Vertical Farming e consumi: come ottimizzare risorse (e risparmiare)

Il vertical farming (o skyfarming) è un metodo che combina tecniche di coltivazione idroponica, aeroponica a un’elevata automazione per produrre alimenti in un ambiente controllato. Gli alimenti prodotti in questo tipo di agricoltura sono in genere più nutrienti e meno dannosi per l'ambiente rispetto all'agricoltura convenzionale.

Negli ultimi anni a livello mondiale si è iniziato a guardare all’agricoltura indoor con sempre maggiore attenzione. Se strutture di vertical farming sono già diffuse in Paesi come l’Olanda e il Regno Unito, le sfide globali che coinvolgono il settore agricolo e la sua produttività stanno spingendo sempre più Paesi a guardare con interesse a queste serre verticali.

Ma perché la produttività agricola è a rischio? I fattori sono di varia natura e per l’Europa le sfide sono legate ai seguenti fattori:

• Riduzione di terre coltivabili: infatti, la percentuale di terra coltivabile in Europa è in continuo calo dal 1960, a fronte di una popolazione (e di una domanda) sempre crescente.
• Impoverimento del terreno: lo sfruttamento eccessivo del suolo coltivabile, che riduce significativamente la produttività dei terreni agricoli a disposizione
• Cambiamenti climatici: siccità ed eventi meteorologici estremi riducono la produttività dei terreni e danneggiano le colture. Dall’altro, il settore è responsabile a livello mondiale del 70% del consumo di acqua, del 24% dei gas serra emessi, oltre al degrado del suolo e all’inquinamento delle falde acquifere.

In quest’ottica, l’agricoltura verticale risulta essere una valida alternativa, consentendo di far fronte alle sfide del presente in termini di produttività.

Vertical farming, maggiore efficienza e sostenibilità con le tecnologie 4.0

Proprio in virtù di questi aspetti il mercato dell’indoor farming, si stima, crescerà nei prossimi anni con un CARG del 10,4%, fino a raggiungere nel 2028 un valore di 23,26 miliardi di dollari.

Tuttavia, in un settore caratterizzato da un’elevata automazione, il tema del consumo energetico è più rilevante che mai. Nel vertical farming, infatti, l'automazione viene utilizzata in molti ambiti diversi, come:

• nei sistemi di irrigazione, per controllare la quantità di acqua distribuita alle piante
• nei sistemi di distribuzione dei nutrienti, per regolare la quantità di sostanze nutritive da somministrare alle piante in un determinato momento
• nei sistemi di regolazione dell’ambiente della serra (temperatura, umidità, quantità di CO2 nell’aria etc.)

Con il proliferare delle vertical farming aumenta però anche il consumo energetico assorbito dal settore. Inoltre, con l’aumento dei costi dell’energia, le aziende che si dedicano al vertical farming non possono non prendere in esame strategie di efficientamento per assicurare la sostenibilità economica che ambientale del business.

Per quanto centrale e rilevante sia questo tema, non è tuttavia l’unico elemento critico per le aziende che operano nel vertical farming. In ambienti a così alta automazione, infatti, l’affidabilità e la sicurezza delle tecnologie impiegate diventa imprescindibile. Un malfunzionamento o un guasto ai sistemi - sia esso dovuto all’usura o la rottura di un componente o a un attacco esterno -, infatti, potrebbe portare a problemi nell’illuminazione delle colture oppure nella redistribuzione dei nutrienti, con effetti devastanti sulle coltivazioni della serra.

Inoltre, in un settore come quello del vertical farming, diventa centrale non solo il tema del consumo di energia, ma anche della sua continuità, in quanto una prolungata assenza della fornitura rischierebbe di compromettere in modo irrecuperabile il raccolto. Grazie alla digitalizzazione dell’elettromeccanica è oggi possibile affidarsi a soluzioni smart in grado di gestire in modo intelligente queste complessità.

Quali sono gli svantaggi dell’agricoltura verticale?

