Hydroponics – Alles wat je moet weten

Wat is hydroponics

Hydroponics is een teelmethode waarbij planten in water in plaats van in aarde groeien. Het maakt deel uit van de bredere “bodemloze” teelmethode, waaronder aquaponics en aeroponics.

Meestal worden de wortels van de plant in water geplaatst, maar soms kan er ook in andere substraten worden gekweekt, zoals gels of een inert medium zoals perliet, grind, enz.

Aangezien er geen bodem is, wordt de voeding van de plant in minerale elementen geleverd door deze in het water op te lossen. In veel gevallen is hydroponics gelijk aan indoor teelt, waarbij het licht wordt geleverd door kunstmatige verlichting. Hydroponics kan echter ook buiten worden toegepast, omdat het “gratis” zonlicht biedt tegen een hoger risico op besmetting (zie hieronder).

De hydroponics marktgroei bereikte bijna $5 miljard in 2023, en wordt verwacht te groeien met 12,4% CAGR tot 2030.

De wetenschap van hydroponics

Hoewel de meeste planten kunnen worden gekweekt met hydroponische systemen, hebben sommige een substraat nodig om hun wortels te verankeren. Daarom worden inerte substraten zoals kokosvezel, vermiculiet (een silicatesteen) en perliet (een amorf vulkanisch glas) gebruikt.

Bron: Climate Control

Voedingsstoffen zoals fosfaat, kalium en stikstof (“NPK”), evenals micronutriënten, worden in het water opgelost, waardoor een bijna 100 % efficiëntie in het gebruik van meststoffen mogelijk is.

Hydroponics kan worden onderverdeeld in 2 verschillende ontwerpsoorten: open en gesloten systemen.

Open systemen: vereisen dat het voedingsrijke water van het reservoir naar de groeikamer stroomt.
Gesloten systemen: hebben de wortels direct ondergedompeld in de voedingsoplossing en hebben daarom geen pompen nodig.

Passieve systemen, in tegenstelling tot actieve systemen, zijn hydroponische systemen die geen elektrische componenten zoals pompen, ventilatie, kunstlicht en timers nodig hebben.

Wat kan er met hydroponics worden gekweekt

Hydroponics wordt gebruikt om veel verschillende hoogwaarde, gevoelige gewassen te verbouwen. De meest voorkomende, in volgorde, zijn: tomaten, kruiden, sla, komkommer.

Bron: Grand View Research

Een minder gedocumenteerd maar belangrijk gebruik van hydroponics is de kleinschalige of middelgrote teelt van cannabis. Hoewel deze praktijk in de meeste landen illegaal is, groeit het aantal landen dat dergelijke gewasgroei toestaat met de juiste licentie in een commerciële setting – Canada is een van de voornaamste voorbeelden.

Veel commerciële cannabisboerderijen in de VS, waar de teelt legaal is, geven de voorkeur aan teelt in kassen. Hier worden hydroponische methoden gebruikt om een consistenter resultaat te behalen dan met bodem.

De voordelen van hydroponics

Controle

Het grootste voordeel van hydroponics is het niveau van controle dat de techniek biedt. Dit is vooral waar wanneer het wordt gecombineerd met indoor teelt, vergeleken met teelt in bodem of zelfs kassen. Dit vertaalt zich in meerdere voordelen voor commerciële teelt.

Het kan consistenter resultaten opleveren. Bijvoorbeeld de exacte chemische samenstelling van een cannabisplant die later wordt gebruikt voor de productie van farmaceutische producten. Dit maakt onderzoek en ontwikkeling mogelijk om de perfecte omstandigheden te vinden, wat resulteert in een product van de hoogste kwaliteit.

Het kan ook leiden tot meer controle over de timing van de groei om een zeer consistente en stabiele productie te verkrijgen. Dit is zeer waardevol voor producten met een relatief constante vraag maar seizoensgebonden productiepieken, zoals tomaten of bessen.

Door elk van deze mogelijkheden te combineren, kan het niveau van controle worden gebruikt om de groeisnelheid, smaak, geur of uiterlijk van het uiteindelijke plantproduct te optimaliseren, wat waarschijnlijk een prijspremie rechtvaardigt.

Tot slot kan het ook worden gebruikt om de gewassen te monitoren en eventuele problemen vroegtijdig te detecteren.

