Dynamisches Vertical Farming: Energieeinsparung, Ertragsoptimierung und intelligente Klimasteuerung
Einführung
Vertical Farming Systems (VFS) sind hochentwickelte Indoor-Farming-Anlagen, in denen Pflanzen in mehreren gestapelten Ebenen unter vollständig kontrollierten Bedingungen wachsen – meist mit 100 % künstlicher Beleuchtung.
Der Artikel „Vertical farming goes dynamic: optimizing resource use efficiency, product quality, and energy costs“ untersucht, wie eine dynamische Umweltsteuerung – also die stündliche oder sogar minütliche Anpassung von Licht, Temperatur, Luftfeuchtigkeit und CO₂ – dazu beitragen kann:
- Die Ressourceneffizienz (z. B. Wasser, Nährstoffe, Strom) zu steigern
- Erträge und Produktqualität zu verbessern (Geschmack, Nährstoffe)
- Die Energiekosten zu senken und die Wirtschaftlichkeit zu erhöhen
Im Gegensatz zu traditionellen VFS mit konstanten Klimaparametern ermöglichen dynamische Systeme eine bessere Abstimmung auf die täglichen physiologischen Rhythmen der Pflanzen und volatilen Strompreise. So konnte etwa durch eine lichtpreisabhängige Steuerung bei gleichbleibender täglicher Lichtmenge eine Kostenersparnis von bis zu 12 % erreicht werden.
In den Niederlanden schwankten die Strompreise im Jahr 2022 zwischen –222,36 €/MWh und +871 €/MWh – intelligente Energienutzung wird somit zum Schlüsselfaktor.
Hauptziele dynamischer VFS
Der Artikel nennt fünf Hauptziele für den Einsatz dynamischer Steuerung in vertikalen Farmen:
1. Ressourceneffizienz optimieren
- Wassereinsparung durch gezielte Steuerung von Luftfeuchtigkeit, Luftstrom und EC
- CO₂-Zufuhr ausschließlich während photosynthetisch aktiver Phasen
- Nutzung des photothermischen Verhältnisses zur Optimierung von Kohlenhydratspeicherung und -mobilisierung
2. Produktqualität verbessern
- Erhöhung von Antioxidantien und Vitaminen, Reduktion physiologischer Störungen
- EOP-Lichtstrategien zur Haltbarkeitsverlängerung und Geschmacksverbesserung
- Senken des Nitratgehalts in Spinat um ~60 % durch Nachtlicht
3. Energiekosten senken
- Beleuchtungsphasen in strompreisgünstige Zeiten verschieben
- Optimierungsalgorithmen einsetzen, um Stromkosten um 10–20 % zu senken
4. Integration von Sensorik & digitalen Zwillingen
- Nutzung von RGB-, hyperspektralen, thermalen und CO₂-Sensoren
- Entwicklung von digitalen Zwillingen zur autonomen Klimaregelung in Echtzeit
5. Zielgerichtete Pflanzenzüchtung ermöglichen
- Züchtung für dynamische Klimabedingungen (z. B. schnelle Stomata-Reaktion)
- Beispiel: Far-red-Impulse am Tagesende steigern Fruchtbildung bei Tomaten um 10–20 %
Herausforderungen und Kontroversen
- EC-Schwankungen: Vorteilhaft für Tomaten, schädlich für Blattgemüse
- Far-red-Licht: Fördert Tomaten, verursacht aber 20–25 % Fruchtabbruch bei Paprika
- Ertrag vs. Energieinput: Hohe Getreideerträge sind nur mit CO₂-armem Strom tragfähig
- Lichtfluktuationen: Blattgemüse ist tolerant, Fruchtpflanzen reagieren empfindlich
- Nachtbeleuchtung: Verbessert Qualität, kann zirkadiane Rhythmen stören
- Photoperiodenkontrolle: Kurztagspflanzen wie Cannabis erfordern strikte Lichtregimes
Physiologische & agronomische Effekte
Photosynthese & Transpiration
- Synchronisierung von Licht & Temperatur erhöht Kohlenstoffaufnahme um 10–40 %
- Gepulste Beleuchtung spart Energie, kann jedoch die Photosynthese bei Fruchtpflanzen reduzieren
- Photothermische Verhältnisse optimieren Wachstumsphasen
Wachstum & Morphologie
- Blattflächen-Spezifik steigt unter dynamischem Licht um 5–10 %
- Positive DIF fördert Streckung, negative DIF wirkt kompaktierend
