Indoor Farming steht vor einem Effizienzschub durch KI-Integrationen

Indoor Farming, auch bekannt als kontrollierte Umweltlandwirtschaft, ist genau das, was der Name suggeriert — die Praxis, Pflanzen in einer kontrollierten Umgebung, meist drinnen, anzubauen. 

Die globale Indoor Farming wird derzeit mit 40,51 Mrd. $ bewertet, laut einem Bericht von Fact.MR, und soll in den nächsten zehn Jahren 118 Mrd. $ übersteigen.

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

“Es ist vieles der gleichen Technologien, die man in einem Gebäude für menschlichen Komfort sehen würde, aber sie werden für Pflanzen eingesetzt.”

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

Aufgrund der steigenden Nachfrage nach frischen Lebensmitteln mit hohem Nährwert, den Bemühungen, die Auswirkungen des Klimawandels zu mildern, und dem Bedarf an höheren ganzjährigen Erträgen bei begrenztem Raum und Wasser, wächst das Interesse an der Kultivierung von Pflanzen in geschlossenen Räumen.

Indoor Farming bietet schließlich eine wirtschaftliche, ressourceneffiziente und umweltverträgliche Methode zur Lebensmittelproduktion.

Zusätzlich ermöglicht es eine präzise Kontrolle über Umweltfaktoren wie Luftfeuchtigkeit, Licht, Temperatur und Nährstoffgehalte, um die Produktivität zu steigern und Herausforderungen der traditionellen Landwirtschaft zu begegnen.

Einige der beliebten Methoden in der Indoor‑Landwirtschaft umfassen hydroponics, aeroponics und aquaponics, die die Grenzen dessen erweitert haben, was indoor angebaut werden kann. Darüber hinaus helfen die Integration von LED‑Beleuchtung, das Internet der Dinge und künstliche Intelligenz, den Sektor voranzubringen. 

Zum Beispiel kontrolliert das vertikale Hydroponik‑Gewächshausunternehmen Eden Green Technology in Texas und den USA jeden Aspekt des Pflanzenlebens in seiner 82.500 Quadratfuß großen Anlage, wo sieben Meilen Rohrleitungen nährstoffreiches Wasser liefern und kühle Luft gepumpt wird, um das ideale Mikroklima für Salat zu schaffen, der dann an Walmart verkauft wird. Die Anlage nutzt LED‑Lichter, die mit programmierten Algorithmen die richtige Lichtmenge bereitstellen, zusätzlich zu natürlichem Licht, was sie „ziemlich agnostisch gegenüber der Außenumgebung“ macht.

Der Einsatz von Technologie in der Landwirtschaft nimmt zu, dank ihrer Fähigkeit, Kosten zu senken, die Ernteproduktion zu steigern und die Effizienz zu verbessern. 

Der Einsatz von Big Data, IoT, Robotics und KI ist besonders vorteilhaft bei der Automatisierung landwirtschaftlicher Abläufe. Während GPS und Sensoren einen datengetriebenen Ansatz zur Optimierung der Ernteproduktion nutzen, helfen Drohnen bei der Feldinspektion und der Überwachung von Pflanzenwachstum und Vieh.

Einsatz von KI zur Reduzierung des Energieverbrauchs in der Indoor Farming

Indoor Farming ist die neue Art der Landwirtschaft, die durch den Einsatz von Technologie verbessert wird. Allerdings benötigen Pflanzenfabriken mit künstlicher Beleuchtung (PFALs), obwohl sie die Lebensmittelproduktion pro Flächeneinheit steigern können, Ressourcen wie Kohlendioxid und Energie, um optimale Wachstumsbedingungen aufrechtzuerhalten. 

Eine neue Studie nutzte daher die neue Technologie KI, um den Energieverbrauch der Indoor Farming um bis zu 25 % zu senken.

Die Integration von KI in Pflanzenfabriken kann helfen, Licht- und Klimasysteme zu regulieren, wodurch der Energieverbrauch in den Fabriken erheblich reduziert und wertvolle Ressourcen gespart werden, während die Effizienz gesteigert wird.

Diese Pflanzenfabriken sind große Indoor‑Farmen, die mit vollständiger Klima- und Lichtsteuerung ausgestattet sind. Laut Benjamin Decardi‑Nelson, Post‑Doc‑Fellow im Labor von Fengqi You im Bereich Energy Systems Engineering an der Cornell Engineering, könnte der weltweite Einsatz von KI in diesen Anlagen helfen, „die Photosynthese, Transpiration und Atmung der Pflanzen in diesen Gebäuden zu erleichtern.“

Dies ist ein großer Durchbruch und kann potenziell dazu beitragen, die wachsende Nahrungsmittelnachfrage der Welt zu decken, da die Bevölkerung steigt. Die Weltbevölkerung liegt derzeit bei 8,2 Milliarden und laut UN‑Prognosen wird sie bis 2050 9,7 Milliarden und bis 2100 11,2 Milliarden erreichen.