Ruimte

Dankzij optimale omstandigheden kunnen er per vierkante meter meer gewassen worden geteeld dan onder andere omstandigheden. Dit maakt het een goede optie voor stedelijke landbouw, zoals besproken in ons artikel “Scaling Urban Agriculture to Bring Many Benefits“. Dit kan voedsel lokaal laten groeien in plaats van geïmporteerd over honderden of duizenden kilometers, zelfs als grond en ruimte lokaal duurder zijn.

Het zal een uiterst waardevolle teelmethode zijn voor ongunstige omgevingen zoals toekomstige maan- of marsbases, waar de extreem dure transportkosten lokaal geteeld voedsel extreem waardevol maken.

Nutrientvraag en afval

Zoals eerder vermeld, omdat de voedingsstoffen in het water zitten en dat water in de groeikamers en/of een reservoir blijft, is er geen verlies van voedingsstoffen in het systeem behalve wat effectief door de plant wordt opgenomen tijdens de groei.

Bron: Unsplash

Dit maakt het gebruik van meststoffen om de gewassen te laten groeien zo dicht mogelijk bij optimaal. In meer traditionele landbouwmethoden leidt overmatig gebruik van meststoffen in open velden tot meerdere problemen. Deze omvatten schade aan bodemecosystemen tot giftige algbloei en zelfs eutrofiëring van zoetwaterlichamen. Het verminderen van de hoeveelheid meststof die in het milieu lekt is dus een belangrijk en vaak over het hoofd gezien ecologisch probleem.

Bron: Britannica

Watergebruik

In tegenstelling tot wat men zou denken, gebruikt hydroponics veel minder water dan traditionele teelmethode. Dit geldt zowel voor teelt in open velden als in kassen.

Dit komt doordat de verdamping van water tot een minimum wordt beperkt door minimale oppervlaktecontact met de lucht, en het water niet in de bodem lekt. In wezen blijft het water binnen het gesloten systeem.

Als gevolg hiervan kan hydroponics gebruiken slechts één tiende van het water vergeleken met traditionele irrigatiemethoden voor veldgewassen. Dit maakt het een uitstekende optie voor gebieden met waterschaarste en/of gewassen die veel water nodig hebben, zoals bladgroenten.

Arbeidsintensiteit

Omdat de planten groeien in een gecontroleerde en op maat ontworpen omgeving, kunnen ze ook worden ontworpen om arbeidskosten te optimaliseren. Automatisering kan het meeste van het gevaarlijkere traditionele landbouwwerk vervangen, en planten die al in potten zonder bodem groeien, besparen tijd bij oogsten, reinigen en verpakken.

De nadelen van hydroponics

Kosten

De belangrijkste beperking van hydroponics zijn de kosten. Omdat het speciale faciliteiten vereist, en vaak pompen, ventilatie, enz., is het veel duurder om op te zetten dan traditionele landbouwmethoden. Dit wordt nog verergerd in koude klimaten die extra hardware vereisen zoals klimaatbeheersing en kunstlicht – elk draagt bij aan de energiekosten van de teeltoperaties.

Door deze beperking richten de meeste commerciële boerderijen die hydroponics gebruiken zich op hoogwaarde gewassen zoals fruit, bessen, bladgroenten, cannabis, enz., in een poging hun rendement op investering te maximaliseren.

Tot nu toe heeft dit probleem de bredere adoptie van verticale landbouw in het algemeen belemmerd, inclusief niet alleen hydroponics maar ook aquaponics en aeroponics.

Veerkracht

Hydroponische systemen zijn, per ontwerp, kunstmatiger dan gewassen in een open veld. Dit betekent dat ze afhankelijk zijn van de volgende zaken die soepel moeten functioneren:

• Leveringsketen van onderdelen en componenten.
• Elektrische stroomvoorziening.
• Elektronisch verbonden systeem voor sterk geautomatiseerde en geavanceerde operaties.
• Vakkundig personeel dat efficiënt de benodigde monitoring en onderhoud kan uitvoeren.

Hoewel er manieren zijn om deze risico’s te mitigeren, bijvoorbeeld met systeemredundantie of grotere voorraad (wat de opstartkosten verhoogt), of lokale energievoorziening via hernieuwbare energie, zal hydroponics nooit zo veerkrachtig zijn als een regenwatergegoten gewas in een open veld.

