Effizienzsteigerungen im Indoor-Farming durch KI-Integrationen

Indoor-Farming, auch als Landwirtschaft in kontrollierter Umgebung bekannt, ist genau das, was der Name vermuten lässt – der Anbau von Nutzpflanzen in einer kontrollierten Umgebung, normalerweise in Innenräumen. 

Der weltweite Indoor-Anbau wird derzeit auf 40.51 Milliarden Dollar geschätzt, laut einer Bericht von Fact.MRund wird im nächsten Jahrzehnt voraussichtlich die 118-Milliarden-Dollar-Marke übersteigen.

Bei dieser Art der Landwirtschaft werden künstliches Licht und Technologie eingesetzt, um die Wachstumsbedingungen zu optimieren und die Ernteerträge zu steigern.

„Es handelt sich um viele der gleichen Technologien, die man in Gebäuden für den menschlichen Komfort findet, die aber für Pflanzen eingesetzt werden.“

– Jennifer Amann vom American Council for an Energy-Efficient Economy

Aufgrund der gestiegenen Nachfrage nach frischen Lebensmitteln mit hohem Nährwert, der Bemühungen zur Milderung der Auswirkungen des Klimawandels und der Notwendigkeit, das ganze Jahr über höhere Erträge auf begrenztem Raum und mit begrenztem Wasser zu erzielen, besteht ein zunehmendes Interesse am Anbau von Nutzpflanzen in geschlossenen Räumen.

Schließlich bietet Indoor-Farming eine wirtschaftliche, ressourcenschonende und ökologisch nachhaltige Möglichkeit, Nahrungsmittel anzubauen.

Darüber hinaus lassen sich Umweltfaktoren wie Luftfeuchtigkeit, Licht, Temperatur und Nährstoffgehalt präzise kontrollieren, um die Produktivität zu steigern und die Herausforderungen der traditionellen Landwirtschaft zu bewältigen.

Zu den beliebtesten Methoden in der Indoor-Landwirtschaft gehören Hydrokultur, Aeroponikund Aquaponics, die die Grenzen dessen erweitert haben, was in Innenräumen angebaut werden kann. Darüber hinaus tragen die Integration von LED-Beleuchtung, das Internet der Dinge und künstliche Intelligenz dazu bei, den Sektor voranzubringen. 

In Texas und den USA beispielsweise steuert das Unternehmen Eden Green Technology, das vertikale Hydrokulturgewächshäuser herstellt, in seiner 82,500 Quadratmeter großen Anlage jeden Aspekt des Pflanzenlebens. Über elf Kilometer Rohrleitungen wird nährstoffreiches Wasser zugeführt und kühle Luft gepumpt, um das ideale Mikroklima für Salat zu schaffen, der dann an Walmart verkauft wird. Die Anlage nutzt LED-Leuchten, die mithilfe programmierter Algorithmen zusätzlich zum natürlichen Licht die richtige Lichtmenge liefern, wodurch sie „weitgehend unabhängig von der Außenumgebung“ ist.

Der Einsatz von Technologie in der Landwirtschaft nimmt zu, da sich mit ihrer Hilfe Kosten senken, die Ernteerträge steigern und die Effizienz verbessern lassen. 

Die Nutzung von Big Data, IoT, Robotik, und KI ist besonders nützlich bei der Automatisierung landwirtschaftlicher Abläufe. Während GPS und Sensoren einen datengesteuerten Ansatz zur Optimierung der Ernteproduktion verwenden, helfen Drohnen bei der Feldinspektion und der Überwachung des Pflanzenwachstums und des Viehbestands.

Mit KI den Energieverbrauch in der Indoor-Farm senken

Indoor-Farming ist die neue Art der Landwirtschaft, die durch den Einsatz von Technologie verbessert wird. Pflanzenfabriken mit künstlicher Beleuchtung (PFALs) können zwar die Nahrungsmittelproduktion pro Flächeneinheit steigern, benötigen jedoch Ressourcen wie Kohlendioxid und Energie, um optimale Bedingungen für das Pflanzenwachstum aufrechtzuerhalten. 

Eine neue Studie nutzte die neue Technologie KI, um den Energieverbrauch in der Indoor-Landwirtschaft um bis zu 25 % zu senken.

