokładne warunki środowiskowe potrzebne do zmaksymalizowania produkcji tego związku, w okolicznościach, w których produkcja jest możliwa do opanowania i spójna.

Te precyzyjnie kontrolowane środowiska umożliwiają również stały rozwój pożądanych przez konsumentów produktów spożywczych, takich jak rzeżucha, lub możliwość uprawy roślin, które nie występują w niektórych krajach.

Zmniejszona degradacja gruntów

Gdy rośliny są układane w pionie w specjalnie do tego celu skonstruowanym obiekcie, wynikający z tego potencjał oszczędności jest naprawdę przełomowy:

W przypadku lokalnych rolników takie podejście może pozwolić na przeznaczenie niewielkiej szopy lub małego kontenera na każdą uprawę i przeznaczenie gruntów rolnych na inne cele, takie jak uprawa alternatywnych roślin lub dywersyfikacja gruntów.

Dlaczego kontrola klimatu jest niezbędna w rolnictwie pionowym?

Efektywna kontrola klimatu jest podstawą zwiększonych plonów i możliwości uprawy przez cały rok. Technologia ta kontroluje temperaturę, wilgotność, jakość powietrza i inne parametry, których potrzebują uprawy, aby rosnąć w optymalnym tempie i jakości.

Z odpowiednimi osuszaczami powietrza, nagrzewnicami, klimatyzerami i systemami wentylacyjnymi każdy rolnik może stworzyć "idealny letni dzień" (lub idealny zimowy dzień w zależności od uprawy!) w szopie lub kontenerze i utrzymać te warunki przez 365 dni w roku.

Jakie są optymalne warunki do uprawy roślin?

Chociaż optymalne warunki klimatyczne różnią się znacznie w zależności od rodzaju upraw, wiele roślin rozwija się w temperaturze około 25ºC i wilgotności 65% RH. Jednak optymalny klimat dla danej rośliny zmienia się na różnych etapach jej rozwoju:

Jakie są główne wyzwania związane z kontrolą klimatu w rolnictwie pionowym?

W projektach pionowego rolnictwa, które Dantherm wspierał do tej pory, jednym z najbardziej widocznych wyzwań było obciążenie cieplne. Oświetlenie LED, osuszacze i inne czynniki generują dodatkową, znaczną ilość ciepła w tych zamkniętych przestrzeniach.

Pomogliśmy dostarczyć osuszacze ze zdalnymi jednostkami skraplającymi (RCU), które jednocześnie chłodzą powietrze i zarządzają wilgotnością. W większych obiektach CEA nasze efektywne systemy wentylacyjne zapewniają kompleksową kontrolę temperatury, wilgotności i jakości powietrza.

Doradzaliśmy również w zakresie rozwiązań mających na celu kontrolę deficytu ciśnienia pary wodnej (VPD). Jest to czynnik napędzający transpirację przez aparaty szparkowe rośliny, na który duży wpływ ma wilgotność otoczenia. Większość roślin rozwija się w warunkach VPD pomiędzy 0,4 a 1,6 - przy niższej lub wyższej wartości roślina może stracić zdolność do fotosyntezy.

Współpracując ściśle z rolnikami rozpoczynającymi pracę z CEA, pomogliśmy wprowadzić odpowiednie, energooszczędne rozwiązania w zakresie osuszania, które zapewniają utrzymanie poziomu VPD w idealnym zakresie.

Koszty energii w rolnictwie pionowym

Pomimo niesamowitych możliwości, jakie daje rolnictwo wertykalne, zapotrzebowanie na energię do tej pory nie pozwoliło mu stać się nowym standardem dla rolników.

"Problem z CEA polega na tym, że jest ona bardzo energochłonna, a energia jest droga - zwłaszcza w obecnym kontekście" - wyjaśnia dr Stiles.

"W porównaniu z konwencjonalnymi systemami produkcji rolnej jest to droga metoda, co w konsekwencji oznacza, że uprawiane produkty muszą mieć wystarczająco wysoką cenę lub być produkowane w wystarczająco większych ilościach, aby zrekompensować wyższe koszty."

Rolnictwo wertykalne zostało w dużej mierze ograniczone do produkcji towarów o wysokiej wartości, takich jak mikrogranulki, które osiągają wysokie ceny na rynkach rolnych.

Na tym wczesnym etapie rozwoju CEA, trudno jest zapewnić ekonomiczną uprawę zbóż i innych upraw ze względu na jej zapotrzebowanie na energię. Jednak wraz z rosnącym zapotrzebowaniem na pionowe rolnictwo, jest to problem, który musi zostać rozwiązany w najbliższej przyszłości.

"CEA ma duże szanse stać się głównym nurtem ze względu na wyzwania, przed którymi stoimy" - mówi dr Stiles. "Obecnie rozwiązanie to otrzymuje wiele krytyki, ponieważ ludzie nie potrafią sobie zwizualizować, jak to może kiedykolwiek stać się opłacalne- ale kiedy stoisz w obliczu powszechnych niedoborów żywności, koszt energii może nie być już głównym czynnikiem rządzącym".

Zmniejszenie kosztów energii dla upraw wewnętrznych

W przypadku rolników chcących zdywersyfikować działalność poprzez rolnictwo pionowe: co można zrobić już teraz, aby zmniejszyć koszty energii?