Watergedragen ziekten & algenbesmetting

Pathogenen

Het verwijderen van bodem verwijdert uiteraard alle risico’s gerelateerd aan bodemgebonden ziekten, maar het betekent ook dat een heel ecosysteem van nuttige microben die beschermen tegen plantenziekten verdwijnt. Ondertussen kan het constant circulerende water een vector zijn voor het verspreiden van andere pathogenen, waardoor nadelige gebeurtenissen verwoestend kunnen zijn en sneller optreden in hydroponische systemen.

De twee meest voorkomende organismen die hydroponische ziekten veroorzaken zijn Pythium en Phytophthora, beide schimmelziekten. Pythium kan alle planten aantasten, terwijl Phytophthora vooral bloemgewassen treft.

Om deze problemen aan te pakken, gebruiken boeren doorgaans regelmatig geplande reinigings- en sanitatiepraktijken en het gebruik van filters, wat het risico op watergedragen plantpathogenen aanzienlijk kan verminderen. Daarnaast zijn regelmatige tests en monitoring even nuttig om vroegtijdige tekenen van besmetting te detecteren.

Meerdere parallelle en niet-verbonden hydroponische systemen voor grote installaties worden ook aanbevolen om wijdverspreide besmetting te voorkomen. Het reguleren van de pH-waarde van het water kan helpen de schimmelgroei te verminderen.

Algen

Een andere verontreiniging die hydroponische systemen kan aantasten, is algen. Terwijl het water de perfecte mix van voedingsstoffen bevat om de groei van planten te stimuleren, is diezelfde mix tegelijkertijd de perfecte omgeving voor eencellige algen. Indien aanwezig, vormen algen een slijmerige en moeilijk te reinigen laag op oppervlakken en kunnen zelfs waterfilters of kleine buizen blokkeren.

Hoewel hydroponische systemen zich geen zorgen hoeven te maken over onkruid zoals in een veld, zijn algen in wezen equivalent. Net als onkruid zullen algen de gewassen van hun voedingsstoffen beroven, waardoor groei en plantgezondheid afnemen.

Bovendien zullen algen de zuurstofconcentratie in het water verlagen. Het eerste effect is dat het de wortels van de plant en de groei kan beschadigen. Het tweede probleem is dat het de groei van schimmelziekten zoals Pythium bevordert.

Er bestaan meerdere manieren om algengroei te beheersen, van het gebruik van filters om het binnenkomende water te zuiveren, tot het blootstellen van het water aan UV-licht om de algen te doden (UV-lampen worden routinematig gebruikt om micro-organismen te doden en drinkwater in openbare nutsbedrijven veilig te maken).

Innovatie in hydroponics

LED-verlichting

LED-lampen zijn een cruciale technologie in hydroponics, waardoor de hele praktijk op commerciële schaal haalbaar wordt. Dit komt doordat dergelijke lampen veel minder energie verbruiken dan traditionele lichtbronnen, langer meegaan en aanzienlijk minder warmte afgeven.

Bovendien is niet het volledige zichtbare lichtspectrum nuttig voor planten bij fotosynthese, dus speciale LED’s zonder groen licht kunnen worden gebruikt om het elektriciteitsverbruik van kunstmatige verlichting verder te verminderen.

Bron: Agritecture

IoT & sensorgebaseerde automatisering

De dalende kosten van sensoren en elektronica hebben continue monitoring van temperatuur, luchtvochtigheid, licht, pH-waarden en nutriëntenvolume mogelijk gemaakt.

Hoewel geavanceerder, helpt deze sensorgebaseerde landbouw om de groeiomstandigheden in realtime te volgen en aan te passen om optimale oogstopbrengsten te garanderen, wat de winstmarge van de teler versterkt.

AI-gebaseerde technologieën

Zoals eerder vermeld, vereist hydroponics een intensief niveau van monitoring van het watersysteem, ziekten, nutriëntenniveaus, enz. Daartoe wordt AI steeds vaker ingezet om bestaande omgevingscondities te optimaliseren, inclusief lichtniveaus, luchtvochtigheid en nutriëntenniveaus.

AI helpt ook om investeringen te optimaliseren en kosten te verlagen door gepersonaliseerde groeiplannen voor elk planttype te creëren.

Het kan ook machinale visie of biochemische tests gebruiken om te waarschuwen voor de aanwezigheid van pathogenen voordat een mens dat zou kunnen.

