Ziel der Entwicklung

„Vertical Farming” ist ein Sammelbegriff von Technologien, die vorwiegend die Sammlung von Methoden zur erheblichen Effizienzsteigerung durch neuartige Anordnungen und Automatisierung des Anbaus von Pflanzen gekennzeichnet ist. Heute existierende Produktionssysteme fokussieren vornehmlich auf geschützte Kultivierungsbereiche (greenhouse) und die Reduzierung bis zum Verzicht auf den Verbrauch landwirtschaftlicher Fläche bei größtmöglicher Nähe zum Verbraucher, um Landwirtschaft im Kontext des Klimawandels resilienter zu gestalten und Versorgungslücken dezentral zu schließen.
Vorzugsweise sind hydroponische und aquaponische Verfahren am Markt. Trotz angestrebter geschlossener Stoffkreisläufe ist der Wasser- und Nährstoffaufwand groß. Die konsequente Weiterentwicklung bildet das aeroponische Verfahren, bei dem die Wurzeln gewissermaßen in der Luft hängen und mit minimalem Wasseraufwand über Sprühnebel versorgt werden. Alle Vertical-Farming-Systeme bilden artifizielle Anbauarten, sog. CEA (Controlled Environment Agriculture), welche zwar unabhängig von klimatischen, tages- und jahreszeitlichen Limitationen funktionieren und damit reproduzierbar planbare Ertragssituationen erlauben, dieser Vorteil bedingt jedoch gegenüber klassischer Landwirtschaft viel höhere Betriebskosten durch künstliche Beleuchtung, Klimatisierung, Sprühsysteme, Automation, Wartung, Pflege u.v.a.m. Die konsequente Einbindung kostengünstiger und/oder regenerativer Energiequellen ist eine Voraussetzung für betriebswirtschaftlich belastbare und konkurrenzfähige Systeme; ein möglichst hoher Automatisierungsgrad eine weitere. Gängige Systeme leiden darüber hinaus derzeit noch unter verschiedenen ungelösten Problemen, wie dem Zukauf von nicht recyclingfähigen Substraten wie Mineralwolle, Kontaminationen durch Pflanzenpathogene und technischen Systemausfällen. Die zuverlässige Aufrechterhaltung der physiologisch notwendigen Randbedingungen mit technischen Mitteln ist ungleich schwieriger als in natürlicher landwirtschaftlicher Umgebung, bei der Sonne, Regen und Ackerboden zumindest in „guten“ Jahren die Erträge kostenarm sichern. Zudem bilden überschaubare Kosten für den globalen Transport von Lebensmitteln aus den Erzeugerländern zu den urbanen Ballungszentren heute noch die Voraussetzung für funktionierende Versorgungspfade. Dies zu halten, ist perspektivisch ungewiss, aber um sich derzeit damit zu messen, müssen aus Vertical-Farming-Systemen höhere Erträge bei geringerem Ressourcenverbrauch (insb. Dünger) erwachsen, Ausfälle vermieden werden und Kultivierungszeiten ganzjährig verfügbar sein. Das zugrunde liegende vertikale statt horizontale Anbauprinzip reduziert zumindest schon den Fußabdruck in Bezug auf Landbedarf erheblich und ermöglicht per se höhere Hektarerträge; aber entscheidend sind die spezifischen Gestehungskosten für die Erzeugnisse.
Der Anspruch, eine artifizielle, kontrollierbare Technosphäre auf Grundlage des aeroponischen Prinzips zu schaffen, um sich betriebswirtschaftlich mit konventionellen landwirtschaftlichen Produktionssystemen messen zu können, verbunden mit Zukunftsperspektiven für die kontrollierte und sichere Anzucht nicht nur von klassischen „leafy greens“, sondern auch von wertstoffangereicherten Spezialkulturen für den Pharmamarkt bis hin zu Neophyten und transgenen Kulturen, war Ziel des Projektes. Der Lösungsansatz kam dabei u.a. aus Best Practise – Prinzipien der Automobilbranche, bei denen Automation und Fließbandbetrieb beispielgebend sind, indem Komponenten integriert, Komplexität reduziert, und robuste und langlebige konstruktive Lösungen gefunden werden sollten. Dies sollte zu zuverlässigen und effizienten Anlagen führen, die eine zukunftsweisende und notwendige Weiterentwicklung bestehender Systeme für diesen Bereich darstellt.

