Vertical Farming | Überblick: Firmen – Farmen – Forschung & mehr!

vertical farming bzw. vertikal Farming

Vertical Farming ist die kommerzielle und vertikale Kultivierung von Pflanzen.

Der Begriff “Vertical Farming” wird häufig inflationär und falsch verwendet. Seine grundlegende Bedeutung leitet sich wie folgt ab:

Der Begriff “Farm” wird als landwirtschaftlicher Betrieb verstanden1Duden bzw. als „an area of land, (…) used for growing crops (…) as a business.2Cambridge DictionaryFarming” meint „the business or activity of raising (…) crops.“3Cambridge Dictionary. Demnach meint (vertical) “Farming” die kommerzielle (vertikale) Kultivierung von Pflanzen.

Nach diesem Verständnis wird der Themenkomplex vertikale Landwirtschaft umfassend betrachtet. Am Ende des Beitrages weißt Du

  • was Vertical Farming ist,
  • wie Vertical Farming funktioniert,
  • welche Firmen und Farmen es in Europa gibt,
  • welche Vorteile und Potenziale Vertical Farming hat,
  • welche Institutionen im Bereich Vertical Farming forschen und
  • welche Typen und Systeme es in der vertikalen Landwirtschaft gibt.

Viel Spaß beim Lesen und Kommentieren!

Was ist Vertical Farming?

Vertical Farming ist die kommerzielle vertikale Kultivierung von Pflanzen.

Das Konzept wurde ab 1999 durch Professor Dickson Despommier4Columbia Public Health an der Columbia University entwickelt.5Arnie Cooper 2009 Sein richtungsweisendes Konzept beschreibt erstmalig den durch Sensortechnik kontrollierten Anbau von Nutzpflanzen in Hochhäusern.6Despommier 2010

Mittlerweile ist aus dem Konzept ein sich dynamisch entwickelnder Markt geworden, indem Start-ups und Konzerne die vertikale Landwirtschaft in die Praxis umsetzen und vor neuen Herausforderungen stehen.

Definition

In der Fachliteratur wird Vertical Farming unterschiedlich definiert. Eine mögliche Definition lautet wie folgt:

„Vertical farming is the practice of growing crops in vertically stacked layers. It often incorporates controlled-environment agriculture, which aims to optimize plant growth, and soilless farming techniques such as hydroponics, aquaponics, and aeroponics.” 7(Jeff Birkby 2016)

Der Begriff „Vertical Farming“ ist vor allem in Europa gebräuchlich. In Asien ist hingegen der Begriff „plant factory“ üblich. Weitere international synonym verwendete Termini sind z. B. city farm, skyfarm, farmscraper, zero-acreage farming und indoor-farm.8(Butturini und Marcelis 2020)

Wie funktioniert Vertical Farming?

Für den vertikalen Anbau von Nutzpflanzen werden erdlose Methoden wie die Hydroponik, die Aeroponik und die Aquaponik angewendet. Alle drei Methoden versorgen die Pflanzen mit einer Nährlösung – also mit Wasser und darin gelösten Nährstoffen. Ein hydroponisches System fixiert die Pflanze und versorgt die Wurzeln mit Nährlösung.

Die Versorgung über eine Nährlösung ermöglicht den effizienten und intensiven Anbau von Nutzpflanzen. Die Systeme sind platzsparend konzipiert und die Pflanzenstände minimiert. Pflanzen sind optimal mit Wasser und Nährstoffen versorgt. Die Folgen sind ein schnelles Wachstum und höhere Erträge pro Flächeneinheit.9Barbosa et al. 2015

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Vorteile von Vertical Farming

Die Vorteile von Vertical Farming basieren auf der Kultivierungsmethode – die den vertikalen Anbau erst ermöglicht. Somit gibt es z. B. Schnittmengen mit den Vorteilen der Hydroponik. Im Folgenden sind die wichtigsten ökonomischen, ökologischen, sozialen und politischen Vorteile beschrieben.

vertical farming

Ökonomische Vorteile

Das Ernteprodukt weist höchste Qualität auf, kann gut vermarktet und exportiert werden. Die Erträge sind aufgrund fehlender Umwelteinflüsse kalkulierbar. Ebenso ist der Bedarf an Pflanzenschutzmitteln geringer. Wasser und Nährstoffe können auf die Pflanze abgestimmt, eingespart und recycelt werden.