Tot slot, met de opkomst van autonome landbouwrobots, kunnen we ons een hydroponisch systeem voorstellen waarin planten, snoeien, oogsten en het vervangen van planten volledig automatisch kan gebeuren.

Nieuwe landbouwinnovaties

Hydroponic teelt maakt directe controle over planten mogelijk op een manier die onmogelijk is in traditionele landbouw. Dit opent de deur naar experimenten voor nieuwe manieren om de productiviteit van gewassen te verhogen, voorbij het vergroten van toegang tot licht of voedingsstoffen.

Bijvoorbeeld, we onderzoeken een dergelijke optie in ons artikel “Electricity Set to Supercharge Growth in Hydroponic Crops”. Onderzoekers gebruikten een aangepast kunstmatig substraat, of “geleidend bodem / eSoil” gemaakt van cellulose (het hoofdbestanddeel van papier) gemengd met een geleidend polymeer genaamd PEDOT (poly(3,4-ethylenedioxythiophene)).

Op deze manier konden ze zaailingen blootstellen aan continue lage spanning, wat resulteerde in een 50 % toename in groeisnelheid.

Bron: PNAS

Dit is één voorbeeld van hoe hydroponische systemen aanzienlijke productiviteitswinsten kunnen bieden dankzij hun verhoogde controle.

Een hydroponics installatie bouwen

Bij het plannen van een hydroponics installatie moet de eerste vraag zijn – Waarom hydroponics kiezen boven andere teelmethode? Er kunnen vele redenen zijn:

• Water besparen of vervuiling verminderen.
• Kunnen experimenteren met nieuwe teelmethode.
• Kleinere schaal voor thuisconsumptie of pedagogische tools.
• Op schaal hoogwaardige, hoogwaarde gewassen verbouwen.

Afhankelijk van het antwoord kunnen verschillende hydroponics systemen worden gekozen.

Een commerciële operatie moet de beschikbare middelen afwegen tegen de opstartkosten, terwijl men streeft naar het minimaliseren van operationele kosten. Het overwegen van lokale markten en marges zal uiterst belangrijk zijn bij de gewaskeuze. Het niveau van automatisering en de volwassenheid van de gebruikte technologie moet ook worden overwogen.

Een zelfgemaakt kleinschalig systeem moet worden afgestemd op de technische vaardigheden van de bouwers en gebruikers, aangezien een “geoptimaliseerd” maar te complex ontwerp waarschijnlijk niet goed zal werken. Kant-en-klare componenten zullen in dat geval waarschijnlijk een betere optie zijn.

Een systeem dat is gewijd aan het oplossen van een specifiek probleem, zoals waterschaarste, moet zich op deze metriek richten, vooral als dit andere elementen minder geoptimaliseerd maakt.

Hydroponics als onderdeel van een groter systeem, zoals gecombineerd met aquacultuur (aquaponics), moet worden ontworpen met de andere stappen en componenten in gedachten.

Conclusie

Hydroponics is een krachtige benadering van teelsystemen, die uitzonderlijke niveaus van controle over groeicondities biedt. Dit zijn doorgaans zeer efficiënte systemen, met geoptimaliseerd gebruik van meststoffen en water. Dit maakt het een ideale commerciële teelmethode voor moeilijk te telen gewassen of hoogwaarde producten waarbij perfecte timing, smaak, samenstelling, uiterlijk of andere kwalitatieve metrics een veel hogere prijs kunnen rechtvaardigen.

Dankzij de dichtheid en hoge productiviteit is het ook een goed systeem voor voedselproductie op huishoudelijk niveau of stedelijke landbouw, waar ruimte vaak een beperking is.

Het is echter een veel complexer systeem dan traditionele landbouw of tuinieren. Dit maakt het duurder, technischer om te installeren en te onderhouden, en vatbaarder voor unieke problemen zoals algenbesmetting en watergedragen ziekten die beheerd moeten worden via toegewijde oplossingen. In bepaalde gevallen zal het even uitdagend zijn voor personen of bedrijven die niet over de technische vaardigheden beschikken om deze interne uitdagingen aan te gaan.

Al met al, hoewel het onwaarschijnlijk is dat het even kostenefficiënt is als gewassen die in bulk tegen lage prijzen in open velden worden geteeld, kan hydroponics een goede oplossing zijn voor specifieke problemen of een goede methode voor het verbouwen van hoogwaardige, lokale producten.