Вертикалните ферми

Защо бъдещето на земеделието е вертикално?

Идеята за "вертикална ферма", при която растителната продукция се отглежда на нива, разположени едно над друго, не е нова. Самият термин е въведен през 1915г. и оттогава доразработването на идеята не е спирало. През 50-те години на миналия век, в малка датска ферма, започва реално отглеждане на кресон по начин, който да обедини земеделие и вертикална конструкция. Целта е масово производство, но при ограничен наличен терен. Днес терминът "вертикална ферма" е наситен с качествено ново съдържание. Подразбира се един нов, по-развит тип земеделие, при който продукцията се отглежда на закрито във вертикална градска среда, но тя е напълно контролирана и в нея са внедрени последните научни и технологични достижения. Концепцията се доразвива, продължават разнопосочните изследвания, търсят се възможности, отчитат се предимства и недостатъци. Сега ще навлезем по-детайлно в света на вертикалните ферми.

Текст: списание АгроБио Техника

Снимка: ZipGrow

Идеята за вертикално земеделие е един от отговорите, които светът се опитва да даде на очакваното нарастване на населението. От това произтича нуждата от несъразмерно увеличаване на земеделски площи, като същевременно глобалното затопляне води до загуби на обработваеми земи и проблеми с наличието на прясна вода. Традиционните методи за производство на селскостопански култури са усъвършенствани до краен предел. Вече се усеща, че производителността им е достигнала своите граници, а при голяма част от използваните земи почвата е напълно изтощена.

През 1999 г. се появява задълбочена теоретична разработка на американския професор Диксън Деспомие, целяща да промени начина на отглеждане на храна. Първоначално се говори за използване на плоските покриви в населените места, но постепенно се достига до идеята да се използват изоставени многоетажни сгради. Знанието как се отглеждат и поливат растения на закрито е налично, налични са и доста празни високи сгради в Манхатън, където се развива процесът. Изчисленията на проф. Деспомие и неговите студенти са показали, че с около 160 вертикални ферми цял Ню Йорк може да бъде изхранен, без да се държи сметка на сезонните промени.

Интересът към разработката е огромен и през 2010 г. няколко вертикални ферми са проектирани и изпълнени. Прототипите се появяват в Нидерландия, Южна Корея, Япония и Англия, след това - в САЩ. Успяват ли вертикалните ферми да използват по-ефективно намаляващите природни ресурси и да се съобразяват с негативните последици от климатичните промени? Има ли наистина вертикалната ферма нужния потенциал, за да реши всички тези проблеми?

Основни изисквания към една вертикална ферма

Ще подредим едно след друго изискванията, но ще помним, че за перфектно функциониращата вертикална система отделните характеристики трябва да са в пълен синхрон, който е резултат от огромни изследвания и проектиране. Започваме с площта. Веднага можем да заключим, че колкото повече нива има фермата, толкова по-малка част от земната повърхност е използвана. Това е фактор, който позволява тези ферми да се изграждат и в градски условия. Патентовани са различни механични схеми за вертикално земеделие и по-долу ще опишем една от тях.

Същевременно за отглеждане на продукцията трябва да е осигурено затворено пространство - то дава възможност за контрол на климатичните особености, за целогодишно отглеждане и елиминиране на вредителите. Ако се налага борба с вредителите, се търсят начини това да става без химикали. Дори, ако се използват такива, те се отлагат на ограничен участък. По-високата температура в затворения обем води до по-бърз растеж на растенията. Сега се питаме каква е разликата с една оранжерия? Отговорът е лесен - единствената прилика е използването на затворено пространство. Освен това оранжерията изисква голяма площ, тъй като растенията са разположени в една равнина; изгражда се предимно в селски или крайградски райони; разчита на слънчевата светлина. Вертикалната ферма също може да се конструира в остъклен обем и да използва слънчева светлина, но всъщност е предвидена предимно за изкуствено осветление. Това е и един от основните є разходи, но има публикувано сравнение за отглеждане на маруля в оранжерия и във вертикална ферма, което е в полза на фермата. Два са факторите, снижаващи себестойността на продукцията във фермата - увеличен добив на квадратен метър и централизирана дистрибуция, но за това ще говорим по-натам. Да се върнем на необходимостите - идва ред да посочим отоплението и климатизацията, а те са неразривно свързани с вентилацията.