Der Einsatz von KI in Pflanzenfabriken kann dazu beitragen, Licht- und Klimasysteme zu regulieren, den Energieverbrauch in Fabriken deutlich zu senken und wertvolle Ressourcen zu sparen, während gleichzeitig die Effizienz gesteigert wird.

Diese Pflanzenfabriken sind große Indoor-Farmen, die mit vollständiger Klima- und Lichtsteuerung ausgestattet sind. Laut Benjamin Decardi-Nelson, einem Postdoc im Labor von Fengqi You in Energy Systems Engineering an der Cornell Engineering, kann der Einsatz von KI in diesen Pflanzen weltweit dazu beitragen, „die Photosynthese, Transpiration und Atmung der Pflanzen in diesen Gebäuden zu erleichtern“.

Dies ist eine enorme Leistung und kann möglicherweise dazu beitragen, den steigenden Nahrungsmittelbedarf der Welt zu decken, während die Bevölkerung wächst. Die Weltbevölkerung beträgt derzeit 8.2 Milliarden Menschen und wird nach Prognosen der Vereinten Nationen bis 9.7 auf 2050 Milliarden und bis 11.2 auf 2100 Milliarden anwachsen. 

In Kombination mit Urbanisierung und Klimawandel besteht die Notwendigkeit, die aktuellen Lebensmittelproduktionssysteme zu verbessern und effizienter zu gestalten, damit sie der steigenden Nachfrage gerecht werden können. Daher liegt der Schwerpunkt auf Indoor-Farming, das auf Technologie zur Schaffung kontrollierter Umgebungen setzt. Dieser macht sie weniger anfällig für den Klimawandel und andere Faktoren, die die traditionelle Landwirtschaft beeinträchtigen.

Doch auch Indoor-Farming bringt Herausforderungen mit sich. Laut You sind die aktuellen Umweltkontrollsysteme schlicht „nicht intelligent genug“. Sie sind energieintensiv und erfordern ein sorgfältiges Ressourcenmanagement, um nachhaltig zu sein. 

Eine Antwort ist Belüftung. Diese kann zwar den Energieverbrauch senken, beeinflusst aber den Kohlendioxidgehalt und den Feuchtigkeitshaushalt, was das Pflanzenwachstum erschwert. Hier kann KI eine enorme Hilfe sein, indem sie mehrere Komplexitäten bewältigt.

Künstliche Intelligenz wird in diesem Sektor bereits häufig eingesetzt, angefangen bei der Ertragsprognose auf Grundlage von Satellitendaten, der Analyse verschiedener Daten (Feldfotos und Satelliten, Wetter und Bodenfeuchtigkeit) bis hin zur Erkennung von Ernteproblemen und der Vorhersage von Krankheitsmustern durch die Analyse von Pflanzen und der anschließenden Empfehlung von Behandlungen, bis hin zur Reduzierung des Pestizideinsatzes durch die Anzeige nur betroffener Bereiche. Darüber hinaus hilft KI Landwirten, die Ressourcennutzung zu optimieren und Erntepreise auszuhandeln, indem sie Ertragsraten und Qualitätsniveaus bewertet.

In der jüngsten Studie wurde KI eingesetzt, um den Energieverbrauch in der Indoor-Landwirtschaft zu senken. Laut Decardi-Nelson kann die Rationalisierung der Betriebsabläufe mithilfe von KI zur Reduzierung des Energieverbrauchs Indoor-Farmen auch in Regionen rentabel machen, in denen es nur begrenzte Möglichkeiten zur Energieeinsparung gibt. Er fügte hinzu:

„Durch die strategische Abstimmung der Umweltkontrollsystemtechnologie mit der Pflanzenbiologie kann durch Belüftung Energie gespart werden, während gleichzeitig der Kohlendioxidausstoß minimiert und ideale Wachstumsbedingungen aufrechterhalten werden."

Ein intelligentes System für eine nachhaltige Lebensmittelproduktion

Veröffentlicht in Natur Am 9. September wurden in der Studie Deep Reinforcement Learning und computergestützte Modellierung eingesetzt, um die Wechselwirkungen zwischen Pflanze und Umwelt zu untersuchen.

