Produktqualität und Ressourceneffizienz bei der Pflanzenproduktion in Indoor-Farming-Systemen

Hintergrund

Die Produktion von Pflanzen in reinen Kunstlichtsystemen gewinnt im Zusammenhang mit verschiedenen Anwendungen in Bereichen des Indoor-Farming in der öffentlichen Diskussion und in der gärtnerischen Praxis zunehmend an Bedeutung. Ausgewählte Anwendungsfelder wie beispielsweise die Jungpflanzenanzucht, die Produktion von pflanzlichen Rohstoffen für Phytopharmaka oder Spezialkulturen sind insbesondere für die Praxis von großem Interesse. Die Klimaführung sowie vor allem die Lichtintensität und -qualität kann bei Produktion in einem Kunstlichtsystem kontinuierlich an den aktuellen physiologischen Bedarf angepasst werden. Geschlossene Kultursysteme ermöglichen daher auf der einen Seite eine sehr gezielte Beeinflussung des Pflanzenwachstums und auf der anderen Seite eine detaillierte Analyse der Stoffströme und der pflanzlichen Reaktion auf veränderte Klimabedingungen.

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Erste Anbauversuche mit Kopfsalat im Regalsystem unter Kunstlicht
Kopfsalat zu Versuchsende kurz vor der Ernte und Auswertung

Wissenschaftliche Erkenntnisse zur Ressourceneffizienz sowie zu Stoff- und Energieströmen liegen im Bereich der Indoor-Produktion bisher nicht vor, da erst der Durchbruch der LED Technologie eine gezielte Beeinflussung der Lichtqualität und deren Einsatz in Kunstlichtsystemen ermöglichte. Trotz der Nutzung von energiesparenden LEDs und einer guten Isolierung der Kultursysteme ist der Energieeinsatz gegenüber der Produktion im Gewächshaus oder im Freiland der kritischste Faktor für entsprechende Anbausysteme (Darko et al. 2015). Dennoch wird die Ressourceneffizienz unter anderem aufgrund eines reduzierten Wassereinsatzes und des Verzichts auf Pflanzenschutzmittel auch als wesentlicher Vorteil der lndoor-Produktion genannt (Kozai 2013 a, Kozai et al. 2006). Eine umfassende Analyse der Einsatzmöglichkeiten und -grenzen von geschlossenen lndoor-Farming-Konzepten sowie eine praktische Bewertung dieser wäre eine wichtige Voraussetzung, um Anwendungsgebiete und Handlungsfelder in diesem innovativen Segment für den Gartenbau zu erschließen.

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Bestückung der Stellagen eines Pflanzenanbaucontainers
Bestückung der Stellagen eines Pflanzenanbaucontainers mit Primeln

Bisherige Expertisen zum Thema an der HSWT

Im Rahmen einer vom TFZ geförderten Studie „Stoffliche Nutzung von Kulturpflanzen für die chemische Industrie“ hat die HSWT gemeinsam mit der LfL und weiteren Projektpartnern Potentiale für einen regionalen Anbau von Arznei- und Gewürzpflanzen analysiert [s. Weblink]. Seitens der HSWT wurden hierbei auch Potentiale der Indoor-Produktion bewertet. Im vom Bayerischen Staatsministerium für Ernährung Landwirtschaft und Forsten geförderten Projekt „Energieeinsparung und Effizienzsteigerung in der gärtnerischen Produktion durch LED-Belichtungssysteme“ [s. Weblink], fanden umfassende Versuche zur gezielten Nutzung von Licht zur Optimierung von Produktionsverfahren und Qualitätsparametern statt. Hierbei konnten zahlreiche Erkenntnisse zum Einfluss der verschiedenen Wellenlängen auf Wachstum, Morphologie und Frühzeitigkeit gewonnen werden. Ein der HSWT als Dauerleihgabe zur Verfügung gestellter Wachstumscontainer [s. Weblink] liefert optimale Voraussetzungen für das Projekt und den Wissenstransfer in die Praxis. Ein weiteres Projekt, "Process simulation based on plant response" (Prosibor) in Zusammenarbeit mit der HU Berlin und der Firma RAM beschäftigt sich mit der Entwicklung eines sensorbasierten intelligenten Gewächshaus-Managementsystems. Für den Vergleich von Indoor-Farming Systemen mit der Gewächshausproduktion ergeben sich aus diesem Projekt ideale Synergien [s. Weblink].

Zielsetzung des Projekts

Übergeordnete Projektziele sind die Bewertung der Einsatzmöglichkeiten und -grenzen sowie die Optimierung von Indoor-Farming-Konzepten. Wichtige Aspekte hierbei sind die Pflanzenauswahl, detaillierte Ermittlung von Stoff- und Energiestrombilanzen sowie der Vergleich der Bilanzen mit Anbauverfahren im Gewächshaus.

Durch den Einsatz moderner Mess- und Sensortechnologie sollen die Verbrauchsdaten sowie die Bewertung der Wachstumseffizienz zu einem großen Teil online erfasst werden. Aufbauend auf den Messdaten und Kenngrößen werden neue Klima- und Kulturführungsstrategien erarbeitet. Ebenso dienen die Messdaten zur Erstellung von Ressourcen- und Stoffstrombilanzen, die mit Methoden aus dem Bereich der Umweltbilanzierung bewertet werden. Die Entwicklung von Modellen zur automatisierten Erstellung von Stoff- und Energiestrombilanzen ist ein weiterer Aspekt, um eine kontinuierliche Optimierung der Kulturführung zu erreichen.

Aus den übergeordneten Projektzielen leiten sich verschiedene Teilziele ab:

- Analyse und Auswahl von Pflanzen, die für einen Anbau in reinen Kunstlichtsystemen von Interesse sein können. Besonderer Fokus liegt dabei auf dem möglichen Mehrwert, den ein Anbau in Kunstlichtsystemen gegenüber dem Anbau unter Glas bieten kann. Der Mehrwert kann in der Erhöhung gewünschter Inhaltstoffe, der ganzjährigen Produktion von beispielsweise Blüten oder Früchten, einer Produktion ohne den Einsatz von Pflanzenschutzmitteln oder weiteren Kriterien begründet sein.

- Entwicklung und Optimierung von Konzepten und Kulturverfahren zur Pflanzenproduktion in Kunstlichträumen unter Berücksichtigung der Ressourceneffizienz (Wassereffizienz, Energieeffizienz, Wachstumseffizienz, etc.)

- Erstellung von Input-/Outputbilanzen aller Stoff- und Energieströme sowie Ermittlung von Abfallmengen. Entwicklung von Kriterien zur Nachhaltigkeitsbewertung von Indoor-Anbausystemen.