Verticale landbouw wordt steeds meer gezien als een van de oplossingen voor de problemen van wereldwijde voedselproductiesystemen. De Jonas Food Company in het Verenigd Koninkrijk werkt met de meet- en regeltechnologie van Vaisala om hun vertical farm snel te laten groeien.
Landbouw (grasland en akkerland) neemt ongeveer de helft van het bewoonbare land van de planeet in beslag, en moderne landbouwpraktijken hebben de productie van grotere voedselvolumes tegen relatief lage prijzen mogelijk gemaakt. Volgens de Wereldbank is landbouwontwikkeling een van de krachtigste instrumenten om een einde te maken aan extreme armoede en om tegen 2050 naar verwachting 9,7 miljard mensen te voeden. Er wordt echter geschat dat in 2021 ongeveer 768 miljoen mensen honger leden. Bovendien zijn landbouw, bosbouw en veranderingen in landgebruik verantwoordelijk voor ongeveer 25% van de uitstoot van broeikasgassen die de opwarming van de aarde stimuleren, en gebruikt de landbouw ongeveer 70% van de zoetwatervoorziening. Op het gebied van klimaatverandering ligt hier dus een grote uitdaging.
Uitdagingen in de landbouwproductie
De groei van de landbouwproductie heeft de afgelopen decennia een hoge prijs betaald in de vorm van schade aan het milieu en de biodiversiteit. Intensieve veehouderij veroorzaakt vervuiling en verhoogt het risico op verspreiding van ziekten. Ook hebben steeds grotere gebieden met monocultuur een verminderde biodiversiteit, en worden deze vaak behandeld met kunstmest en landbouwchemicaliën. Er zijn ook toenemende zorgen over de effecten van de landbouw op de bodemgezondheid, met schadelijke effecten als erosie, vervuiling, woestijnvorming en verzilting.
Landbouw in de open lucht werkt volgens de seizoenen, wat betekent dat de meeste gewassen slechts één keer per jaar beschikbaar zijn tijdens de oogst. Nu wereldwijd voedsel elke dag van het jaar 24/7 nodig is, is er een grote vraag naar opslag en transcontinentaal transport, waardoor de ecologische voetafdruk van gewassen enorm toeneemt.
De landbouw is extreem gevoelig voor de effecten van klimaatverandering. Hogere temperaturen, droogte, overstromingen en extreem weer brengen allemaal grotere risico's voor boeren met zich mee. De voedingsmiddelen- en drankensector probeert daarom het klimaatrisico in zijn toeleveringsketens te verlagen. Onder meer door de ecologische voetafdruk van producten te analyseren, het aantal 'voedselkilometers' te verminderen en de consumptie van lokaal geproduceerd voedsel aan te moedigen. Door de slinkende watervoorraden is er ook behoefte aan een beoordeling van de watervoetafdruk, opnieuw om het klimaatrisico in toeleveringsketens te verminderen. Tegelijkertijd woont nu meer dan de helft van de wereldbevolking in steden en blijft de verstedelijking toenemen.
Verticale landbouw
Landbouw die binnen plaatsvindt, in plaats van in de open lucht, kan veel van de genoemde uitdagingen oplossen, volgens Antti Viitanen van Vaisala. Gewassen kunnen bijvoorbeeld worden voorzien van ideale groeiomstandigheden, ongeacht het seizoen, terwijl ze worden beschermd tegen weersveranderingen. Water kan worden gerecycled en pesticiden zijn bijna helemaal niet nodig. Omdat er geen bodem- of pesticidenverontreiniging is, wordt de waterefficiëntie verder verbeterd.
Traditioneel boden kassen en hydrocultuur oplossingen voor veel landbouwproblemen, maar door verstedelijking en de hoge kosten en lage beschikbaarheid van land in stedelijke gebieden is het moeilijk om dit te verwezenlijken. Verticale landbouw vermindert de fysieke voetafdruk van de voedselproductie drastisch, maar geeft hoge energiekosten. Daarom is het voor de financiële duurzaamheid van verticale landbouw van vitaal belang dat deze zo efficiënt mogelijk werkt. De Jones Food Company (JFC) in het Verenigd Koninkrijk zette hiervoor Vaisala-sensoren in in hun bestaande verticale boerderijen en in hun nieuwe faciliteit in Lydney, waarmee het bedrijf wil uitgroeien tot een van de grootste verticale boerderijen ter wereld.
Jonas Food Company
JFC is in 2016 opgericht om de voordelen van verticale landbouw te benutten om het hele jaar door verse lokale producten te leveren. De eerste commerciële verticale boerderij (JFC1) van het bedrijf begon met de productie in 2018 met 5.000 m2 teeltruimte en de capaciteit om 150 ton verse producten per jaar te produceren. JFC2 wordt nog groter, met een teeltareaal van 15.000 m2 met een teeltcapaciteit van 1000 ton per jaar. De belangrijkste aspecten van de aanpak van het bedrijf die ten grondslag liggen aan commerciële duurzaamheid zijn:
- Schaal – grote faciliteiten bieden schaalvoordelen en de capaciteit om aan grote bestellingen te voldoen.
