KI steigert die Energieeffizienz der Lebensmittelproduktion in Innenräumen

Ingenieure der Cornell University haben herausgefunden, dass die Einbindung künstlicher Intelligenz in moderne Umweltkontrollsysteme den Energieverbrauch in der Indoor-Landwirtschaft um 25 % senken und so möglicherweise dazu beitragen könnte, die Weltbevölkerung trotz ihres steigenden Bevölkerungswachstums zu ernähren.

„Wenn wir KI in landwirtschaftliche Pflanzenfabriken – große Indoor-Farmen mit vollständiger Beleuchtungs- und Klimakontrolle – auf der ganzen Welt integrieren, können wir die Photosynthese, Transpiration und Atmung der Pflanzen in diesen Gebäuden erleichtern“, sagte Benjamin Decardi-Nelson, Postdoktorand im Labor von Fengqi You, dem Roxanne E. und Michael J. Zak Professor für Energiesystemtechnik an der Cornell Engineering. „Wir können mit einer erheblichen Energieeinsparung bei gleichzeitiger Steigerung der Effizienz und einer Einsparung wertvoller Ressourcen rechnen.“

Ihre Forschung „Künstliche Intelligenz kann Licht- und Klimasysteme regulieren, um den Energieverbrauch in Pflanzenfabriken zu senken und eine nachhaltige Lebensmittelproduktion zu unterstützen“, erscheint In Naturkost.

Laut den Vereinten Nationen wird die Weltbevölkerung bis 2050 voraussichtlich auf 9,7 Milliarden Menschen anwachsen. Dieses Wachstum, verbunden mit Klimawandel und Urbanisierung, erfordere die Behebung der Mängel in den derzeitigen Nahrungsmittelproduktionssystemen der Welt, sagten die Forscher.

Indoor-Anbaumethoden wie Pflanzenfabriken mit künstlicher Beleuchtung sind weniger anfällig für den Klimawandel, sie sind jedoch energieintensiv und erfordern ein sorgfältiges Ressourcenmanagement, um nachhaltig zu sein.

„Bestehende Umweltkontrollsysteme sind nicht intelligent genug“, sagte You, Co-Direktor des Cornell Institute for Digital Agriculture und Co-Direktor des Cornell University AI for Science Institute.

Durch Belüftung lässt sich der Energieverbrauch senken, allerdings wird das Pflanzenwachstum durch die Auswirkungen auf Kohlendioxidgehalt und Feuchtigkeitshaushalt erschwert. KI-Tools können dabei helfen, diese Kriterien bei der Regulierung zu berücksichtigen.

„Künstliche Intelligenz bietet eine vielversprechende Lösung, indem sie mehrere Komplexitäten bewältigt“, sagte Decardi-Nelson.

Unter Verwendung von KI-Techniken wie Deep Reinforcement Learning und computergestützter Optimierung analysierten die Wissenschaftler Salat, der in Indoor-Landwirtschaftsanlagen an acht verschiedenen Standorten in den USA – Los Angeles, Chicago, Miami, Seattle, Milwaukee, Phoenix, Fargo (North Dakota) und Ithaca (New York) – sowie in Reykjavík (Island) und Dubai (Vereinigte Arabische Emirate) angebaut wurde.

KI senkt den Energieverbrauch durch die Optimierung von Beleuchtungs- und Klimaregelungssystemen. An Orten, an denen keine KI-Technologie zum Einsatz kommt, sank der Energieverbrauch von 9,5 Kilowattstunden pro Kilogramm Frischgewicht auf 6,42 Kilowattstunden pro Kilogramm Frischgewicht (Energie, die für die Produktion von einem Kilogramm Salat im Innenanbau benötigt oder verbraucht wird). Die Forscher fanden heraus, dass KI in wärmeren Gegenden wie Dubai oder im Süden der USA den Energieverbrauch von 10,5 Kilowattstunden pro Kilogramm Frischgewicht auf 7,26 Kilowattstunden pro Kilogramm Frischgewicht senkte.

Eine geringe Belüftung während der Lichtperioden (16 Stunden simuliertes Sonnenlicht) und eine hohe Belüftung während der Dunkelperioden (acht Stunden, die die Nacht simulieren) boten eine energieeffiziente Lösung für optimale Kohlendioxidwerte im Innenbereich für die Photosynthese, Sauerstoff für die Atmung und das Pflanzenwachstum und einen Ausgleich anderer Belüftungsanforderungen.

„Das ist ein sehr ähnliches Konzept wie Smart Homes“, sagte You. „Wir wollen es zu Hause bequem haben und gleichzeitig den Energieverbrauch senken; das wollen auch die Pflanzen. Diese Arbeit konzentriert sich auf ein intelligentes System, um die Lebensmittelproduktion optimal und nachhaltig zu gestalten und den CO2-Fußabdruck zu verringern. Das ist es, was KI sehr gut kann. Wir können eine Menge sparen, wenn wir KI nutzen, um die künstliche Beleuchtung und andere Energiesysteme sorgfältig zu optimieren.“

Durch die Rationalisierung der Betriebsabläufe mithilfe künstlicher Intelligenz zur Reduzierung des Energieverbrauchs würden Indoor-Farmen selbst in Regionen mit begrenzten Energieeinsparmöglichkeiten rentabel, sagte Decardi-Nelson.

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