Die Forscher der Cornell University nutzten KI-Techniken, um Salat zu bewerten, der in Indoor-Landwirtschaftsanlagen an zehn verschiedenen Standorten weltweit mit unterschiedlichem Klima angebaut wurde. Dazu gehörten acht Standorte in den USA, darunter Ithaca (New York), Fargo (North Dakota), Phoenix, Milwaukee, Seattle, Miami, Chicago und Los Angeles. Die anderen beiden waren Dubai, Vereinigte Arabische Emirate, und Reykjavík, Island.

Die Studie ergab, dass KI die Energieeinsparungen in PFALs erheblich steigern kann und auch die unterstützen eine nachhaltige Lebensmittelproduktion. Die KI erzielte Energieeinsparungen durch die Optimierung von Beleuchtungs- und Klimaregelungssystemen, was den Energieverbrauch senkte.

An Orten mit kühlerem Klima, an denen derzeit keine KI-Technologie zum Einsatz kommt, reduziert die Einführung von KI den Energiebedarf für die Produktion von einem Kilogramm Salat in Innenräumen um 32.42 %. Konkret sinkt der Energieverbrauch von 9.5 kWh auf 6.42 kWh pro Kilogramm Frischgewicht.

In wärmeren Klimazonen wie Dubai oder den Südstaaten der USA reduzierte KI den Energieverbrauch um 22.28 %, nämlich von 10.5 kWh auf 7.26 kWh pro Kilogramm Frischgewicht.

Laut der Studie begünstigen Außentemperaturen zwischen 0 und 25 Grad Celsius die Reduzierung des Energieverbrauchs durch Lüftung. Die lüftungsbedingte Energieeinsparung wirkt sich jedoch negativ auf die Nutzung anderer Ressourcen aus, beispielsweise auf den CO2-Ausstoß. Die Luftfeuchtigkeit im Freien hatte dagegen kein klares Muster oder Auswirkungen auf den Energieverbrauch. 

Die Studie ergab, dass eine hohe Belüftung während der Dunkelperioden (acht Stunden Nachtsimulation) und eine niedrige Belüftung während der Hellperioden (sechzehn Stunden Tag-/Sonnenscheinsimulation) eine energieeffiziente Lösung für optimale CO2-Werte in Innenräumen für die Photosynthese, Sauerstoff für die Atmung und das Pflanzenwachstum und einen Ausgleich anderer Belüftungsanforderungen darstellt.

„Das ist ein dem Smart Home sehr ähnliches Konzept."

– Sie, Co-Direktor des Cornell University AI for Science Institute und Co-Direktor des Cornell Institute for Digital Agriculture

So wie wir es zu Hause gemütlich haben und gleichzeitig den Energieverbrauch senken wollen, wollen auch Nutzpflanzen es, erklärte er und merkte an, dass KI dabei sehr hilfreich sei. Indem wir KI zur Optimierung der künstlichen Beleuchtung und anderer Energiesysteme einsetzen, können wir Kosten sparen.

„Der Schwerpunkt dieser Arbeit liegt auf einem intelligenten System, um die Lebensmittelproduktion zu optimieren, nachhaltig zu gestalten und den CO2-Fußabdruck zu verringern."

- Sie

Ein Gleichgewicht zwischen Energieverbrauch und Nachhaltigkeit ist der Schlüssel zur Rentabilität

Die Reduzierung des Energieverbrauchs ist einer der wichtigsten Aspekte für erfolgreiches Indoor-Farming. Da es mehr Energie verbraucht als herkömmliche Gewächshäuser, ist dies ein großer Kostenfaktor für Indoor-Farming, wobei die Beleuchtung hier den größten Teil des Energieverbrauchs ausmacht. 

Hohe Kosten können die Rentabilität dieses Vorhabens gefährden und die Nachhaltigkeit und Rentabilität des vertikalen Anbaus äußerst erschweren. Ganz zu schweigen davon, dass steigende Kosten in der Regel an die Verbraucher weitergegeben werden, sodass eine Reduzierung des Energieverbrauchs und damit der Kosten dazu beitragen kann, die finanzielle Belastung zu verringern. 