Vorteile und Lösungen

Das Forschungs- und Entwicklungsvorhaben AERO-Grow zielte darauf ab, ein neuartiges, kontinuierlich arbeitendes Pflanzenaufzuchtsystem zu entwickeln, das durch ein aeroponisches Kultivierungsprinzip und innovative Vertical-Farming-Technologie gekennzeichnet ist. Im Fokus stand die Entwicklung eines voll automatisierten Demonstrators, der als Technologieplattform für die kontrollierte Produktion hochwertiger Nutzpflanzen dient. Die technologische Innovation bestand insbesondere in der Kombination des aeroponischen Prinzips mit einem kontinuierlichen Transportsystem, wodurch eine räumlich abgeschlossene und jahreszeitlich unabhängige Kultivierung mit maximaler Produktausbeute und reproduzierbarer Produktqualität ermöglicht werden sollte. Das System wurde speziell für die Aufzucht von hochwertigen Pflanzen wie Kräutern, Gewürz- und Heilpflanzen sowie perspektivisch auch für Pharmapflanzen konzipiert. Die Entwicklung sollte dabei durchgängig den Prinzipien der Modularität, Skalierbarkeit und Kosteneffizienz folgen, um eine spätere wirtschaftliche Umsetzung in verschiedenen Anwendungsszenarien zu ermöglichen. Ein besonderer Fokus lag auf der Integration von Komponenten und der Reduktion von Komplexität für eine robuste und langlebige Anlagentechnik.
Die entwickelte Technologieplattform basiert auf mehreren sich ergänzenden innovativen Kerntechnologien, die in ihrer Kombination ein neuartiges Gesamtsystem ergeben:
– zweiphasiges aeroponisches Düsensystem mit separater Druckluft- und Nährlösungsführung,
– energieeffizientes LED-Beleuchtungssystem auf Aluminium-PCBs mit rein passiver Kühlung,
– IoT-basiertes Steuerungssystem unter Verwendung eines MQTT-Protokolls mit dezentraler Sensoreinbindung,
– gesteuertes Klimatisierungs- und Wasserkreislaufsystem mit geringem Ressourcenverbrauch,
– innovatives Produktdesign in Form vertikaler Pflanzenpaneele sowie mit Linearvorschub durch den Kulturraum.
Das entwickelte Anlagenkonzept implementiert damit ein neuartiges Fließbandsystem, bei dem die Kultivierungs-Panels über die gesamte Vegetationsperiode hinweg kontinuierlich durch die Aufzuchtanlage geführt werden. Die Innovation besteht dabei in der stationären Anordnung aller anzusteuernden Periphersysteme wie Beleuchtungs- und Sprühvorrichtungen, während die Pflanzen selbst bewegt werden. Diese Architektur ermöglicht erstmals eine Kultivierung als hochdynamisches Produktionssystem mit maximaler Produktausbeute.
Im Rahmen des Projekts wurden die definierten Entwicklungsziele systematisch umgesetzt und validiert. Die erreichten 2 Meilensteine dokumentieren dabei den erfolgreichen Entwicklungsverlauf von der Konzeption bis zur Demonstration der Technologie. Mit der Assemblierung und Montage des Demonstrators in seiner Gesamtheit war die Inbetriebnahmebereitschaft hergestellt und die umfassende experimentelle Erprobung einschließlich der iterativen Systemoptimierung konnte beginnen. Die Demonstration der grundsätzlichen Funktionsfähigkeit erfolgte anschließend durch mehrere Versuchsreihen mit der Modellpflanze Basilikum (Ocimum basilicum). Hierbei konnte die erfolgreiche Kultivierung vom Jungpflanzenstadium bis zur Erntereife nachgewiesen werden. Das System zeigte dabei eine stabile Aufrechterhaltung der definierten Prozessparameter wie Temperatur, Luftfeuchte und Nährstoffversorgung. Die entwickelte Steuerungstechnik gewährleistete einen weitgehend autonomen Betrieb. Die Validierung des Systemkonzepts durch systematische Testläufe erbrachte den Nachweis der Praxistauglichkeit der gewählten technologischen Ansätze. Insbesondere das aeroponische Kultivierungsprinzip mit freihängenden Wurzeln erwies sich als funktionsfähig, wobei eine gute Wurzelentwicklung und Nährstoffaufnahme dokumentiert werden konnten. Die vertikale Anordnung der Pflanzenpanels ermöglichte dabei die angestrebte effiziente Raumnutzung. Die durchgeführten Tests führten auch zur Identifikation wesentlicher Optimierungspotenziale für die Weiterentwicklung. Die Skalierung der Demonstrationsanlage mit einer Kapazität von 350 Pflanzen auf ein Pilotsystem mit 5.000 Pflanzen in Produktionsumgebung ist für 2025–2027 fest geplant. Die Ertrags- und Betriebskostenkalkulation ergab bei einer optimierten Skalierung auf 100 Pflanzpaneele für Basilikum einen Jahresertrag von 13,3 Tonnen mit einem Deckungsbeitrag von zirka 9.000 Euro.

