AI統合により室内農業の効率が向上する見込み

室内農業は、制御された環境農業とも呼ばれ、名前が示す通り、通常は屋内で作物を育てる実践です。

Fact.MRのレポートによると、現在の世界の室内農業市場は405.1億ドルと評価されており、今後10年で1,180億ドルを超えると予想されています。

このタイプの農業では、人工照明と技術が使用され、成長条件を最適化し、作物の収量を増やします。

「人間の快適さのための建物で見られるのと同じ技術が多く使われていますが、植物に活用されています。」

– アメリカエネルギー効率協議会（American Council for an Energy-Efficient Economy）のジェニファー・アマン

新鮮で栄養価の高い食品への需要増加、気候変動の影響緩和への取り組み、限られたスペースと水で通年の高収量が求められることから、閉鎖空間で作物を栽培する関心が高まっています。

結局のところ、室内農業は経済的で資源効率が高く、環境的に持続可能な食料生産方法を提供します。

さらに、湿度、光、温度、栄養レベルなどの環境要因を正確に制御でき、生産性を向上させ、従来の農業に関連する課題に対処できます。

室内農業で使用される一般的な方法にはハイドロポニックス、エアロポニックス、アクアポニックスがあり、これらは室内で栽培できる範囲を拡大しています。さらに、LED照明、モノのインターネット（IoT）、人工知能の統合がこの分野の進歩を支えています。

例えば、テキサス州と米国の垂直ハイドロポニック温室企業Eden Green Technologyは、82,500平方フィートの施設で植物のライフサイクル全てを管理しており、7マイルのパイプで栄養豊富な水を供給し、冷風を送ってレタスに最適な微気候を作り出しています。このレタスはWalmartに販売されています。同施設はLEDライトを使用し、プログラムされたアルゴリズムで適切な光量を提供し、自然光も併用して「外部環境にほとんど依存しない」状態を実現しています。

技術の導入により、コスト削減、作物生産量増加、効率向上が可能となり、農業におけるテクノロジーの利用は増加しています。

ビッグデータ、IoT、ロボティクス、そしてAIの活用は、農業作業の自動化に特に有益です。GPSやセンサーはデータ駆動型アプローチで作物生産を最適化し、ドローンは畑の検査や作物成長・家畜のモニタリングに役立ちます。

AIを活用した室内農業のエネルギー使用削減

そのため、新しい研究ではAIという新技術を利用して、室内農業のエネルギー消費を最大25％削減できることが示されました。

プラントファクトリーにAIを組み込むことで、照明と気候システムを調整し、工場のエネルギー使用量を大幅に削減し、貴重な資源を節約しながら効率を高めることができます。

これらのプラントファクトリーは、完全な気候と照明制御を備えた大型の室内農場です。Cornell Engineeringのエネルギーシステム工学ラボでFengqi You教授の研究室に所属するポストドクターのBenjamin Decardi-Nelson氏によれば、世界中のこれらのプラントがAIを活用すれば、「建物内で作物の光合成、蒸散、呼吸を促進できる」と述べています。

これは大きな成果であり、人口増加に伴う世界の食料需要に応える可能性があります。現在の世界人口は82億人で、国連の予測によれば2050年までに97億人、2100年までに112億人に達するとされています。

都市化と気候変動が進む中、現在の食料生産システムをより効率的にし、増大する需要に対応する必要があります。そのため、テクノロジーで制御された環境を作り出す室内農業に注目が集まっています。これにより、従来の農業が直面する気候変動やその他の要因に対する脆弱性が低減されます。

しかし、室内農業にも課題はあります。You氏によれば、現在の環境制御システムは「十分にスマートではない」だけでなく、エネルギー集約的であり、持続可能性のためには慎重な資源管理が必要です。

一つの解決策は換気ですが、エネルギー使用量を下げる一方で二酸化炭素濃度や湿度バランスに影響を与え、植物の成長を複雑にします。ここでAIは、複数の複雑さを管理することで大きな助けとなります。

人工知能はすでに、衛星データに基づく収量予測、フィールド写真や衛星画像、天候、土壌水分などのデータ分析による作物問題の特定、植物を分析して病害パターンを予測し治療を推奨すること、影響を受けた領域のみを指摘して農薬使用を削減することなど、さまざまな分野で活用されています。AIはさらに、収量率や品質レベルを評価して資源使用を最適化し、収穫価格交渉を支援します。