Отглеждането на растения изисква и напояване. Част от търсенията са насочени към създаване и внедряване на нова хранителна среда за растенията. Учени и производители експериментират, и освен използването на почвени смески, се залага на две други технологии - хидропоника и аеропоника. Хидропониката позволява да получим реколта въз основа на разтвор на вода и минерални вещества, а аеропониката - с помощта на парообразна маса, богата на хранителни вещества. И двата метода изискват по-малко вода в сравнение с традиционно отглежданите култури, като намаляването може да достигне до 90%. Накрая ще отбележим и изискването за автоматизация на процеса. На пръв поглед може да изглежда несъществено, но за оптимални резултати при експлоатация на вертикална ферма е неизбежно. Ще подчертаем отново, че вертикалните ферми са резултат от общите усилия на наука и производство за нов подход към селското стопанство - пълна индустриализация, „фабрика“ за растения в контролирана среда. Ако се разработват и разпространяват такива устойчиви системи, те биха помогнали за справяне с глобалните проблеми: храна, околна среда, енергия, ресурси и здравето на хората.

Някои решения на основните изисквания

Площта, която заема системата, трябва да е възможно най-малка част от общата площ, на която се отглеждат растения. Едно от най-съвременните решения е изграждането на конструкция на няколко нива в затворено пространство. Използват се фабрично изготвени модули от алуминий с висока якост. Алуминият гарантира дълъг експлоатационен период. Модулите са така проектирани, че да е възможно серво-задвижването им по вградените улеи, а управлението им да е лесно. Нещо повече - използването на обработваемата площ се оптимизира до неподозирани показатели. В най-добрите вертикални ферми се постигат до 40% повече растения на единица производствена площ в сравнение с подобна традиционна градина на открито или дори оранжерия. Един използван принцип е FIFO - first-in, first-out. Макар и възникнал като счетоводен, този принцип, приложен към вертикалното земеделие, позволява плавен поток на културите при растежа. Идеята е първите засадени растения първи да бъдат прибрани. Така плътността на посевите се оптимизира и променя според цикъла на произвежданите растения.

Ще опишем една от патентованите вертикални системи за земеделие. Носещата рамка е от стомана и алуминий, под формата на буквата „А“. На нея са монтирани коритата, в които се намира хранителната среда, независимо дали това е почва или хидропонен разтвор и където се отглеждат растенията. Рамката може да бъде висока до 9 метра, с 38 различни нива на коритата. Благодарение на прецизната геометрия и хидравлика коритата се въртят около рамката, неизменно хоризонталните им нива се менят по височина, и така се гарантира, че растенията получават равномерна слънчева или изкуствена светлина, напояване, хранителни вещества. При тази система добивът от единица площ може да бъде до 10 пъти по-голям в сравнение с традиционното земеделие. Такава система може да бъде адаптирана и използвана за отглеждане на различни култури, при различни природни дадености, дори при налична първоначално необработваема почва. Да не се забравя едно основно изискване - затвореното пространство, в което да функционира фермата. Както казахме, това осигурява климатичен контрол, защитава културите от вредители и патогени, дава възможност на производствените съоръжения да бъдат разположени в гъсто населени градски райони, а оттам - директен достъп до огромна клиентска база.

Осветлението трябва да е енергоефективно. Един от вариантите е висяща LED осветителна система със специален оптичен дизайн, която осветява оптимално растенията отгоре и отдолу. Количеството и разпределението на светлината задължително се проектира според нуждите на конкретното растение. Ако помещението е остъклено, естествената слънчева светлина също се използва. Какъвто и да е случаят, въртенето на коритата, което описахме, се извършва чрез специална хидравлична система, задвижвана с вода, за да се пести енергия. Количеството електрическа енергия, захранващо една рамка, е колкото необходимото за една обикновена осветителна крушка, тъй като се използват инерцията на течащата вода и гравитацията при спускането на коритата. За да се намаляват енергийните разходи се внедряват иновации в областта на светодиодите, за по-малко потребление на енергия и иновации за използване на слънчева енергия, за по-голяма ефективност. Отоплението също изисква нов подход. Много на място се оказват системите за рекуперация на топлина, при които може да се спестят около 2/3 от енергията. Интегрираното осветление, охлаждането на LED-осветлението и рекуперираната топлина създават една изключително енергоефективна система.