Zielgruppe und Zielmarkt

Das im Rahmen dieses Vorhabens entwickelte aeroponische Produktionssystem adressiert primär Zielmärkte in Regionen mit limitierten Wasserressourcen sowie spezielle Anwendungsfelder wie die Kultivierung von gentechnisch modifizierten Organismen (GMO), hochwertigen Kräutern und pharmazeutischen Nutzpflanzen. Diese Marktsegmente bieten auch nach Abschluss des Projekts weiterhin ein großes Potenzial für den Einsatz der entwickelten Technologie.
Die spezifischen Anforderungen dieser Zielmärkte, insbesondere hinsichtlich einer präzisen Kontrolle der Kultivierungsparameter, einer hohen biologischen Sicherheit sowie der Notwendigkeit einer effizienten Produktion auch kleinerer Chargen, können durch das entwickelte System in besonderem Maße erfüllt werden. Die Vorteile des aeroponischen Verfahrens, wie der geringe Wasserverbrauch, die Unabhängigkeit von Witterungseinflüssen und Bodenqualität sowie die Möglichkeit einer vollständigen Automatisierung, machen die Technologie für den Einsatz in den angestrebten Marktsegmenten besonders geeignet.
Vorwiegend der Markt für pflanzliche Pharmazeutika birgt ein enormes Wachstumspotenzial. Mit dem steigenden Verständnis pflanzlicher Wirkstoffsynthesen und den Fortschritten in der Genomik eröffnen sich neue Möglichkeiten für die Entwicklung innovativer Medikamente auf Basis pflanzlicher Ausgangsstoffe. Die kontrollierte Kultivierung pharmazeutischer Nutzpflanzen unter weitgehendem Ausschluss von Umwelteinflüssen und Kontaminationsrisiken stellt hierbei einen entscheidenden Faktor für die Qualitätssicherung und Prozessstabilität dar.
Auch der Markt für hochwertige Kräuter und pflanzliche Extrakte, insbesondere im Bereich der Kosmetik- und Nahrungsergänzungsmittelindustrie, weist eine hohe Wachstumsdynamik auf. Der Trend zu natürlichen und nachhaltig produzierten Inhaltsstoffen generiert eine stetig steigende Nachfrage nach effizienten und skalierbaren Produktionssystemen. Die Möglichkeit einer bedarfsgerechten, dezentralen Produktion in unmittelbarer Nähe zu den weiterverarbeitenden Betrieben bietet hierbei signifikante logistische und qualitative Vorteile.
In Regionen mit begrenzter Wasserverfügbarkeit und ungünstigen klimatischen Bedingungen für den konventionellen Pflanzenbau eröffnet die ressourcenschonende aeroponische Produktionstechnologie zudem neue Perspektiven für die lokale Erzeugung pflanzlicher Produkte. Gerade in urbanen Ballungsräumen mit limitierter Verfügbarkeit von Anbauflächen bietet der vertikale Anbau eine vielversprechende Option zur Steigerung der regionalen Wertschöpfung und Versorgungssicherheit.
Für die Realisierung dieser Skalierung konnten strategische Industriepartner aus den Bereichen Anlagenbau, Gebäudetechnik und Prozesstechnik eingebunden werden. Am Standort eines regionalen Gärtnereibetriebes soll im Zeithorizont der nächsten 2 Jahre auf Grundlage der Projektergebnisse ein produktionstaugliches System mit einer Kapazität von 5.000 Pflanzen aufgebaut und betrieben werden, wobei die im Bericht aufgeführten Erkenntnisse und Optimierungsaspekte aus dem Projekt AERO-Grow konsequent einfließen werden. Neben dem zertifizierten Gärtnereibetrieb sind ebenfalls Partner aus dem wissenschaftlichen Gerätebau, aus der Digital- und Analysentechnik sowie optosensorischer Bauteilentwicklung in den Maßnahmen eingebunden.
Diese sollen ihr spezifisches Know-how in den Entwicklung einbringen und somit eine effiziente Umsetzung unter Berücksichtigung aller relevanten Normen und Regularien gewährleisten.
Für diese und weitere interessierte Partnereinrichtungen aus Industrie und Forschung wird zusätzlich auf Initiative der GMBU e.V. derzeit ein internationales Forschungsnetzwerk eingerichtet, um Kompetenzen zu bündeln und Märkte zu erweitern.
Langfristig soll eine Markterschließung durch die Akquise von Pilotkunden in den definierten Zielsegmenten erfolgen. Der Schwerpunkt liegt dabei zunächst auf Unternehmen mit Bedarf an kleinskaligen, flexiblen Produktionssystemen für Spezialanwendungen, beispielsweise für die Herstellung pharmazeutischer Wirkstoffe oder hochwertiger Pflanzenextrakte. Durch die Implementierung von Referenzprojekten soll die Leistungsfähigkeit der Technologie demonstriert und die Sichtbarkeit im Markt erhöht werden. Neben kommerziellen Anwendungen wird derzeit auch über eine simplifizierte Variante für ambitionierte Privatanwender nachgedacht. Dabei handelt es sich um ein Standalone-System im Wohndesign mit einer Kapazität von etwa 50 Pflanzen im Preissegment < 1000 €. Mit weiteren Speziallösungen werden perspektivisch auch Applikationsbereiche in der Schifffahrt (z.B. Kreuzfahrtschiffe), der Offshore-Industrie (z.B. Bohrinseln) oder in geografisch entlegenen Regionen angesprochen, da diese Spezialmärkte aufgrund der eingeschränkten Versorgungssituationen zunehmend Bedarf versprechen.