最新の研究では、AIを用いて室内農業のエネルギー使用を削減しました。Decardi-Nelson氏によれば、AIでオペレーションを効率化しエネルギー消費を削減すれば、エネルギー削減の余地が限られた地域でも室内農場の実現可能性が高まります。彼は次のように付け加えました：

「環境制御システム技術と植物生物学を戦略的に合わせることで、換気を利用しながら二酸化炭素の無駄を最小限に抑え、理想的な成長条件を維持しつつエネルギーを節約できる。」

食料生産を持続可能にするスマートシステム

2024年9月9日にNatureに掲載されたこの研究は、深層強化学習と計算モデリングを用いて植物と環境の相互作用を検証しました。

コーネル大学の研究者は、AI技術を用いて、米国内の8か所（ニューヨーク州イサカ、ノースダコタ州ファーゴ、フェニックス、ミルウォーキー、シアトル、マイアミ、シカゴ、ロサンゼルス）と、アラブ首長国連邦のドバイ、アイスランドのレイキャビクという、気候が異なる10か所の室内農業施設で栽培されたレタスを評価しました。

研究は、AIがPFALにおけるエネルギー節約を大幅に向上させ、持続可能な食料生産を支援できることを示しました。AIは照明と気候調整システムを最適化することでエネルギー使用量を削減しました。

現在、非AI技術を使用している寒冷地域では、AI導入により室内で1キログラムのレタスを生産するために必要なエネルギーが32.42％削減され、エネルギー消費は9.5kWhから6.42kWhへと低下しました。

暖かい気候、例えばドバイや米国南部では、AIによりエネルギー使用が22.28％削減され、10.5kWhから7.26kWhへと低下しました。

研究によれば、外気温が0〜25℃の範囲では換気によるエネルギー削減が有利です。ただし、換気によるエネルギー節約は二酸化炭素使用など他の資源利用に負の影響を与えます。一方、外部湿度はエネルギー使用に明確なパターンや影響を示しませんでした。

研究は、夜間シミュレーションの8時間は高換気、昼間シミュレーションの16時間は低換気とすることで、光合成に最適な室内CO2レベル、呼吸と植物成長に必要な酸素、そして他の換気要件のバランスを取るエネルギー効率の高い解決策が得られることを示しました。

「これはスマートホームに非常に似た概念です。」

– You氏、Cornell University AI for Science Institute 共同ディレクター、Cornell Institute for Digital Agriculture 共同ディレクター

自宅で快適さを保ちつつエネルギー使用を削減したいのと同様に、作物も同じことを望んでいるとYou氏は述べ、AIがそれを非常にうまく支援すると指摘しました。人工照明やその他のエネルギーシステムをAIで最適化することで、コストを削減できます。

「本研究は、食料生産を最適化し、持続可能にし、炭素フットプリントを低減するスマートシステムに焦点を当てています。」

– You

エネルギー使用と持続可能性のバランスが収益性の鍵

エネルギー使用量の削減は、成功する室内農業において最も重要な要素の一つです。従来の温室よりも多くのエネルギーを使用するため、エネルギーコストが大きな負担となっており、特に照明がエネルギー消費の大部分を占めています。

高コストは事業の収益性を脅かす可能性があり、垂直農業の持続可能性と実現可能性を極めて困難にします。さらに、コスト上昇は消費者に転嫁されるため、エネルギー使用量とそれに伴うコストを削減することで財政的負担を軽減できます。

このような背景の中、室内農業におけるコスト削減と持続可能な手法の開発に向けた継続的な研究開発が進められ、食料生産の課題に効果的に対処しようとしています。

先月、ベングリオン大学ネゲヴ校の研究者は、エネルギー使用を抑えつつ魚と野菜の生産量を増やす閉ループシステムを開発しました。アクアポニックシステムの研究の一環として、この新システムは魚の固形廃棄物を嫌気性消化で処理し、エネルギーと栄養素をシステムに回収することで、ほぼゼロ廃棄ユニットを実現しました。

ザッカーバーグ水研究所の所長であるアミット・グロス教授が率いるこのシステムは、従来システムに比べて植物生産性が1.6倍、使用水量が2.1倍低減、1キログラムの飼料あたりエネルギー消費が16％削減されました。

高品質なタンパク源である1トンの魚は、はるかに小さな炭素フットプリントを持ち、研究によれば外部エネルギーなしでシステムを稼働させることが可能です。さらに、廃棄物がほぼ発生せず、炭素固定が大きいため、このシステムは持続可能な単独ユニットになる可能性があります。