- Plötzliche Änderungen in EC oder Luftfeuchtigkeit beeinflussen Turgor und Wachstum
Reproduktive Entwicklung
- Tomaten reagieren positiv auf Far-red, Paprika negativ
- Kurztagspflanzen wie Cannabis benötigen <14h Licht zur Blütenbildung
Produktqualität
- Blattrandnekrosen durch Nacht-EC-/Feuchtesteuerung vermindert
- Nitratsenkung in Spinat durch Nachtbeleuchtung (~60 %)
- EOP-Licht verbessert Vitamin C, Polyphenole, Haltbarkeit (1–3 Tage)
Ertragsreaktion
- Blattgemüse behält Ertrag trotz Lichtschwankungen (DLI ~12.96 mol m⁻² d⁻¹)
- Tomaten: positiver Ertragseffekt durch spektrale Steuerung
- Paprika: neutral bis negativ
Strategische Resultate
- Energieeffizienz: 10–20 % Ersparnis durch smarte Beleuchtung
- Qualitätssteigerung: Bessere Antioxidantien, Geschmack, Haltbarkeit
- Ertragsstabilität: Erhalt oder Steigerung durch dynamische Systeme
- Digitale Integration: Sensorik und KI optimieren Betriebsführung
- Züchtungsinnovation: Sorten für dynamische Systeme steigern Rentabilität
Investitionen & Kostenschätzungen
1. Infrastruktur
Mehrschichtsysteme: 2.000–5.000 €/m²
2. Beleuchtung
Dynamische LED-Systeme: 400–800 €/m² (10–20 % teurer als statische Systeme)
3. Sensorsysteme
Thermische/hyperspektrale Kameras: 3.000–30.000 €/Stück
Sensor-Netzwerke: 5–10 % der Investitionskosten
4. Software & KI
Dynamische Steuerungssysteme: 1–2 % des Jahresbudgets
5. Personal
Initiale Schulung & Datenanalyse: 5–10 % der OPEX, sinkend durch Automatisierung
6. Züchtungs-F&E
Langfristige Investitionen: 2–5 % des Budgets
7. Return on Investment
Amortisation in 5–10 Jahren durch Premiumpreise, Energieeinsparung und Abfallvermeidung
Quellen & Weiterführende Literatur
- Dynamische Strategien im Vertical Farming
Vertical farming goes dynamic (Frontiers in Science, 2024) - Gepulste Beleuchtung
Pulsed LED-lighting as an energy saving technique (Olle & Viršile, 2021) - Far-red in Tomatenkulturen
Adding far-red increases tomato yield (Kalaitzoglou et al., 2019) - Sensorik im Pflanzenbau
Plant disease detection by imaging sensors (Mahlein, 2016)
Fazit: Zukunftsfähige Anbaumodelle
Die dynamische Umweltsteuerung verändert den vertikalen Pflanzenbau grundlegend. Sie kombiniert:
- Echtzeit-Automatisierung mit Sensorik
- Dynamisches Energiemanagement
- Sortenspezifische Züchtung
- KI-gestützte Entscheidungsfindung
Solche Systeme ermöglichen eine nachhaltige urbane Lebensmittelproduktion und bieten skalierbare Lösungen für globale Ernährungssicherheit. Sie bilden künftig cyber-physische Ökosysteme, in denen Biologie und Technologie nahtlos zusammenwirken.
Was ist dynamisches Vertical Farming?
Dynamisches Vertical Farming ist eine fortschrittliche Methode des Indoor-Anbaus, bei der Umweltparameter – wie Lichtintensität, Spektrum, Temperatur, Luftfeuchtigkeit und CO₂-Konzentration – dynamisch und oft stündlich angepasst werden.
Dieser Ansatz verbessert das Pflanzenwachstum, erhöht die Ressourceneffizienz und ermöglicht Energieeinsparungen, indem die Umweltbedingungen in Echtzeit an den Bedarf der Pflanzen und an Strompreisschwankungen angepasst werden.
Wie senkt dynamische Beleuchtung die Energiekosten in vertikalen Farmen?
Dynamische Beleuchtungssysteme nutzen Algorithmen, um die Lichtintensität und Beleuchtungszeiten basierend auf Strompreisen und der photosynthetischen Aktivität der Pflanzen zu steuern.
Durch die Verlagerung eines Großteils der Beleuchtung in stromgünstige Nebenzeiten können Produzierende ihre täglichen Energiekosten um 10–20 % senken – bei gleichbleibendem Daily Light Integral (DLI) und konstanter Produktivität der Kulturen.
Warum wird Fernrotlicht (FR) im Vertical Farming eingesetzt?