Kombiniert mit Urbanisierung und Klimawandel besteht die Notwendigkeit, die aktuellen Lebensmittelsysteme effizienter zu gestalten, damit sie die steigende Nachfrage decken können. Daher liegt der Fokus auf Indoor Farming, das Technologie nutzt, um kontrollierte Umgebungen zu schaffen. Dies macht sie weniger anfällig für den Klimawandel und andere Faktoren, die die traditionelle Landwirtschaft beeinflussen.

Indoor Farming ist jedoch nicht ohne Herausforderungen. Laut You sind die aktuellen Umweltsteuersysteme einfach „nicht intelligent genug“. Sie sind energieintensiv und erfordern ein sorgfältiges Ressourcenmanagement, um nachhaltig zu sein. 

Eine Lösung ist Belüftung, aber während sie den Energieverbrauch senken kann, beeinflusst sie den Kohlendioxidgehalt und das Feuchtigkeitsgleichgewicht, was das Pflanzenwachstum verkompliziert. Hier kann KI enorm helfen, indem sie mehrere Komplexitäten verwaltet.

Künstliche Intelligenz wird bereits stark im Sektor eingesetzt, von der Vorhersage von Erträgen basierend auf Satellitendaten, der Analyse verschiedener Daten (Feldfotos und Satelliten, Wetter und Bodenfeuchte) zur Identifizierung von Pflanzenproblemen, bis hin zur Vorhersage von Krankheitsmustern durch Analyse von Pflanzen und anschließender Empfehlung von Behandlungen sowie der Reduzierung des Pestizideinsatzes, indem nur betroffene Bereiche identifiziert werden. KI hilft Landwirten zudem, den Ressourceneinsatz zu optimieren und Erntepreise zu verhandeln, indem Ertragsraten und Qualitätsniveaus bewertet werden.

Die neueste Studie nutzte hingegen KI, um den Energieverbrauch in der Indoor Farming zu reduzieren. Laut Decardi‑Nelson kann die Rationalisierung von Abläufen mittels KI, um den Energieverbrauch zu senken, Indoor‑Farmen sogar in Regionen rentabel machen, die nur begrenzte Möglichkeiten zur Energieeinsparung bieten. Er fügte hinzu:

“Durch die strategische Abstimmung der Technologie des Umweltsteuersystems mit der Pflanzenbiologie kann Energie durch Belüftung eingespart werden, während Kohlendioxidverschwendung minimiert und ideale Wachstumsbedingungen aufrechterhalten werden.”

Ein intelligentes System für nachhaltige Lebensmittelproduktion

Veröffentlicht in Nature am 9. Sep. nutzte die Studie Deep Reinforcement Learning und computergestützte Modellierung, um Pflanzen‑Umwelt‑Interaktionen zu untersuchen.

Die Forscher der Cornell University nutzten KI‑Techniken, um Salat zu bewerten, der in Indoor‑Landwirtschaftsanlagen an zehn verschiedenen globalen Standorten mit unterschiedlichen Klimazonen 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 gleichzeitig eine nachhaltige Lebensmittelproduktion unterstützt. Die KI erreichte Energieeinsparungen, indem sie Beleuchtungs‑ und Klimaregelungssysteme optimierte, was den Energieverbrauch reduzierte.

In Regionen mit kühleren Klimaten, die derzeit nicht‑KI‑Technologie einsetzen, reduziert die Einführung von KI den Energiebedarf zur Produktion von einem Kilogramm Salat indoor um 32,42 %. Konkret sinkt der Energieverbrauch von 9,5 kWh auf 6,42 kWh pro Kilogramm Frischgewicht.

In wärmeren Klimaten, wie Dubai oder dem südlichen Teil der USA, senkte KI den Energieverbrauch um 22,28 %, 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 Belüftung. Allerdings wirken sich durch Belüftung erzielte Energieeinsparungen negativ auf andere Ressourcen wie CO₂ aus. Die Außentemperaturfeuchtigkeit zeigte hingegen kein klares Muster oder Einfluss auf den Energieverbrauch. 

Die Studie ergab, dass eine hohe Belüftung während der Dunkelperiode, also acht Stunden Nachtsimulation, und eine niedrige Belüftung während der Lichtperiode, also sechzehn Stunden Tagsimulation, eine energieeffiziente Lösung für optimale CO₂‑Werte indoor für Photosynthese, Sauerstoff für Atmung und Pflanzenwachstum sowie ein ausgewogenes Belüftungsmanagement bietet.

“Dies ist ein sehr ähnliches Konzept wie Smart Homes.”