Po pierwsze, zalecamy wdrożenie CEA na małą skalę, w przeciwieństwie do stawiania pierwszych kroków od razu z dużym obiektem. Pozwoli to na zrozumienie wyzwań związanych z uprawą danej rośliny i stopniową implementację niezbędnych do tego celu technologii.

Od tego momentu, staje się to kwestią zrównoważenia parametrów kontrolnych z kosztami energii. Pomyśl o tym jak o krzywej dzwonowej - po jednej stronie jest 100% całkowita kontrola nad warunkami, ale duży rachunek za energię. Po drugiej stronie znajduje się bardziej podstawowa konfiguracja, ale z mniejszym zapotrzebowaniem na energię.

Twoje idealne rozwiązanie będzie znajdowało się gdzieś pomiędzy tymi dwoma punktami. Będziesz musiał poświęcić trochę parametrów kontrolnych i skoncentrować zużycie energii na najważniejszych zmiennych - temperaturze, wilgotności, oświetleniu, wodzie, składnikach odżywczych itp.

Jest to bardziej efektywne, gdy rozumie się, jakie rośliny się uprawia i co zamierza się osiągnąć. Niezależnie od tego, czy chodzi o maksymalne plony, wytworzenie określonego produktu, czy też uprawę roślin o określonym kolorze lub kształcie, możesz dowolnie skonfigurować swój system kontroli klimatu dostosowany do tych celów.

Wreszcie, aby zmniejszyć koszty energii w rolnictwie pionowym, rozsądnie jest zainwestować w energooszczędną technologię.

Żarówki LED oszczędzają energię, wpływając na długość fali świetlnej na rośliny. Technologia odzysku ciepła pozwala na oszczędne wykorzystanie energii. Osuszacze i centrale wentylacyjne z automatyczną regulacją utrzymują optymalne warunki i ograniczają wydatki na energię.

Rozpocznij uprawę w środowisku kontrolowanym z Dantherm i Vertikit

W firmie Dantherm zdajemy sobie sprawę z tego, jak ważne dla naszej długoterminowej przyszłości jest rolnictwo pionowe. Dlatego zainwestowaliśmy w opracowanie rozwiązań, które pomagają zminimalizować koszty ponoszone przez rolników chcących założyć takie obiekty - cel ten podzielają nasi partnerzy z firmy Vertikit.

"Dużo rozmawiałem z hodowcami, którzy chcieli wejść w przestrzeń CEA, ale nie byli w stanie tego zrobić ze względów finansowych" - wyjaśnia dr Stiles. "Koszt wstępnie zbudowanego pionowego kontenera rolniczego wynosi około 100 000 funtów (116 000 euro), co jest inwestycją zaporową dla wielu istniejących przedsiębiorstw zajmujących się produkcją żywności".

"Vertikit pracuje nad pozyskaniem technologii, która mogłaby stworzyć te kontrolowane środowiska w sposób bardziej ekonomiczny. Szukaliśmy takich urządzeń jak osuszacze, co doprowadziło nas do Dantherm Group."

Nasza oferta rozwiązań w zakresie kontroli klimatu w rolnictwie wertykalnym, począwszy od wydajnych osuszaczy dla początkujących obiektów typu CEA, po wydajne systemy wentylacyjne dla większych obiektów, pozwala nam pomóc hodowcom w stworzeniu idealnej konfiguracji na każdym etapie ich rozwoju w kierunku rolnictwa wertykalnego.

Warto podkreślić, że Dantherm jest kimś więcej niż tylko producentem produktów - jest dostawcą rozwiązań. Dzięki dziesięcioleciom doświadczeń w zakresie kontroli klimatu, opracowujemy dopasowane, energooszczędne systemy, które spełnią Twoje potrzeby. A dzięki współpracy z dr Stiles’em i zespołem Vertikit, możemy skierować naszych klientów do idealnego konsultanta, który opracuje kompletną, wydajną instalację CEA.

"Wierzymy, że jest to technologia, która jest absolutnie niezbędna dla naszej przyszłości" - mówi dr Stiles. "Naszym głównym celem jest doprowadzenie do tego, aby ten przemysł aktywnie działał i był komercyjnie opłacalny, abyśmy dywersyfikowali się wystarczająco szybko w celu uniknięcia najgorszych scenariuszy związanych z utratą bezpieczeństwa żywnościowego".

"Mieliśmy ogromną pomoc i wsparcie ze strony firmy Dantherm. Otworzyły się dla nas nowe ścieżki wspierające nasz rozwój, które nie byłyby możliwe w innym przypadku."

Jeśli jesteś zainteresowany zbadaniem potencjału rolnictwa pionowego lub naszą szerszą gamą rozwiązań w zakresie kontroli klimatu w rolnictwie, skontaktuj się z naszym zespołem już dziś, korzystając z poniższego formularza.

Dr William Stiles jest wykładowcą na Uniwersytecie Aberystwyth w ramach BioInnowacji Walii. Prowadzi centrum wymiany wiedzy w IBERS dla Farming Connect i Biomass Connect, a także jest dyrektorem Vertikit.