- Technologie – om ideale groeiomstandigheden te creëren en te behouden, is het noodzakelijk om zeer effectieve monitoring- en controlesystemen te implementeren.
- Hergebruikte faciliteiten – in plaats van de hoge milieu- en financiële kosten van nieuwbouw op te lopen, heeft JFC actief gezocht naar grote overtollige gebouwen. JFC2 was bijvoorbeeld vroeger een gieterij.
- Innovatie – er is een onderzoeksfaciliteit opgezet om nieuwe gewassen en verschillende groeiomstandigheden te testen. Nogmaals, nauwkeurige monitoring en controle is van vitaal belang.
Groeiomstandigheden testen
Het Innovation Centre van JFC in Bristol heeft de capaciteit om gelijktijdig tien verschillende gewassen onder verschillende omstandigheden te testen. “Dit is van fundamenteel belang voor het succes van het bedrijf”, legt Justin Au uit. “Wanneer een klant ons benadert op zoek naar een specifiek gewas, zijn we in staat om snel proeven uit te voeren om de optimale groeiomstandigheden voor dat gewas en in elke ontwikkelingsfase te bepalen. Het monitoring- en controlesysteem stelt ons in staat om zowel de intensiteit en het spectrum van het licht van de LED's te veranderen als de voedingsstoffen in het irrigatiewater, en de temperatuur, vochtigheid en kooldioxidegehalte in de kweekruimtes.”
Au vervolgt: “Als de optimale omstandigheden eenmaal zijn vastgesteld voor een specifiek gewas, kunnen we erop vertrouwen dat we het op grote schaal kunnen telen en aan de eisen van de klant kunnen voldoen. Ons doel is om efficiëntie te stimuleren, zodat we kunnen concurreren met bestaande producten in het schap, maar met de substantiële duurzaamheidsvoordelen die verticale landbouw biedt.
Momenteel telen we kruiden als basilicum, dille, peterselie, koriander, munt en bieslook; salades zoals sla, rucola, paksoi, spinazie, snijbiet, boerenkool en waterkers, maar ook andere gewassen zoals aardbeien. Het is onvermijdelijk dat het aanbod aan gewassen dat we commercieel kunnen telen met vertical farming zich blijft uitbreiden.”
Vaisala-sensoren
Water wordt voortdurend gerecycled in alle JFC-faciliteiten met continue metingen van pH en geleidbaarheid die helpen om de regulering van plantenvoedingsstoffen met opgeloste meststoffen te waarborgen. De Vaisala-sensoren meten temperatuur, vochtigheid en kooldioxide, die allemaal een aanzienlijke invloed hebben op de groei van planten.
De besturingssystemen van JFC zijn ontworpen door hoofd engineering, Christoph Grundmann, die onder meer ervaring heeft met satellietcommunicatie met de BBC en Arqiva, en met het ontwerp en de implementatie van besturingssystemen voor energiecentrales. De bewakings- en controlesystemen in alle JFC-faciliteiten werken uitstekend, zonder noemenswaardige downtime.
De temperatuur en vochtigheid in de JFC-faciliteiten worden geregeld door een apart HVAC-systeem. Christoph: “De HVAC bij JFC1 had zijn eigen sensoren, dus die hebben we vervangen door die van Vaisala. Bij JFC2 zullen we de Vaisala-sensoren gebruiken om de metingen van het HVAC-systeem te controleren en te valideren, en indien nodig in te grijpen.”
De eerste oogst voor JFC2 is gepland in de zomer van 2023 en met 15 lagen wordt elke hectare 15 keer productiever. Het dak van de nieuwe faciliteit is volledig bedekt met zonnepanelen en de energie zal voor 100% uit hernieuwbare bronnen komen. Regenwater wordt opgevangen en gefilterd en bijna 95% van het water wordt gerecycled.
Om de efficiëntie van de groeiomstandigheden in JFC2 te maximaliseren, zal de hele faciliteit worden bewaakt door een netwerk van Vaisala-sensoren, waaronder: 46 RH/Temp-sensoren; 12 CO2-sensoren; 10 Temp/RH/CO2-sensoren; 2 atmosferische druksensoren en een Vaisala WXT 530 serie multiparameter weerstation.
Duurzaamheidsreferenties verbeteren
Christoph is van plan om de duurzaamheidsreferenties van JFC verder te verbeteren met initiatieven zoals het gebruik van CO2 uit anaerobe vergisting en het gebruik van composteerbare groeimedia die anaerobe vergisting kunnen ondergaan. Hij evalueert ook de berekende dauwpuntoutput van de Vaisala-sensoren om te bepalen of dit een slimmere manier is om de HVAC-systemen te regelen. Daarnaast kijkt hij met de hulp van de experts van Vaisala naar enthalpiemetingen voor binnen- en buitenomgevingen om de meest efficiënte HVAC-recirculatie (verse luchtverhouding) te bepalen.
Tekst: Antti Viitanen van Vaisala