Nonostante l’agricoltura verticale offra numerosi vantaggi in termini di riduzione dell’uso del suolo, aumento della produttività per metro quadro e controllo totale dell'ambiente di coltivazione, presenta anche alcune criticità rilevanti, in particolare sotto il profilo energetico ed economico. 

Tra i principali contro del vertical farming, si segnalano:

• Alti costi iniziali di investimento: la costruzione di una vertical farm, anche di dimensioni ridotte, richiede infrastrutture tecnologicamente avanzate, sistemi di automazione, illuminazione artificiale, controllo climatico e impianti idroponici o aeroponici, con costi che possono superare ampiamente quelli di una serra tradizionale.
• Elevata qualità delle risorse richieste: le tecniche idroponiche e aeroponiche necessitano di acqua pura, nutrienti calibrati e condizioni ambientali stabili e precise, rendendo il sistema delicato e ad alta dipendenza da tecnologie affidabili.
• Costo elevato del prodotto finale: a causa dell’investimento iniziale, dei consumi energetici e dei costi operativi, i prodotti provenienti da vertical farm tendono ad avere un prezzo più alto rispetto a quelli coltivati con metodi convenzionali.
• Consumo energetico significativo: anche impianti di piccole dimensioni possono richiedere un apporto energetico considerevole, soprattutto per l’illuminazione, il controllo del clima e la circolazione dell’acqua. Questo incide sia sui costi di gestione che sull’impatto ambientale complessivo, se non compensato da fonti rinnovabili.

Quali fattori impattano il consumo energetico dell’agricoltura verticale?

Il consumo energetico nel vertical farming è influenzato da diversi fattori interconnessi, che influenzano direttamente l'efficienza complessiva dell'impianto e i costi operativi. Di seguito, i principali:

• Illuminazione artificiale
  Rappresenta uno dei maggiori fattori di consumo. Le luci LED, pur essendo più efficienti delle tradizionali, devono spesso funzionare in modo continuativo per garantire una crescita ottimale delle piante. L'intensità, la durata e lo spettro luminoso influiscono direttamente sull’energia richiesta.
  
  
• Controllo ambientale
  La regolazione di temperatura, umidità, ventilazione e CO₂ è essenziale per mantenere un microclima stabile all’interno della vertical farm. Questi sistemi (riscaldamento, raffrescamento e ventilazione) operano in modo continuo e richiedono un notevole apporto energetico.
  
  
• Automazione dei sistemi di irrigazione e nutrizione
  Anche l’automazione della distribuzione dell’acqua e dei nutrienti richiede energia. Questi sistemi, se non ben calibrati, possono contribuire a sprechi energetici, specialmente in impianti complessi e di grandi dimensioni.
  
  
• Tipi di colture coltivate
  Non tutte le piante hanno le stesse esigenze. Alcune colture necessitano di più luce o di condizioni climatiche particolari, aumentando i consumi complessivi. La scelta delle specie da coltivare ha quindi un impatto diretto sul bilancio energetico.
  
  
• Tecnologie utilizzate e disposizione dell’impianto
  L’efficienza complessiva dell’impianto dipende anche dalla qualità delle tecnologie adottate (es. pompe, sensori, software) e dalla loro configurazione spaziale. Una progettazione non ottimizzata può generare dispersioni energetiche.
  
  
• Affidabilità e sicurezza dei sistemi automatizzati
  In ambienti altamente automatizzati, guasti tecnici o attacchi informatici possono compromettere il funzionamento dei sistemi, causando picchi anomali nei consumi o, nel peggiore dei casi, la perdita delle colture.
  
  
• Continuità energetica
  La dipendenza totale dalla corrente elettrica rende il vertical farming estremamente sensibile a eventuali blackout. Una prolungata interruzione della fornitura potrebbe compromettere irrimediabilmente l’intero raccolto. Soluzioni basate su digitalizzazione e automazione intelligente aiutano a mitigare questi rischi.