Vor diesem Hintergrund wird im Bereich der Indoor-Landwirtschaft kontinuierlich viel an Forschung und Entwicklung betrieben, um diese Kosten zu senken und nachhaltige Methoden zu finden, mit denen die Herausforderungen der Lebensmittelproduktion wirksam bewältigt werden können.

Letzten Monat haben Forscher der Ben-Gurion-Universität des Negev ein geschlossenes Kreislaufsystem entwickelt, um mehr Fisch und Gemüse zu produzieren und dabei weniger Energie zu verbrauchen. Im Rahmen der Forschung zu Aquaponiksystemen bildete dieses neue System eine nahezu abfallfreie Einheit, indem es den festen Fischabfall durch anaerobe Vergärung behandelte und Energie und Nährstoffe in das System zurückführte.

Unter der Leitung von Prof. Amit Gross, Direktor des Zuckerberg Institute for Water Research, zeigte das System eine 1.6-mal höhere Pflanzenproduktivität, einen 2.1-mal niedrigeren Wasserverbrauch und einen 16 % geringeren Energieverbrauch pro Kilogramm Futter als herkömmliche Systeme. 

Eine Tonne Fisch, eine hochwertige Proteinquelle mit einem weitaus geringeren CO2-Fußabdruck, kann laut einer Studie tatsächlich dazu führen, dass das System ohne externe Energie betrieben werden kann. Darüber hinaus hat dieses System das Potenzial, eine nachhaltige eigenständige Einheit zu sein, da es kaum Abfall produziert und viel CO2 bindet.

„Um die mehr als 8 Milliarden Menschen auf der Erde zu ernähren und gleichzeitig die Treibhausgasemissionen zu reduzieren, bedarf es innovativer Technologien. Vorzuziehen sind offensichtlich solche, die zwei Funktionen in einer vereinen."

– Prof. Gross

Eine separate Studie vom Juli dieses Jahres ergab, dass die Stromrechnung von Gewächshäusern durch Veränderungen am Zeitplan für die künstliche Beleuchtung um fast ein Viertel gesenkt werden konnte.

In diesem einmonatigen Experiment von Skoltech-Forschern wurden verschiedene Salat- und Endiviensorten (Chicorée) in zwei identischen Gewächshäusern getestet. Alle Bedingungen außer dem Beleuchtungsplan waren gleich. Während beide Gewächshäuser täglich 16 Stunden Licht erhielten, gab es nur in einem Gewächshaus über den Tag verteilte Dunkelstunden, je nachdem, wann der Strom am teuersten war, und dies „hatte keinen messbaren Einfluss auf das Pflanzenwachstum“.

Unternehmen, die sich für die Weiterentwicklung der Indoor-Landwirtschaft engagieren

Werfen wir nun einen Blick auf einige Unternehmen, die mit innovativen Indoor-Farming-Lösungen die Grenzen der Agrartechnologie erweitern.

# 1. Village Farms International (VFF)

Dieses Unternehmen beschäftigt sich mit Indoor-Landwirtschaft, dem Anbau von Obst und Gemüse sowie Cannabis unter kontrollierten Bedingungen. Das Unternehmen baut hochwertiges, im Gewächshaus angebautes Obst und Gemüse in Nordamerika an, vermarktet und vertreibt es über die hundertprozentige Tochtergesellschaft Village Farms Fresh.

Village Farms ist seit 1987 auf dem Markt und verfügt derzeit über 240 Hektar Glasgewächshäuser in den USA und Kanada. In einer kürzlich durchgeführten InterviewPräsident und CEO Mike DeGiglio sprach über ihren technologischen Fokus auf Softwaredesign zur Steuerung des Innenklimas des Gewächshauses. Der Großteil der Mittel des Unternehmens wird auch für die Schaffung eines Gewächshausklimas ausgegeben, das unabhängig von der Außenumgebung funktioniert. 

Der andere Schwerpunkt liegt auf der Technologie auf der Energieseite und der Ergänzung von Kohlendioxid. „Wenn wir die Energiekosten senken können, wären wir viel nachhaltiger," sagte DeGiglio. Daher hat Village Farms mit FuelCell Energy, Quadrogen Power Systems und dem National Research Council of Canada investiert, um ein Pilotprojekt für Brennstoffzellentechnologie für sein Gewächshaus in British Columbia aufzubauen. 