Die lokale Produktion ermöglicht kurze Transportwege zum Endverbraucher und die Produktion ehemals importierter Nahrungsmittel.10vgl. Benke und Tomkins 2017

Ökologische Vorteile

Chemische Pflanzenschutzmittel werden vermindert eingesetzt. Der Einsatz fossiler Energieträger kann durch kurze Transportwege reduziert werden. Der Energiebedarf kann aus erneuerbarer Energie gedeckt werden. Wasser wird um ein Vielfaches eingespart. Böden werden nicht überdüngt und Nitrat nicht ausgewaschen. Durch den vertikalen Zugewinn an Fläche können ehemalige Kulturflächen renaturiert werden.11vgl. Benke und Tomkins 2017

Soziale & politische Vorteile

Neuer Arbeitsplätze in den Bereichen Ingenieurwesen, Biochemie, Biotechnologie, Bauwesen, Wartung, Forschungs- und Entwicklungsmöglichkeiten entstehen. Der Leerstand in Städten kann durch vertikale Farmen reduziert werden. Eine verbesserte Produktivität kann zukünftig zu niedrigeren Lebensmittelpreisen führen.12vgl. Benke und Tomkins 2017

Politische Vorteile ergeben sich für politische Entscheidungsträger. Sie können Klimaziele mithilfe vertikaler Farmen erreichen. Des Weiteren kann die Nahrungsmittelsicherheit gesteigert13vgl. Benke und Tomkins 2017 und Importe reduziert werden.

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Herausforderungen & Probleme

Die größte Herausforderung vertikaler Farmen besteht in ihrer Rentabilität. Nur wenige vertikale Farmen sind aufgrund ihres hohen Energiebedarfes rentabel. Hohe Investitionskosten erschweren zudem den Markteintritt für Start-ups. Gründe hierfür sind städtische Grundstückspreise und ein hoher Material- und Technikaufwand. Ebenso mangelt es an qualifizierten Arbeitskräften.

Eine weitere Herausforderung besteht darin kohlenhydratreiche Pflanzen rentabel vertikal zu kultivieren. Derzeit werden hauptsächlich Kräuter, Blattgemüse und Erdbeeren angebaut. Weltweit arbeiten Firmen und Forschungseinrichtungen an Lösungen.

Forschung: Vertical Farming in Deutschland

Die Arbeitsgruppe Growing Knowledge“ von der Hochschule Osnabrück erforscht klimaresiliente Agrarsysteme für urbane Räume. Das Team aus interdisziplinären Mitarbeitern entwickelt und erforscht Vertical Farming Technologien mit dem Ziel, die Ressourceneffizienz und die Qualität gemüsebaulicher Erzeugnisse zu steigern.

Um die vertikale Landwirtschaft in Deutschland nachhaltig zu fördern, bildet u. a. Growing Knowledge das ZIM-Netzwerk „AgrarCycle“. Es vernetzt Unternehmen aus dem Agrar- und Technologiesektor mit Forschungseinrichtungen, anderen Netzwerken und innovativen Start-ups.

Wissenschaft & Forschung Vertical Farming

Des Weiteren forscht im Bereich „urban agriculture“ die Humboldt-Universität zu Berlin, die Teil des Forschungs- und Innovationsnetzwerkes „FoodBerlin“ ist – einem Netzwerk für nachhaltige Ernährungssysteme der Region Berlin-Brandenburg.

Neben Hochschulen und Universitäten sind Forschungseinrichtungen wie das Fraunhofer-Institut für Umwelt-, Sicherheits- und Energietechnik, das Frauenhofer Aachen und das Leibniz-Institut für Gemüse- und Zierpflanzenbau, an Forschungsprojekten beteiligt.

Vertical Farming Unternehmen (Europa)

Der Markt um Vertical Farming ist jung und kapitalintensiv. Die rentable Nutzung einer vertikal Farming Technologie ist noch nicht vollständig etabliert. Die Unternehmen in dem Sektor agieren als Berater, Technologieanbieter und Farmbetreiber. Im Folgenden ist eine kleine Auswahl europäischer Firmen aufgelistet.

FirmaSitzTyp
Jones Food CompanyUKPFAL
ByspireNorwegenPFAL
Duurzame kostNiederlandeAquaponik, PFAL
&everDeutschlandPFAL
Future cropsNiederlandePFAL
Grönska StadsodlingSchwedenPFAL, In-Store-Farms
Growing UndergroundUKPFAL
GrowxNiederlandePFAL
Growup Urban FarmUKPFAL
UrbanoasisSchwedenPFAL
Auswahl europäischen Firmen die im Vertical-Farming-Sektor tätig sind. (Stand: 28.03.2021)

Vertical Farm: Typen & Beispiele

Vertikale Farmen werden unterschiedlich typologisiert. Im Folgenden sind die wichtigsten Typen aufgeführt. Ihre Typologie ist dabei nicht immer trennscharf.