Влажността на въздуха също се контролира непрестанно. За преобразуване на излишната влага се разработват устройства, които да я улавят при процеса на транспирация и чрез дехидратация да връщат получената вода за повторна употреба. Тази система е особено ефективна, когато е обвързана с автоматичен контрол и управление. Напояването се базира на стремежа да се пести прясната вода. Знаем, че само една малка част от водата, необходима за растежа и обмяната на вещества, се поема от корените на растението. При традиционното отглеждане по-голямата част се изпарява през листата, стъблата и цветовете в процес, наречен транспирация, и се губи навън с проветряването. При вертикалната ферма е възможно да се улови цялата влага от въздуха, след което да се използва отново за напояване. Процесът е непрекъснат и изключително благоприятен за опазване на най-ценния природен ресурс - водата. И напояването, и торенето се осъществяват предимно по метода на повърхностното напояване - ето защо е толкова важно улавянето на влагата, неоползотворена от растението, да се превърне отново във вода и да се употреби повторно. Излишната вода се връща в затворена система, обикновено с подземен резервоар, рециклира се и пак се използва. Ако растенията се отглеждат хидропонно, тогава голите корени на растенията се поставят в плитка струя вода, съдържаща разтворени в нея всички необходими за растежа хранителни вещества. Водният разтвор циркулира през водоплътни канали и снабдява корените с всичко, което им е нужно. Тази напоителна система е позната като NFT (Nutrient Film Technique). Тя включва цялото оборудване за подаване на вода и торове и трябва да е налице пълна автоматизация. Неизползваните количества разтвор се рециклират и подават отново към растенията. Ще подчертаем, че количествата СО2, които се подават непрестанно не се изпускат обратно в атмосферния въздух. Хранителната среда се доусъвършенства непрестанно. Има разработки, при които 100% от вложените хранителни вещества се усвояват от отглежданите растения.

Използват се органични торове, внедряват се и помощни системи за рециклиране на почвата и на хранителните отпадъци. При някои от системите за вертикално земеделие хранителната среда и напояването дори не могат да се разглеждат поотделно - до такава степен са взаимосвързани. С последните технологични иновации градът не само ще има налична екологична земеделска продукция, но и възможност за справяне с локални средства, без необходимост от вносни торове. Методи като хидропоника и аеропоника имат много икономически предимства, но вкусът на произведените храни не задоволява една голяма част от потребителите. Ето защо в най-добрите вертикални ферми културите се отглеждат в почва, без употреба на пестициди и химически торове.

Автоматизацията управлява елементите на затворената система така, че средата, в която са растенията, да е оптимална по време на всички етапи - засяване, покълване, растеж, прибиране на продукцията. Автоматизираните процеси трябва да гарантират сигурност и непрекъснатост на поддържания микроклимат, и да позволяват контролът и управлението да се извършват лесно. Има интелигентни системи за автоматизация, които събират данните по такъв начин, че те да бъдат анализирани и използвани от производителя за създаване на собствени рецепти за отглеждане на земеделски култури. Може би една от най-автоматизираните вертикални ферми в Европа е стопанството в Базел, което е осъществено на шест нива, използва най-новите постижения в областта на роботиката и през цялата година дава листни зеленчуци, билки и плодове.

Изкуственият интелект и роботиката могат да сведат до минимум човешкото участие. Изкуственият интелект се използва за наблюдение и систематизиране на операциите, а роботизираните компоненти изпълняват физически задачи. Това спестява средства на фермерите. Крайният резултат от дейността на едно съвременно стопанство за вертикално земеделие в контролирана затворена среда трябва да е производството на свежи, екологично чисти и вкусни зеленчуци, с минимален разход на обработваема земя, вода и енергия, със строг контрол на влаганите материали и с ниски въглеродни емисии.