Come misurare i consumi energetici nel Vertical Farming?

Per una gestione efficiente del consumo energetico nel vertical farming, è fondamentale adottare metodologie di valutazione accurate. Una delle tecniche più utilizzate è l'analisi del ciclo di vita (LCA), che prende in considerazione l'energia utilizzata durante l'intero ciclo di vita del prodotto, dalla produzione dei materiali alla distribuzione finale. Questo approccio permette di identificare i punti critici di consumo energetico e di implementare strategie di miglioramento.  

Importante per conoscere e comprendere i consumi è il monitoraggio continuo dell'energia utilizzata, suddivisa per diverse operazioni come l'illuminazione, il controllo climatico e l'irrigazione.  

Inoltre, l'uso di soluzioni software di gestione energetica può aiutare a raccogliere e analizzare dati in tempo reale, permettendo di apportare modifiche immediate per ottimizzare il consumo energetico.

Come ottimizzare i consumi energetici nel Vertical Farming?  

L’ottimizzazione dei consumi energetici è un passaggio essenziale per garantire la sostenibilità economica e ambientale delle vertical farm. Esistono diverse strategie e tecnologie che possono contribuire a una gestione più efficiente dell’energia:

• Utilizzo di energie rinnovabili: Alimentare i sistemi di illuminazione, climatizzazione e irrigazione con energia solare, eolica o geotermica permette di ridurre l’impatto ambientale e aumentare l’indipendenza energetica.
• Illuminazione intelligente: L’impiego di lampade LED a basso consumo energetico, regolabili in intensità e spettro luminoso in base alle esigenze delle colture, è una delle soluzioni più efficaci per contenere i consumi.
• Controllo climatico avanzato: Sistemi di climatizzazione intelligenti, in grado di regolare automaticamente temperatura, umidità e ventilazione in funzione delle condizioni ambientali interne, migliorano l’efficienza energetica e il benessere delle piante.
• Riciclo dell'acqua: Implementare sistemi di irrigazione a goccia o aeroponici che consentono il recupero e il riutilizzo dell’acqua riduce notevolmente il fabbisogno idrico e i costi operativi.
• Monitoraggio e controllo in tempo reale: L’uso di sensori e software per il monitoraggio continuo consente di ottimizzare i parametri ambientali e ridurre gli sprechi energetici.
• Tecnologie avanzate: L’integrazione di soluzioni di automazione avanzata, come i sistemi MOVIKIT, consente una gestione precisa e flessibile dei processi energetici. Tra questi, il modulo MOVIKIT StackerCrane effiDRIVE® è specificamente progettato per i trasloelevatori con fino a 4 assi di traslazione e 4 assi di sollevamento, e permette un risparmio energetico fino al 25% grazie a sistemi di automazione industriale per efficientamento energetico.
• Soluzioni MOVI-C® per l’efficienza energetica: MOVIKIT StackerCrane effiDRIVE® fa parte di una suite di moduli software predefiniti che, insieme ai controllori MOVI-C®, offrono una piattaforma di automazione modulare, flessibile e compatta. I controllori, disponibili in quattro classi di performance, garantiscono sicurezza, affidabilità e versatilità anche in quadri elettrici di piccole dimensioni.
• Power and Energy Solution: Sempre basata su MOVI-C®, questa soluzione abbina sistemi di controllo e azionamento a supercondensatori per rigenerare, accumulare e riutilizzare energia. In questo modo, è possibile rispondere in modo dinamico alle variazioni di carico, garantire la continuità di alimentazione e integrare energie rinnovabili, riducendo i consumi e le emissioni di CO₂.
• Gestione efficiente dei nutrienti: Ottimizzare le soluzioni nutritive consente di evitare sprechi e migliorare la resa produttiva.
• Isolamento termico degli ambienti: Strutture con buone proprietà isolanti aiutano a ridurre le dispersioni termiche e quindi i consumi per il riscaldamento o il raffrescamento.