Plant factory with artificial lighting

PFAL meint „Plant factory with artificial lighting“ und wurde maßgeblich von Toyoki Kozai geprägt.14(vgl. Kozai et al. 2016) Hierbei handelt es sich um eine lagerhausähnliche Struktur mit künstlicher Beleuchtung. Häufig verfügen PFALs über eine Wärmeisolierung bis hin zu kontrollierten Umweltfaktoren (CEA).

Mit ca. 6500 m² Anbaufläche betreibt Aerofarms in Newark, New Jersey (USA) eine der größten PFAL weltweit. Die größte vertikale Farm in Europa wird seit 2018 von der Jones Food Company in North Lincolnshire (UK) betrieben. 17 Ebenen ergeben eine Anbaufläche von ca. 5120 m². Bei voller Produktivität soll die Farm mithilfe von Robotern jährlich 400 Tonnen Blattgemüse produzieren.15Butturini und Marcelis 2020

vertikale Farm der Jones Food Company
© Jones Food Company

Controlled Environment Agriculture

Controlled Environment Agriculture (CEA) meint die Kultivierung von Pflanzen unter Kontrolle aller Umweltfaktoren. Unter anderem werden Licht, Temperatur, Luftfeuchtigkeit und CO2 automatisch gesteuert und angepasst.16Gómez et al. 2019 Das Resultat sind optimale Wachstumsbedingungen, eine hohe Produktionseffizienz und eine hohe Pflanzenqualität sowie die ganzjährige Nahrungsmittelproduktion.

Gewächshaus

Neben PFALs bzw. Farmen mit kontrollierten Umweltfaktoren (CEA) werden auch Gewächshäuser für die vertikale Kultivierung genutzt. Künstliches Licht als Kostenfaktor entfällt, jedoch erhalten tiefliegende Pflanzenbestände kaum Licht. Das Unternehmen Sky Greens in Singapur löst das Problem durch vertikal rotierende Ebenen.

Container-Farm

Für Container-Farmen werden Schiffscontainer genutzt und mit vertikalen Systemen ausgestattet. Die Farmen sind mobil und verfügen häufig über Controlled-Environment-Agriculture-Technik. Das Start-up Agricool mit Sitz in Paris (Frankreich) wurde 2015 gegründet und entwickelt Containerfarmen die über vertikale aeroponische Systeme Erdbeeren, Kräuter und Blattgemüse produzieren.

vertikal Farming Container-Farm

In-Store-Farm

Bei In-Store-Farms handelt es sich um vertikale Produktionseinheiten am „Ort des Konsums“. Sie verfügen über künstliche Beleuchtung. Blattgemüse und Kräuter werden vor Ort in Restaurants oder Supermärkten produziert. Ein bekanntestes Beispiel ist die Firma „Infarm“ aus Berlin. Sie haben bereits in Supermärkten von Rewe, Edeka und der Metro AG ihre gläsernen Schränke aufgestellt.

infarm_in-store-farm
© Uwe Eichhorn – infarm

Appliance-Farm/Smart Garden

Eine Appliance-Farm bzw. ein Smart-Indoor-Garden ist ein Plug-and-Play-System für den Endverbraucher – ein häufig als smart bezeichneter vertikaler Indoor-Garten. Die Zielgruppe solcher Systeme sind Haushalte und Büros. Mit wenig Aufwand kann der Endverbraucher zu Hause Kräuter, Blattgemüse und kleines Fruchtgemüse hydroponisch kultivieren und ernten.

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Vertical Farming Systeme

Kommerzielle Farming-Systeme für den vertikalen Anbau von Nutzpflanzen sind zahlreich. Das System beschreibt die Anordnung der Pflanze innerhalb einer vertikal angeordneten Infrastruktur. Die wichtigsten System-Typen können in zwei Kategorien unterteilt werden: Vertikale Systeme die ausschließlich künstliches Licht nutzen (PFAL) und Systeme, die (zusätzlich) das Sonnenlicht nutzen (Gewächshaus und Outdoor).17Beacham et al. 2019

Systeme von vertikal Farming bzw. der vertikalen Landwirtschaft

In einer Pflanzenfabrik mit künstlichem Licht (PFAL) können Pflanzenlampen an den System-Typ angepasst werden. Häufig werden regalartige Systeme verwendet, in denen die Systeme übereinander gestapelt werden. Jede Ebene wird künstlich beleuchtet. Ebenfalls kann vertikal auf unterschiedlichen Etagen angebaut werden. Die Etagen sind räumlich getrennt. Daraus ergeben sich zwar phytosanitäre Vorteile, jedoch auch höhere Kosten sowie eine geringere Platzersparnis. Vertikale Wand- und Röhrensysteme werden ebenfalls eingesetzt und finden häufig in Container-Farmen Anwendung.