– You, Mitdirektor des Cornell University AI for Science Institute und Mitdirektor des Cornell Institute for Digital Agriculture

Ähnlich wie wir zu Hause komfortabel sein wollen und dabei den Energieverbrauch senken, gilt das auch für Pflanzen, erklärte er und betonte, dass KI dabei sehr gut hilft. Durch den Einsatz von KI zur Optimierung künstlicher Beleuchtung und anderer Energiesysteme können wir Kosten sparen.

“Diese Arbeit konzentriert sich auf ein intelligentes System, um die Lebensmittelproduktion optimal, nachhaltig und mit geringerem CO₂‑Fußabdruck zu gestalten.”

– You

Das Gleichgewicht zwischen Energieverbrauch und Nachhaltigkeit ist entscheidend für die Rentabilität

Die Reduzierung des Energieverbrauchs ist einer der kritischsten Aspekte für erfolgreiches Indoor Farming. Da es mehr Energie als traditionelle Gewächshäuser verbraucht, stellt es eine große Kostenquelle dar, wobei die Beleuchtung den Großteil des Energieverbrauchs ausmacht.

Hohe Kosten können die Rentabilität dieses Vorhabens gefährden, wodurch die Nachhaltigkeit und Lebensfähigkeit des vertikalen Farmings extrem schwierig werden. Zudem werden steigende Kosten oft an die Verbraucher weitergegeben, sodass die Reduzierung des Energieverbrauchs und damit der Kosten helfen kann, die finanzielle Belastung zu mindern.

Vor diesem Hintergrund wird weltweit intensiv an Forschung und Entwicklung im Bereich Indoor Farming gearbeitet, um diese Kosten zu senken und nachhaltige Methoden zu finden, damit die Herausforderungen der Lebensmittelproduktion effektiv angegangen werden können.

Im letzten Monat entwickelten Forscher der Ben‑Gurion‑Universität des Negev ein geschlossenes Kreislaufsystem, um mehr Fisch und Gemüse zu produzieren und dabei weniger Energie zu verbrauchen. Im Rahmen der Forschung zu Aquaponik‑Systemen bildete dieses neue System eine nahezu abfallfreie Einheit, indem es den festen Fischabfall mittels anaerober Vergärung behandelte und Energie sowie Nährstoffe zurück in das System führte.

Unter der Leitung von Prof. Amit Gross, Direktor des Zuckerberg Institute for Water Research, zeigte das System eine 1,6‑fache Pflanzenproduktivität, einen 2,1‑fach geringeren Wasserverbrauch und einen 16 % geringeren Energieverbrauch pro Kilogramm Futtermittel im Vergleich zu herkömmlichen Systemen.

Der Besitz von einer Tonne Fisch, einer hochwertigen Proteinquelle mit deutlich kleinerem CO₂‑Fußabdruck, kann das System laut Studie sogar ohne externe Energie betreiben. Darüber hinaus hat das System dank nahezu keiner Abfallproduktion und signifikanter Kohlenstoffbindung das Potenzial, eine nachhaltige eigenständige Einheit zu sein.

“Die Ernährung von mehr als 8 Milliarden Menschen auf dem Planeten bei gleichzeitiger Reduzierung der Treibhausgasemissionen erfordert innovative Technologien. Solche, die zwei Funktionen in einer kombinieren, sind offensichtlich vorzuziehen.”

– Prof. Gross

Eine separate Untersuchung aus dem Juli dieses Jahres senkte die Stromrechnung von Gewächshäusern um fast ein Viertel, indem das künstliche Beleuchtungsschema angepasst wurde.

In diesem einmonatigen Experiment von Skoltech-Forschern wurden verschiedene Salat‑ und Endivien‑Sorten (Chicorée) in zwei identischen Gewächshäusern getestet. Alle Bedingungen außer dem Beleuchtungsplan waren gleich. Während beide täglich 16 Stunden Licht erhielten, hatte eines dunkle Stunden, die über den Tag verteilt waren, basierend darauf, wann Strom am teuersten war, und es “beeinflusste das Pflanzenwachstum nicht messbar”.

Unternehmen, die die Weiterentwicklung von Indoor Farming vorantreiben

Werfen wir nun einen Blick auf einige Unternehmen, die die Grenzen der Agrartechnologie durch innovative Indoor‑Farming‑Lösungen verschieben.

#1. Village Farms International (VFF)

Dieses Unternehmen ist im Indoor Farming tätig, baut Produkte und Cannabis unter kontrollierten Bedingungen an. Das Unternehmen baut, vermarktet und vertreibt hochwertige, im Gewächshaus angebaute Früchte und Gemüse in Nordamerika über die hundertprozentige Tochtergesellschaft Village Farms Fresh.

