Forscher der Purdue University haben zwei einfache LED-Beleuchtungsstrategien entwickelt, um den Ertrag zu steigern und die Energiekosten für den vertikalen Landwirtschaftssektor der Indoor-Landwirtschaft zu senken.
Die von Ph.D. Die Kandidatin Fatemeh Sheibani und Professor Cary Mitchell, beide in der Abteilung für Gartenbau und Landschaftsarchitektur des Purdue College of Agriculture, nutzen die besonderen Eigenschaften der LED-Beleuchtung.
„Einer ist, dass sie an der emittierenden Oberfläche im Gegensatz zu anderen Beleuchtungsoptionen relativ kühl sind“, sagte Sheibani. Somit arbeitet das Beleuchtungssystem näher an Pflanzen, ohne sie zu versengen. LEDs sind im Gegensatz zu vielen energieintensiven, spannungsbetriebenen Lichtquellen auch strombetrieben.
Ihre Arbeit ist Teil eines Projekts namens OptimIA (Optimizing Indoor Agriculture). Das von der Michigan State University geleitete Projekt umfasst Mitarbeiter von Purdue, der University of Arizona und der Ohio State University.
In der vertikalen Landwirtschaft wachsen Produkte mit LEDs als einzige Lichtquelle.
„Es ist der am schnellsten wachsende Sektor der Controlled-Environment-AG“, sagte Mitchell. „Es gibt ständig neue Startups in urbanen und paraurbanen Gebieten und weltweit.“
Die Forschung der Purdue University konzentriert sich darauf, die beste Strategie für den Einsatz von LEDs in der vertikalen Landwirtschaft zu finden, um den Ernteertrag zu maximieren und die mit der Beleuchtung verbundenen Produktionskosten zu senken. Bildnachweis: Purdue Agricultural Communications
Angetrieben von einem enthusiastischen Investmentsektor sind die USA weltweit führend in der Branche. Aber die Arbeits- und Energiekosten, die zusammen etwa 60 % des Betriebs einer Indoor-Farm ausmachen, bedrohen die Zukunft der Startups. Inflation und steigende Energiekosten haben eine ohnehin anfällige Branche noch mehr ins Wanken gebracht. Die Anlaufkosten sind ebenfalls hoch, sowohl für Grundstücke in städtischen Gebieten als auch für die Installation von LED-Beleuchtungssystemen.
Aber Indoor-Farmen können den Energieverbrauch leicht senken und gleichzeitig ihren gewohnten Ertrag mit der Beleuchtungsstrategie mit geschlossenem Baldachin erzielen. Oder sie können den Ertrag steigern und gleichzeitig ihren bisherigen Energieverbrauch beibehalten. Indoor-Landwirte können die Spannung einer 1.000-Watt-Natriumdampf-Hochdrucklampe mit einem Regelwiderstand dimmen, aber das wandelt die Energie nur ohne Einsparungen in Wärme um.
„Es ist verborgene Energie“, sagte Mitchell. Aber mit den LEDs kann der Stromfluss reduziert werden und die Lichtleistung wird proportional reduziert.
Die Beleuchtung mit geschlossenem Baldachin funktioniert, weil LEDs wie die Sonne in alle Richtungen strahlen. Bei Standard-Pflanzen/Licht-Trennabständen verfehlt ein erheblicher Lichtstrahl, der in weiten Winkeln über die Pflanzen strömt, diese vollständig. Aber mit reduzierten Abständen absorbieren die Pflanzen Licht, das sonst verschwendet würde.
Heutzutage können Indoor-Farmen den Verbrauchern kostengünstig nur Blattgemüse und Küchenkräuter anbieten. Ihr schnelles Wachstum ermöglicht das ganze Jahr über viele Anbauzyklen, im Gegensatz zu Produkten, die in Gärten oder auf Feldern angebaut werden.
Und sobald sie teure städtische Gebiete erreichen, könnten in Innenräumen hergestellte Salatkits und Blattgemüse für 16 oder 17 Dollar pro Pfund verkauft werden.
„Was sie Ihnen im Laden in einer Muschelschale oder als einzelne Pflanze verkaufen, ist nur ein Bruchteil eines Pfunds“, sagte Mitchell.
LEDs sind aufgrund ihrer relativen Energieeffizienz und langen Lebensdauer das Beleuchtungssystem der Wahl für die Indoor-Landwirtschaft, sagte Sheibani. Aber verbesserte LEDs haben auch eine hohe Photoneneffizienz, was bedeutet, dass elektrische Energie leichter in Licht umgewandelt wird, das Pflanzen effizient nutzen können.
Dennoch verringert eine ineffiziente Aufnahme von LED-Licht ihre Vorteile. Viele Indoor-Farmer glauben beispielsweise fälschlicherweise, dass sie ihre LEDs überall platzieren können. Aber Sheibani und Mitchell bemerkten sowohl in vertikalen Farmen als auch in kleineren Experimenten, dass das Licht nicht nur auf die Pflanzen, sondern auch auf die Wände und Gehwege fiel. Durch die Verringerung des Abstands zwischen dem LED-System und dem Blätterdach konnten die Forscher diese Lichtverschwendung reduzieren.
„Wir können die Photoneneinfangeffizienz der Überdachung verbessern, wie wir es nennen, solange wir LEDs richtig verwenden“, sagte Sheibani. „Die Canopy-Photoneneinfangeffizienz ist der Anteil der Photonen, die die Photosynthese-Maschinerie der Pflanzen erreichen.“
Sheibani misst die Verschwendung anhand des Verhältnisses von Pflanzenwachstum zum Stromverbrauch der LED. Die resultierende Energienutzungseffizienz vergleicht die Ausbeute an frischer oder trockener Biomasse in Gramm pro Kilowattstunde Energie, die vom LED-Beleuchtungssystem verbraucht wird.
„Je mehr Gramm frische oder trockene Biomasse pro Kilowattstunde produziert werden, desto besser“, sagte sie. Und beide von Purdue getesteten Szenarien ergaben, dass der engste Abstand die höchste Energienutzungseffizienz hatte.
Sheibani und Mitchell testen außerdem einen energiesparenden, fokussierten Beleuchtungsansatz, der auf einem maßgeschneiderten LED-System mit selektiver Steuerung beruht. Wie ergeht es kleinen, einzelnen, weit voneinander entfernten Pflanzen unter sich langsam ausbreitenden Lichtstrahlen, anstatt die ganze Zeit über vollständig bedeckt zu sein?
„Wenn die Sämlinge nach der Keimung auftauchen, stehen die sehr kleinen Pflanzen weit auseinander“, sagte Mitchell.
„Es dauert zwei Wochen, bis sie zusammengewachsen sind und ein Blätterdach aus Babygemüse schließen. Alles dazwischen ist bis dahin meist verschwendetes Licht.“
Das System von Sheibani und Mitchell minimiert diese Verschwendung. Wenn die Pflanzen noch klein sind, verwenden sie eine vollflächige LED-Beleuchtung ineffizient, sagte Sheibani. Aber auch in den frühen Wachstumsstadien lässt sich mit gezielter Beleuchtung Energie sparen.
„Wenn die Pflanzen dann so weit sind, dass sie Licht effizient nutzen können, können wir aufrüsten, um die optimale Menge bereitzustellen“, sagte sie.