Допълнителни предимства на вертикалната ферма

Едно голямо предимство е централизираното разпределение. Когато подобно съоръжение е разположено в градска среда, пътят от готовата продукция до крайния потребител е кратък, а пък броят крайни потребители е голям. Освен че клиентът ще получи възможно най-пресните зеленчуци, за които с удоволствие ще плати повече, транспортните разходи, а и разходите за осигуряване на подходяща температура по време на транспортирането, са сведени до минимум. Това означава, че и емисиите от СО2 намаляват.

Друго предимство на вертикалните ферми е потенциалът им за растеж. Има данни, че продажбите на продукцията им растат с 30% годишно. Това е лесно обяснимо - вертикалните ферми имат достъп до големите градски центрове за дистрибуция, и продукцията се реализира на пазара много бързо, като почти няма загуби. Налице е и естественото любопитство към новата технология, която дава вкусни и свежи продукти. Принос към бързия растеж има и по-големият добив на квадратен метър вертикална земеделска площ.

Целесъобразното разпределение на засадените култури и иновативнито хидравлично управление на нивата на фермата дават възможност за беритба и едновременно с това - за пакетиране на продукцията на място. Така разходите за двойно преминаване през ръцете на персонала, веднъж за бране и после - за пакетиране, се намаляват, а неизбежното разхищение на продуктите се свежда почти до нула. Всички ние се стремим към намаляване на хранителните отпадъци или поне за рециклирането им, за да имаме стратегия за справяне с уязвими места на продоволствената сигурност.

При положение, че вертикалното стопанство се намира в контролирана и защитена среда, то производството не изисква многобройна работна ръка. Автоматизацията гарантира непрекъснатост на процесите, почти без да се налага поддръжка. Използването на напълно цифровизирана регулируема осветителна система позволява на електрическата компания да създаде „виртуална електроцентрала“, която да резервира мощности и да гарантира стабилност на мрежата. Необходимите мощности са известни, изненади и отклонения няма, а преминаването от по-слаба светлина към по-интензивна съобразно растителните процеси изравнява натоварването и осигурява стабилността.

Заключения

Основната мисия на най-често срещаните разработки е да се ускори преминаването от разположените на терена земеделски стопанства към екологично вертикално земеделие, а това може да стане само чрез непрестанни научни изследвания, водещи до иновативни селскостопански и инженерни решения. Използването на напълно автоматизирани системи за отглеждане на растенията, както и контролът и управлението през телефон, вече стават неизбежни, макар че засега вариант има само за операционната система Android.

Един голям недостатък на вертикалната ферма е нуждата от значителен първоначален капитал, за да бъде стартирана. Не бива, с цел икономия, да се пренебрегват консултациите с доказалите се фирми в тази област. Точно те биха систематизирали наличните условия - градска или селска среда, топла или студена среда, почва или хидропоника, и биха препоръчали подходящо решение. Големите разходи за осветление и отопление не могат да повлияят на твърдото убеждение, че вертикалните ферми са едно неизбежно решение в бъдеще, затова се търси непрестанното понижаване на производствените разходи, ден след ден, процес след процеса, за всяко отделно растение.

Добивът на квадратен метър от една вертикална ферма е възможно най-големият в сравнение с всички други познати технологии за производство на растителни култури. Ако се позовем на данните за една от най-модерните системи за вертикално земеделие, разработена във Финландия, ще останем впечатлени. Добивът на култури е 2,5 пъти по-голям, потреблението на енергия е с 60% по-малко, а потреблението на прясна вода е с 95% по-малко. Сравненията са спрямо ферма с традиционно отглеждане. Ако се отчете цялата използвана площ, то се оказва, че добивите са десетократно по-високи.

Въпреки че вертикалните ферми имат повече експлоатационни разходи, крайният резултат е продукция с по-голям добив и по-ниска себестойност, особено при големи, автоматизирани производства, като сравненията са спрямо оранжерийно производство. Когато условията за отглеждане на растения са създадени изкуствено, контролират се непрестанно и се осъществява затворен цикъл на процесите, вертикалната ферма наистина би могла да бъде отговор на проблемите с изменението на климата, нарастващото замърсяване, липсата на плодородни почви и прясна вода. Там, където доскоро е било немислимо отглеждането на пресни зеленчуци, днес вертикалните ферми го правят възможно.