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topplus Blick in die Forschung

Ernährungssicherung durch Vertical Farming: Was ist in Zukunft möglich?

In Vertical Farming könnten sich zukünftig Weizenerträge von 2.000 dt pro Hektar und Jahr erzielen lassen. Das zeigt eine Simulation der TU München. Doch der Indoor-Anbau hat einen Haken.

Lesezeit: 7 Minuten

Nichts Geringeres als die Welternährung nachhaltig sichern – das soll Vertical Farming laut Wissenschaftler Prof. Senthold Asseng können. In 10 bis 15 Jahren könnten die Weizenerträge aus Indoor-Farmen seiner Ansicht nach 6.000 mal höher sein, als der aktuelle globale Durchschnitt.

Asseng ist Professor für Digital Agriculture an der Technischen Universität München (TUM) und Direktor des Hans Eisenmann-Forums für Agrarwissenschaften.

Er erforscht den Indoor-Anbau von Weizen im großen Stil. Das ist eher ungewöhnlich, denn die meisten Vertical Farming-Konzepte widmen sich aus wirtschaftlichen Gründen dem Anbau von höherwertigen Kulturen wie Erdbeeren, Cannabis oder Medizinalpflanzen. Weil für den Indoor-Anbau künstliche Umweltbedingungen erzeugt werden, sind die Energiekosten derzeit noch um ein Vielfaches höher, als im Feldanbau. In einem Online-Vortrag erklärte Asseng kürzlich, an welchen Fragen Forschende aktuell arbeiten und was das Energieproblem lösen könnte.

Nur mit Salat und Cannabis kann man die Welt nicht ernähren. Wir müssen an den Weizen ran.

In vertikalen Farmen oder auch Indoor-Farmen bauen Wissenschaftler, Start-ups und dem Professor zufolge künftig auch Landwirte ihre Pflanzen in hochautomatisierten, mehrstöckigen Anlagen an.

Alle Faktoren, die sie für das Wachstum brauchen, können in der Farm kontrolliert werden, Risiken werden minimiert, so die Annahme. Die These lautet daher: Pflanzen könnten extrem hohe Erträge abwerfen und eine Art nachhaltige Massenproduktion von Grundnahrungsmitteln bei minimalem Flächenverbrauch ermöglichen.

Hier steckt eine der Kernfragen, auf die Prof. Asseng Antworten sucht: Was limitiert das Pflanzenwachstum in einer Indoor-Farm? Wo liegt die optimale Temperatur? Und wie hoch kann man den Weizenertrag treiben?

6.000-mal mehr Weizenertrag im Indoor-Anbau

Von der Aussaat bis zur Reife braucht der Weizen im Indoor-Anbau 60-70 Tage. Asseng ist überzeugt, dass die Ernte zukünftig bis zu sechs Mal im Jahr stattfinden kann - nicht, wie aktuell einmal im Jahr. Simulationsrechnungen zeigen außerdem, dass der Ertrag höher sein wird, als „je im Feld gemessen wurde".

Gemeinsam mit Architekten hat der Wissenschaftler ein Gebäude entworfen, in dem insgesamt 100 ha Weizen in 100 Schichten übereinander angebaut werden könnte. Die Pflanzen haben in der Rechnung eine Wuchshöhe von 50 cm. Bei ununterbrochener Lichteinstrahlung, erhöhter CO2-Konzentration und optimalen Bedingungen könnten Erträge von 2.000 dt pro ha und Jahr erzielt werden - für jede einzelne Schicht. Zum Vergleich: Der globale Durchschnitt beläuft sich auf rund 30 dt pro ha. In der Simulation ist also das 6.000-fache möglich.

Landwirte könnten kleinere Module in leerstehenden Gebäuden errichten, so Asseng. Das kleinste bisher simulierte Modell umfasst beispielsweise fünf Schichten á 10 m x 10 m.

Maximaler Ertrag wirft Fragen zur Qualität auf

Asseng bezieht in seiner Forschung Überlegungen zur Qualität ein und zitiert ein Projekt der Weltraumorganisation NASA. Inhaltsstoffe, wie Vitamine und Nährstoffe sind über das Licht steuerbar. Doch aus Feldversuchen ist bekannt, dass der Proteingehalt mit dem steigenden Ertrag abfällt. Würde also in Indoor-Anlagen ein Verdünnungsprozess eintreten?

Ein Experiment, das mit einer NASA-Sorte durchgeführt wurde, zeigt, dass Nährstoffe wie Phosphor, Kalium, Magnesium oder Mangan im Indoor-Anbau über den Feldwerten liegen. Auch der Proteingehalt war höher. „Bei diesem Versuch waren die Erträge noch nicht so maximiert, wie sie sein könnten. Deshalb können wir noch nichts über einen Qualitätsabfall sagen“, so Asseng und fügt hinzu: „Gegebenenfalls muss man auf die höchsten Erträge verzichten, um den Proteingehalt zu erhalten.“

Die NASA plant bereits seit den 80er Jahren Getreide im Weltall anzubauen und hat daher eine Sorte gezüchtet, die nur 50 cm hoch wird.

Der Haken: Pflanzen brauchen Licht, künstliches Licht ist teuer

Die Simulationen liegen dem Forscher zufolge noch mindestens zehn Jahre in der Zukunft. „Heute ist das ökonomisch noch Unsinn. Die Energiekosten sind viel zu hoch.“ Selbst die Start-ups, die sich auf hochpreisige Kulturen wie Gemüse konzentrieren, hadern mit den hohen Kosten u.a. für die Beleuchtung. „Mit der aktuellen Technologie ist es unmöglich, unsere Hauptkulturpflanzen wirtschaftlich anzubauen“, so Asseng.