Seit 1987 am Markt, verfügt Village Farms derzeit über 240 Acres Glasgewächshäuser in den USA und Kanada. In einem kürzlich geführten Interview sprach Präsident und CEO Mike DeGiglio über ihren technologischen Fokus auf Softwaredesign zur Steuerung des internen Gewächshausklimas. Der Großteil der Unternehmensmittel wird auch in die Schaffung eines Gewächshausklimas investiert, das unabhängig von den Außenbedingungen funktioniert.

Ein weiterer Fokus liegt auf Technologie im Energiebereich und der Ergänzung von Kohlendioxid. “Wenn wir die Energiekosten senken können, wären wir viel nachhaltiger,” sagte DeGiglio. Daher hat Village Farms in Zusammenarbeit mit FuelCell Energy, Quadrogen Power Systems und dem National Research Council of Canada ein Pilotprojekt für Brennstoffzellentechnologie für sein Gewächshaus in British Columbia aufgebaut.

Mit einer Marktkapitalisierung von 110,61 Millionen notieren sich VFF-Aktien derzeit bei 0,99 $, ein Anstieg von 30,09 % im Jahresverlauf. Das Unternehmen weist ein EPS (TTM) von -0,45 und ein KGV (TTM) von -2,18 auf. Für das 2. Quartal 2024 meldete das Unternehmen einen Jahreswachstum von 19 % beim konsolidierten Umsatz auf 92,1 Mio. $, wobei das Segment Frischeprodukte um 7 % und das kanadische Cannabissegment um 45 % zulegte, während das US‑Cannabissegment einen Rückgang verzeichnete.

Der Nettoverlust betrug 23,5 Mio. $, während das bereinigte EBITDA einen Verlust von 3,6 Mio. $ ausweist und der Cashflow im Quartal auf 5,7 Mio. $ verbesserte. In diesem Jahr hat das Unternehmen zudem ein Angebot über 200 Mio. $ eingereicht, dessen Erlöse für Betriebskapital und allgemeine Unternehmenszwecke verwendet werden sollen.

#2. Hydrofarm Holdings Group (HYFM) 

Hydrofarm ist ein Anbieter von Ausrüstung und Zubehör für kontrollierte Umweltlandwirtschaft (CEA) für Hydroponik und Indoor Farming. Dazu gehören Nährstoffe, Beleuchtung, Pläne zur Optimierung oder Skalierung Ihres kommerziellen Betriebs und mehr.

Mit einer Marktkapitalisierung von 31,26 Millionen notieren sich HYFM-Aktien derzeit bei 0,68 $, ein Rückgang von 25,89 % im Jahresverlauf. Das Unternehmen weist ein EPS (TTM) von -1,55 und ein KGV (TTM) von -0,44 auf. Für das 2. Quartal 2024 meldete das Unternehmen einen Rückgang des Nettoumsatzes um 13,1 % auf 54,8 Mio. $. Damit stieg der Nettoverlust auf 23,5 Mio. $, während der Bruttogewinn 10,9 Mio. $ und das bereinigte EBITDA 1,7 Mio. $ betrug.

“Im zweiten Quartal haben wir zum vierten Mal in den letzten fünf Quartalen ein positives bereinigtes EBITDA erzielt, was die Wirksamkeit unseres Restrukturierungsplans und der damit verbundenen Kosteneinsparungsmaßnahmen belegt.”

– Bill Toler, Vorsitzender und CEO

Hydrofarm arbeitet derzeit daran, Kosteneinsparungen durch verbesserte Auslastung und Produktivität an seinen Standorten zu erzielen, während das Unternehmen weiterhin von seinen Wachstumsmöglichkeiten überzeugt ist. Hydrofarm verfügte am Quartalsende über 30,3 Mio. $ in bar und behielt eine Kreditlinie von 20 Mio. $ bei.

Fazit

Heute leben wir in einer Welt, die mit einer schnell wachsenden Bevölkerung, Urbanisierung, Klimawandel, Bodendegradation und dem weit verbreiteten Einsatz von Pestiziden und Düngemitteln konfrontiert ist, während die Verbrauchernachfrage nach nährstoffreichen Lebensmitteln mit minimalen Umweltauswirkungen steigt. 

Deshalb gewinnt Indoor Farming immer mehr an Beliebtheit. Es ist nicht nur für städtische Umgebungen gut geeignet, sondern verbraucht auch weniger Wasser, weist weniger berufsbedingte Gefahren auf und reduziert die Umweltbelastung.

Durch den Einsatz von Technologie zur Schaffung kontrollierter Umgebungen hilft Indoor Farming, die wachsende Nachfrage nach frischen, lokal angebauten und nährstoffreichen Lebensmitteln zu decken und gleichzeitig Nachhaltigkeitsfragen zu adressieren.

Klicken Sie hier für die Liste der Top‑10-Unternehmen der Indoor‑Landwirtschaft.