Fernrotes Licht (FR) fördert den Ertrag und die Verteilung der Trockenmasse bei Fruchtpflanzen wie Tomaten, insbesondere wenn es in kurzen Pulsen am Ende der Photoperiode eingesetzt wird.
Eine längere FR-Bestrahlung kann jedoch unerwünschte Effekte hervorrufen – beispielsweise 20–25 % Fruchtverlust bei Paprika – und möglicherweise die Krankheitsresistenz mancher Arten verringern.
Kann eine dynamische Klimasteuerung die Produktqualität verbessern?
Ja. Eine dynamische Umweltsteuerung kann die Qualität von Kulturen deutlich verbessern, indem sie:
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physiologische Störungen (z. B. Randbrand, Blütenendfäule) reduziert,
-
den Nitratgehalt senkt (z. B. um bis zu 60 % bei Spinat),
-
den Gehalt an Antioxidantien erhöht (z. B. Vitamin C und Phenole),
-
und die Haltbarkeit der Produkte um 1–3 Tage verlängert.
Welche Technologien sind entscheidend für dynamisches Vertical Farming?
Ein voll funktionsfähiges System für dynamisches Vertical Farming umfasst in der Regel:
-
Dimmbares LED-Licht mit steuerbarem Spektrum,
-
Umweltsensoren (für CO₂, Temperatur, Luftfeuchtigkeit und elektrische Leitfähigkeit – EC),
-
Hyperspektral- oder Wärmebildkameras,
-
KI-gestützte Automatisierungs- und Steuerungssoftware,
-
sowie ein digitaler Zwilling, der Pflanzen-Umwelt-Interaktionen in Echtzeit simuliert und optimiert.
Webinar-Zusammenfassung: Dynamisches Vertical Farming im Fokus
Das Webinar von Frontiers in Science zum Vertical Farming brachte führende Wissenschaftler:innen, Technolog:innen und politische Expert:innen zusammen, um den richtungsweisenden Hauptartikel zu diskutieren:
„Vertical Farming Goes Dynamic: Optimizing Resource Use Efficiency, Product Quality, and Energy Costs“
Diese umfassende Sitzung beleuchtete, wie dynamische Umweltsteuerung, sensorgestützte Feedbacksysteme und strategische Pflanzenzüchtung das Vertical Farming von einem kostenintensiven Innovationskonzept zu einem profitablen und nachhaltigen Produktionsmodell für Lebensmittel transformieren können.
Schlüsselkonzept: Vom statischen zum dynamischen Vertical Farming
Traditionelle vertikale Farmen arbeiten mit konstanten Klimabedingungen. Der Hauptartikel schlägt einen mutigen Paradigmenwechsel vor:
Echtzeitdaten und dynamische Steuerung sollen Beleuchtung, Temperatur und CO₂-Konzentration flexibel anpassen – in Reaktion auf:
-
das jeweilige Wachstumsstadium der Pflanze,
-
tägliche und saisonale Schwankungen der Energiepreise,
-
die angestrebte Produktqualität (z. B. Geschmack, Farbe, Nährstoffgehalt).
„Nur weil wir alles kontrollieren können, heißt das nicht, dass wir es konstant halten sollten. Dynamische Steuerung ist die eigentliche Chance.“
– Prof. Leo Marcelis
Umweltvorteile & Systemeffizienz
Vertikale Farmen bieten bereits erhebliche Vorteile gegenüber der konventionellen Landwirtschaft:
-
bis zu 95 % weniger Wasserverbrauch,
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kein Pestizideinsatz durch geschlossene, hygienische Umgebungen,
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minimaler Flächenbedarf – ermöglicht urbane Lebensmittelproduktion,
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ganzjährige, klimaunabhängige Ernten.
Trotzdem bleibt der Energieverbrauch, insbesondere für Beleuchtung, eine zentrale Herausforderung. Dynamische Steuerungssysteme zielen darauf ab:
-
Stromkosten um bis zu 12 % zu reduzieren,
-
die Energieeffizienz insgesamt zu steigern,
-
die Produktqualität gezielt in der Endphase des Wachstums zu optimieren.
Intelligente Beleuchtung: Schlüssel zu Effizienz & Qualität
Dynamische Beleuchtung passt Intensität und Spektrum während des Tages oder über den gesamten Wachstumszyklus hinweg an. Wichtige Erkenntnisse:
-
Die Lichtintensität kann bei hohen Strompreisen reduziert werden – ohne Ertragsverlust.
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Eine Erhöhung des Blau- oder Rotlichtanteils vor der Ernte steigert Anthocyane (Farbe) und Vitamin C.
-
Strategisch eingesetztes Licht verbessert die Lagerfähigkeit nach der Ernte.