vertikale Farm im Gewächshaus

Vertikale Systeme im Gewächshaus umfassen vor allem Säulen- und pyramidenartige Systeme. Diese Anordnungen ermöglichen eine relativ gleichmäßige Exposition der Pflanzen zum Licht. Zusätzlich zum Sonnenlicht wird häufig Assimilationslicht verwendet. In warmen Klimaten werden diese Systeme auch Outdoor betrieben. Des Weiteren betreibt z. B. Sky Greens in Singapur ein System, welches aus rotierenden Anbauflächen besteht. Die Etagen rotieren mit 1 mm/s und ermöglichen somit eine gleichmäßige Sonneneinstrahlung aller Anbauflächen.

Vertical Farming System mit Erdbeeren

Sind Pflanzen aus vertikaler Landwirtschaft Bio?

Eine häufig gestellte Frage ist die Frage nach der Bio-Zertifizierung der in vertikalen Farmen produzierten Lebensmittel. Erzeugnisse aus vertikalen Farmen dürfen nicht als „BIO“ gekennzeichnet werden. Die Bio-Zertifizierung erfordert eine bodenbezogene Produktion. Das bedeutet jedoch nicht, dass Obst und Gemüse aus vertikalen Farmen geringe Qualitäten aufweisen.18landwirtschaft.de


Quellen und weiterführende Literatur
Arnie Cooper (2009): GOING UP? VERTICAL FARMING IN HIGH-RISES RAISES HOPES. Hg. v. Pacific Standard. Online verfügbar unter https://psmag.com/environment/farming-in-high-rises-raises-hopes-3705, zuletzt geprüft am 18.03.2021.

Barbosa, Guilherme Lages; Gadelha, Francisca Daiane Almeida; Kublik, Natalya; Proctor, Alan; Reichelm, Lucas; Weissinger, Emily et al. (2015): Comparison of Land, Water, and Energy Requirements of Lettuce Grown Using Hydroponic vs. Conventional Agricultural Methods. In: International journal of environmental research and public health 12 (6), S. 6879–6891. DOI: 10.3390/ijerph120606879.

Beacham, Andrew M.; Vickers, Laura H.; Monaghan, James M. (2019): Vertical farming: a summary of approaches to growing skywards. In: The Journal of Horticultural Science and Biotechnology 94 (3), S. 277–283. DOI: 10.1080/14620316.2019.1574214.

Benke, Kurt; Tomkins, Bruce (2017): Future food-production systems: vertical farming and controlled-environment agriculture. In: Sustainability: Science, Practice and Policy 13 (1), S. 13–26. DOI: 10.1080/15487733.2017.1394054.

Butturini, Michele; Marcelis, Leo F.M. (2020): Vertical farming in Europe. In: Toyoki Kozai, Genhua Niu und Michiko Takagaki (Hg.): Plant factory. An indoor vertical farming system for efficient quality food production. Second edition. Amsterdam: Academic Press, S. 77–91.

Cambridge Dictionary: farm. Online verfügbar unter https://dictionary.cambridge.org/de/worterbuch/englisch/farm, zuletzt geprüft am 18.03.2021.

Cambridge Dictionary: farming. Online verfügbar unter https://dictionary.cambridge.org/de/worterbuch/englisch/farming, zuletzt geprüft am 18.03.2021.

Columbia Public Health: Dickson Despommier. Online verfügbar unter https://www.publichealth.columbia.edu/people/our-faculty/ddd1, zuletzt geprüft am 18.03.2021.

Despommier, Dickson (2010): The vertical farm: the world grows up. Feeding the world in the 21st century. New York: H.B. Fenn and Co.

Duden: Farm. Online verfügbar unter https://www.duden.de/rechtschreibung/Farm, zuletzt geprüft am 18.03.2021.

Gómez, Celina; Currey, Christopher J.; Dickson, Ryan W.; Kim, Hye-Ji; Hernández, Ricardo; Sabeh, Nadia C. et al. (2019): Controlled Environment Food Production for Urban Agriculture. In: HortScience: a publication of the American Society for Horticultural Science 54 (9), S. 1448–1458. DOI: 10.21273/HORTSCI14073-19.

Jeff Birkby (2016): Vertical farming (ATTRA Sustainable Agriculture). Online Verfügbar unter https://attra.ncat.org/product/vertical-farming/

Kozai, Toyoki; Niu, Genhua; Takagaki, Michiko (Hg.) (2016): Plant factory. An indoor vertical farming system for efficient quality food production. Amsterdam: Academic Press.

Preis zuletzt aktualisiert am 6.04.2021

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