Fast 100 % des Energiebedarfs fallen auf das Licht zurück. Asseng rechnet vor: Im Feld braucht ein kg Weizen rund 1.300 kWh Sonne. Indoor halbiert sich die benötigte Energie auf rund 650 kWh pro kg Weizen. In Deutschland ergäben sich daraus bei einem Strompreis von 0,1 € Kosten von 65 € pro kg Weizen.

Die Wissenschaftler überlegen also: Wie könnten sie die Umwelt oder die Pflanze so anpassen, dass der Energiebedarf sinkt? Asseng stellt mehrere Lösungsansätze vor:

  • Das Licht wird für die Biomasseproduktion benötigt. Um Energie zu sparen, sollte so viel Biomasse wie möglich in den Ertrag fließen. Die Züchtung arbeitet daher an Sorten mit gestauchten Halmen und möglichst großen Ähren. Auch das Wurzelsystem soll kleiner werden.

  • Der Bestand sollte sich schneller schließen, um möglichst wenig Licht zu verlieren, also müsste man die Pflanzendichten erhöhen.

  • Die Photosynthese braucht nur ein kleines Lichtspektrum (blau und rot). Vertical Farming Anlagen erstrahlen daher oft in pinkem Licht. Der Rest des Lichtspektrums kann „ausgeschnitten“ und somit eingespart werden.

  • Die Photosynthese ist träge. Mit pulsierendem Licht kann dieselbe Biomasse bei geringerem Energieverbrauch erzeugt werden. Dafür werden die LEDs für jede zweite Millisekunde ausgeschaltet.

  • Die Lichtintensität nimmt mit der Entfernung ab – die LEDs sollten so nah wie möglich an der Pflanze sein. Mit zunehmendem Höhenwachstum sollten die Lampen weiter hochgefahren werden. Alternativ könnte die Pflanze auf einer Art Fließband wandern.

  • Aktuell untersuchen die Forscher, ob man den Weizen in den ersten 20 Tagen dunkel halten und ihn nur über Zucker ernähren könnte.

Simulation zeigt: Flächenbedarf halbiert sich

Wenn die Betreiber der Vertical Farmen die oben beschriebenen Lösungsansätze in die Praxis überführten, ließe sich der Lichtenergiebedarf von 650 kWh auf 47 kWh pro kg Weizen reduzieren.

Das zeigt ein weiteres Modell des Professors. Diese Energiemengen könnten Landwirte durch z. B. Agri-PV erzeugen. Ganz ohne Fläche kommt der Indoor-Weizen also doch nicht aus. Auch hier zeigt Asseng eine Beispielrechnung: Eine Person konsumiert in Deutschland durchschnittlich 80 kg Weizen im Jahr.

Will man den Verbrauch zu 10 % mit Indoor-Weizen decken, bräuchte dieser für den Strom über Freiflächen-PV etwa die Hälfte der Fläche, als im Feld angebauter Weizen. Die verfügbar gewordenen Flächen würden der Theorie nach Raum für Biodiversitätsleistungen bieten.

Wie rechnet sich Weizen aus einer Vertical Farm?

Wenn in Zukunft 47 kWh pro kg Korn nötig wären, würde bei einem Preis von 0,01-0,03 € pro kWh ein Kiloerzeugerpreis von 0,47-1,41 € herauskommen. „Wenn wir den Energiebedarf senken können, dann liegen wir bei den Kosten in einem ähnlichen Bereich, wie der Feldweizen - hinzu kommt, dass die Umweltkosten wegfallen würden“, sagt Asseng und fügt hinzu: „Es ist jedoch Unsinn, hier Weizen zu produzieren, der für Futter verwendet oder exportiert wird.“

Es geht nicht darum, das Feld zu ersetzen, sondern darum, über Technologien wie Vertical Farming einen zusätzlichen Beitrag zur Lebensmittelproduktion zu leisten.

Obwohl Vertical Farming im großen Stil noch Zukunftsmusik ist, lohne sich nach Ansicht von Prof. Asseng die Investition in die Forschung. Denn die extremen Erträge auf kleinster Fläche haben das Potenzial, wertvolle Hektar einzusparen. Dazu kommt, dass die Folgen des Klimawandels keinen Einfluss mehr auf die Lebensmittelerzeugung hätten. Weitere Pluspunkte des Indoor-Anbaus sind dem Professor zufolge:

  • Minimaler Wasserverbrauch

  • Keine Düngemittelverluste mehr

  • Beitrag zur Ernährungssicherheit, gezielt jeden Tag dieselbe Menge produzieren

  • Lebensmittelqualität besser steuerbar

  • Herbizid- und pestizidfrei

  • Keine bodenbedingten Schadstoffe

  • Kurze Transportwege: Lebensmittel da anbauen, wo sie verbraucht werden

  • Kreislaufwirtschaft

Aktuell gehe Vertical Farming wegen der gestiegenen Energiepreise „durch ein tiefes Tal“. Asseng geht davon aus, dass die Produktionsweise in den nächsten zehn Jahren einen Aufschwung erleben und einen relevanten Beitrag zur Ernährungssicherung leisten wird. Beispielsweise, indem sie einen Teil des Produktionsverlusts auffängt, der durch den benötigten Biodiversitätsschutz im Feld entsteht.

Die Landwirte will er auf diesem Weg unbedingt mitnehmen, da sie das nötige Know-how haben und nachhaltige Energie produzieren. Er sagt: „Das muss ja nicht von Technikfreaks gemanagt werden. Landwirte können einzelne kleinere oder in Kooperationen auch große Anlagen leiten.“

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