Simulationen mit realen Strompreisdaten aus den Niederlanden zeigten, dass der Kohlenstoffgewinn konstant bleiben kann, während die Energiekosten sinken. Durch Anpassung des Lichtmusters an stündliche Preissignale können Produzent:innen Kosten sparen, ohne Ertragseinbußen.
Experimentelle Evidenz: Fluktuierendes Licht funktioniert
Dr. Elias Kaiser, Hauptautor der Studie, stellte ein mehrartiges Experiment vor, das konstante mit dynamischen Lichtmustern verglich:
-
Vier Blattgemüsearten wurden unter drei Lichtregimen getestet,
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alle erhielten denselben Tageslichtintegral (DLI),
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keine signifikanten Unterschiede im Frischgewicht unter dynamischer Beleuchtung,
-
die spezifische Blattfläche (SLA) nahm bei zwei Arten zu – dünnere, effizientere Blätter.
Die Ergebnisse bestätigen frühere Studien und weisen auf einen allgemeinen physiologischen Trend hin:
Pflanzen können unter schwankender Beleuchtung gut gedeihen, solange die Lichtgrundversorgung gewährleistet ist.
Modellgestützte Steuerung & Feedbacksysteme
Dr. Silvere Shabaan präsentierte ein Modell zur Vorhersage von täglicher Photosyntheseleistung und Energiekosten basierend auf:
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dynamischen Lichtintensitätsmustern,
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der photosynthetischen Kapazität, dem zirkadianen Rhythmus und der Stomataleitfähigkeit,
-
sowie Energiepreisen, die alle 15–60 Minuten aktualisiert werden.
Das System entwickelt daraus tägliche Lichtstrategien, die folgende Ziele ausbalancieren:
-
Kostenersparnis ab 12 %,
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Konstanz beim Kohlenstoffgewinn,
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geringere Transpiration (weniger Entfeuchtungsaufwand).
Nächster Entwicklungsschritt: Integration von Echtzeit-Sensordaten zur Modellanpassung und Berücksichtigung der pflanzlichen Akklimatisierung im Zeitverlauf.
Vielversprechende Sensortechnologien
Diskutierte Schlüsseltechnologien für pflanzliches Echtzeit-Feedback:
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Chlorophyllfluoreszenz-Bildgebung – misst die Effizienz der Photosynthese,
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Thermografie – überwacht Transpiration und Stomataaktivität,
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Pflanzen-Wearables – kostengünstige Sensorlösungen für Blattdaten.
Diese Technologien arbeiten im Minutentakt und sind ideal für eine reaktive Umweltsteuerung.
Kontinuierliche Integration: Züchtung trifft Umgebung
Ein zentrales Diskussionsthema: Die Pflanzengenetik muss an kontrollierte Anbausysteme angepasst werden.
Schlüsselmerkmale für vertical-farming-geeignete Sorten:
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kompakter, dichter Wuchs,
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kurze Lebenszyklen,
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hoher Ernteindex (viel essbare Biomasse),
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gezielte ernährungsphysiologische und sensorische Eigenschaften.
Der Feedback-Zyklus:
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Selektion oder Züchtung einer Sorte mit gewünschten Eigenschaften
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Beobachtung & Modellierung des Pflanzenverhaltens unter dynamischer Steuerung
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Anpassung der Umweltparameter zur Wachstumsoptimierung
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Rückführung der Ergebnisse in den nächsten Züchtungszyklus
Politik, Skalierbarkeit & globale Relevanz
Zentrale Voraussetzungen für reale Wirkung:
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Politische Anerkennung und geeignete regulatorische Rahmenbedingungen,
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öffentliche und private F&E-Förderung für Züchtung, Technologieintegration und Ausbildung,
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Unterstützung kostengünstiger Systeme in Schwellen- und Entwicklungsländern,
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interdisziplinäre Kooperation zwischen Wissenschaft, Technik und Praxis.
„Wir müssen zeigen, dass das Modell funktioniert – nicht nur im Labor, sondern auch auf kommerziellen Farmen.“
– Christine Zimmermann-Loessl, Vorsitzende der Association for Vertical Farming (AVF)
Schlussaussagen aus dem Panel
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Kevin Folta: „Umwelt und Genetik müssen zusammenwirken. Wir müssen die richtigen Pflanzen für die richtigen Bedingungen finden.“
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Christine Zimmermann-Loessl: „Wissenschaft inspiriert – aber sie muss auf echte Farmen übersetzt werden, die Menschen ernähren.“
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Leo Marcelis: „Die beste Steuerung ist dynamisch. Und Integration ist entscheidend.“