Mit einer Marktkapitalisierung von 110.61 Millionen werden VFF-Aktien derzeit zu 0.99 USD gehandelt, ein Plus von 30.09 % seit Jahresbeginn. Das EPS (TTM) beträgt -0.45 und das KGV (TTM) -2.18. Für das zweite Quartal 2 erwartet das Unternehmen berichtet ein Anstieg des konsolidierten Umsatzes um 19 % gegenüber dem Vorjahr auf 92.1 Mio. USD, wobei das Segment Frischprodukte einen Zuwachs von 7 % und das kanadische Cannabis-Segment von 45 % verzeichnete, während das US-Cannabis-Segment einen Rückgang verzeichnete.

Der Nettoverlust betrug 23.5 Mio. USD, während das bereinigte EBITDA einen Verlust von 3.6 Mio. USD auswies und der Cashflow sich im Quartal auf 5.7 Mio. USD verbesserte. In diesem Jahr reichte das Unternehmen außerdem ein Angebot über 200 Mio. USD ein, dessen Erlös als Betriebskapital und für allgemeine Unternehmenszwecke verwendet werden soll.

# 2. Hydrofarm Holdings Group (HYFM) 

Hydrofarm ist ein Lieferant von Geräten und Zubehör für die Landwirtschaft in kontrollierter Umgebung (CEA) für Hydrokultur und Indoor-Landwirtschaft. Dazu gehören Nährstoffe, Beleuchtung, Pläne zur Optimierung oder Skalierung Ihres kommerziellen Betriebs und mehr.

Mit einer Marktkapitalisierung von 31.26 Millionen werden HYFM-Aktien derzeit zu 0.68 USD gehandelt, was einem Rückgang von 25.89 % gegenüber dem Vorjahr entspricht. Das EPS (TTM) beträgt -1.55 und das KGV (TTM) -0.44. Für das zweite Quartal 2 prognostiziert das Unternehmen berichtet ein Rückgang des Nettoumsatzes um 13.1 % auf 54.8 Mio. USD. Damit stieg der Nettoverlust auf 23.5 Mio. USD, während der Bruttogewinn 10.9 Mio. USD und das bereinigte EBITDA 1.7 Mio. USD betrug.

„Im zweiten Quartal erzielten wir zum vierten Mal in den letzten fünf Quartalen ein positives bereinigtes EBITDA, was die Wirksamkeit unseres Umstrukturierungsplans und der damit verbundenen Kosteneinsparungsbemühungen verdeutlicht."

– Bill Toler, Vorsitzender und CEO

Hydrofarm arbeitet derzeit daran, durch eine verbesserte Auslastung und Produktivität seiner Anlagen Kosteneinsparungen zu erzielen, während das Unternehmen weiterhin von seinen Wachstumschancen überzeugt ist. Hydrofarm verfügte am Ende des Quartals über 30.3 Mio. USD in bar und verfügte über eine Kreditaufnahmekapazität von 20 Mio. USD. 

Fazit

Heute leben wir in einer Welt, die mit den Problemen einer schnell wachsenden Bevölkerung, Urbanisierung, Klimawandel, Bodenerosion und dem weitverbreiteten Einsatz von Pestiziden und Düngemitteln konfrontiert ist, während gleichzeitig die Nachfrage der Verbraucher nach nährstoffreichen Lebensmitteln mit minimalen Auswirkungen auf die Umwelt steigt. 

Aus diesem Grund erfreut sich Indoor-Farming zunehmender Beliebtheit. Es ist nicht nur gut für städtische Umgebungen geeignet, sondern verbraucht auch weniger Wasser, birgt weniger Berufsrisiken und reduziert die Umweltbelastung. Mit seinen vielen Vorteilen bietet Indoor-Farming eine vielversprechende Lösung für die Herausforderungen der modernen Landwirtschaft. 

Durch den Einsatz von Technologie zur Schaffung kontrollierter Umgebungen trägt die Indoor-Landwirtschaft dazu bei, die wachsende Nachfrage nach frischen, lokal angebauten und nahrhaften Lebensmitteln zu decken und gleichzeitig Nachhaltigkeitsbedenken Rechnung zu tragen.

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