「80億人以上の人々に食料を供給しつつ温室効果ガス排出を削減するには、革新的な技術が必要です。二つの機能を一つに統合したものは明らかに好ましい。」

– グロス教授

今年7月の別の研究では、人工照明スケジュールを調整することで温室の電気代をほぼ4分の1削減しました。

スコルテックの研究者による1か月間の実験では、レタスとエンディブ（チコリ）の異なる品種を2つの同一温室でテストしました。照明スケジュール以外の条件はすべて同じでした。両方とも1日16時間の光を受けましたが、電力料金が最も高い時間帯に合わせて暗時間を散在させた温室は、植物の成長に測定可能な影響を与えませんでした。

室内農業の発展に関わる企業

では、農業テックの境界を押し広げる革新的な室内農業ソリューションを提供している企業をいくつか見てみましょう。

#1. Village Farms International (VFF)

この企業は室内農業で、制御された環境下で作物や大麻を栽培しています。子会社のVillage Farms Freshを通じて、北米で高品質な温室栽培の果物と野菜を生産、販売、流通しています。

1987年から市場に参入し、現在米国とカナダで240エーカーのガラス温室を保有しています。最近のインタビューで、社長兼CEOのMike DeGiglioは、温室内部環境を制御するソフトウェア設計に技術的焦点を当てていると語りました。会社の資金の大部分は、屋外環境に左右されない温室気候の構築にも投じられています。

もう一つの焦点はエネルギー側の技術と二酸化炭素の補充です。「エネルギーコストを削減できれば、はるかに持続可能になる」とDeGiglioは述べました。そのため、Village FarmsはFuelCell Energy、Quadrogen Power Systems、カナダ国立研究評議会と協力し、ブリティッシュコロンビア州の温室向け燃料電池技術のパイロットプロジェクトに投資しています。

時価総額110.61百万ドルのVFF株は現在0.99ドルで取引され、年初来30.09％上昇しています。EPS（TTM）は-0.45、P/E（TTM）は-2.18です。2024年第2四半期には、同社は報告で、統合売上高が前年同期比19％増の9,210万ドルとなり、Fresh Produce部門は7％増、カナダの大麻部門は45％増、米国の大麻部門は減少したと述べました。

純損失は2,350万ドルで、調整後EBITDAは3,600万ドルの損失、キャッシュフローは5,700万ドルに改善しました。今年、同社は2億ドルの公募を行い、調達資金は運転資金と一般企業目的に使用される予定です。

#2. Hydrofarm Holdings Group (HYFM) 

Hydrofarmは、ハイドロポニックや室内農業向けの制御環境農業（CEA）機器と用品のサプライヤーです。これには栄養素、照明、商業運用の最適化や拡大計画などが含まれます。

時価総額31.26百万ドルのHYFM株は現在0.68ドルで取引され、年初来25.89％下落しています。EPS（TTM）は-1.55、P/E（TTM）は-0.44です。2024年第2四半期には、同社は報告で、純売上高が13.1％減少し、5,480万ドルとなったと述べました。その結果、純損失は2,350万ドルに増加し、総利益は1,090万ドル、調整後EBITDAは170万ドルとなりました。

「第2四半期では、過去5四半期のうち4回目となる調整後EBITDAのプラスを達成し、リストラ計画と関連するコスト削減努力の効果を示しました。」

– ビル・トラー、会長兼CEO

Hydrofarmは現在、施設の利用率と生産性を向上させることでコスト削減に取り組んでおり、成長機会に自信を持っています。四半期末時点で同社は3,030万ドルの現金を保有し、2,000万ドルの借入枠を維持しています。

結論

今日、私たちは急速に増加する人口、都市化、気候変動、土地劣化、農薬や肥料の広範な使用という問題に直面しており、環境への影響を最小限に抑えた栄養豊富な食品への消費者需要が高まっています。

そのため、室内農業の人気が高まっています。都市環境に適しているだけでなく、使用水量が少なく、職業上の危険が少なく、環境への影響も低減します。多くの利点により、室内農業は現代農業の課題に対する有望な解決策を提供します。

テクノロジーで制御された環境を作り出すことで、室内農業は新鮮で地元産の栄養豊富な食品への需要増加に応え、持続可能性の課題にも対処します。

トップ10室内農業企業のリストはこちらをご覧ください。