Aqu @teach: Устойчивость коммерческих крытых городских ферм

Обеспечение городского населения продовольствием местного производства широко рассматривается в качестве более ресурсоэффективной альтернативы обычной цепочке поставок с использованием продуктов питания, выращенных в пригородных или отдаленных сельских районах. Культивирование в закрытых помещениях в городских районах рассматривается как наиболее устойчивое решение, заключающееся в сокращении продовольственных миль, сведении к минимуму землепользования и потребления воды, а также повышении урожайности. Однако для обеспечения оптимальных условий выращивания сельскохозяйственных культур фермы с контролируемой средой все полагаются на искусственный контроль света, температуры, влажности и водных циклов и поэтому могут быть высокоэнергоемкими, в зависимости от местных климатических условий и специфических характеристик здания. Поэтому выбросы углерода в городских фермерских хозяйствах следует тщательно сопоставлять с потенциально сокращенными выбросами, например выбросами продовольствия из сельских и пригородных хозяйств. Повышенные экономические издержки городских фермерских хозяйств, как с точки зрения инфраструктуры, так и эксплуатационных издержек, также необходимо тщательно проанализировать, прежде чем приступить к осуществлению такого предприятия.

Экологическая устойчивость

Городское сельское хозяйство, расположенное в пределах города и, следовательно, ближе к потребителю, часто утверждается, что оно имеет более низкий углеродный след, чем производство продовольствия в сельской местности, за счет сокращения расстояния транспортировки («продовольственные мили»). Однако в зависимости от местных климатических условий и типологии городских фермерских хозяйств растениеводство в контролируемых условиях может также быть весьма энергоемким, что может значительно усугубить его воздействие на окружающую среду. Чистый углеродный след зависит от выбросов, вызываемых энергопотреблением для работы фермы, в сравнении с предотвращенными выбросами, связанными с существующей цепочкой поставок, включая оперативную энергию ферм, поставляющих продукцию, и энергию, используемую при ее транспортировке. Это можно проиллюстрировать двумя примерами из очень разных климатических зон в Европе. Когда потенциал глобального потепления (GWP) связан с водой, транспортом и эксплуатационной энергией трех высокотехнологичных сценариев городского фермерского хозяйства в Португалии: поликарбонатная теплица на крыше, вертикальная ферма с окнами и световыми люками на верхнем этаже здания и полностью непрозрачная вертикальная ферма без проникновение естественного света на первом этаже здания — сравнивались с GWP текущей цепочки поставок томатов, и с гипотетической низкотехнологичной необусловленной городской фермой на крыше, вертикальной фермой верхнего этажа и теплицей на крыше имели лучшие общие экологические показатели, соответственно, сокращение выбросов парниковых газов вдвое и на треть по сравнению с существующей цепочкой поставок томатов (Benis et al. 2017). Эти выводы подтверждают результаты оценки жизненного цикла теплицы на крыше в Барселоне (Sanyé-Mengual et al. 2013; Sanyé-Mengual et al. 2015a). В отличие от этого Theurl et al. 2013 было установлено, что производство томатов в отапливаемых теплицах Австрии в два раза превышает выбросы парниковых газов по сравнению с цепочкой поставок томатов, импортируемых из Испании и Италии. Поэтому важно помнить о том, что, хотя городское сельское хозяйство, как утверждается, является устойчивым с точки зрения сокращения транспортных расстояний, такие энергоемкие объекты, возможно, не подходят для всех районов, поскольку первое не позволяет последовательно компенсировать второе.

Тем не менее, экологические показатели строительно-интегрированного сельского хозяйства потенциально могут быть повышены путем объединения потоков сельскохозяйственной практики — тепла, воды, CO₂ — с потоками здания принимающей стороны, а также путем оптимизации эффективности системы за счет внедрения пассивного кондиционирования , такие как теплоизоляция, естественная вентиляция, испарительное охлаждение и использование высокоэнергоэффективных технологий, таких как светодиодное освещение.

Экономическая устойчивость

Экономическая целесообразность создания коммерческих ферм в городских условиях должна оцениваться с учетом более высоких капитальных затрат по сравнению с традиционными сельскими фермами, которые неразрывно связаны с их городским местоположением. В условиях быстрой урбанизации городское пространство является скудным и очень желанным, и основная потребность, которую, как правило, стремятся удовлетворить муниципалитеты, заключается в жилье, а не в производстве продовольствия, которое вместо этого вытесняется все дальше и дальше от городских центров. В то время как интегрированные с крышей системы земледелия должны конкурировать с другими технологиями, интегрированными с крышей, такими как солнечная фотоэлектрическая энергия или солнечная тепловая энергия, системы внутреннего пользования конкурируют с другими городскими видами использования, которые, как правило, являются более экономически привлекательными, чем сельское хозяйство, например, жилищные или коммерческие функции Столь высокая конкуренция за городские участки и здания делает недвижимость все дороже (Benis & Ferrão 2018).

Во всем мире цена на землю, как правило, высока в городских районах. Помимо повышения арендной платы, высокотехнологичное коммерческое городское сельское хозяйство является капиталоемкой отраслью, поскольку оно предполагает адаптацию здания хозяина к возделыванию в соответствии с местными муниципальными правилами и строительными кодексами. Это городское препятствие было определено в качестве одного из основных препятствий на пути крупномасштабного осуществления БИА (Cerón-Palma et al. 2012). Экономическая эффективность городской фермы будет зависеть от ее типологии. Заводским заводам требуется только 10% площади земли по сравнению с теплицами для получения такой же производительности/м², и их можно легко построить в любом заброшенном здании. В то время как капитальные затраты высоки¹ — примерно на 15% больше, чем у теплицы, годовая производительность составляет около 3000 голов салата/м²/год, что в 15 раз больше, чем у теплицы (около 200 голов салата/м²/год). Таким образом, первоначальная стоимость на единицу производственной мощности завода более или менее равна стоимости теплицы, хотя эта оценка является грубым и варьируется в зависимости от многих факторов (Kozai et al. 2016).

Помимо высоких инвестиционных затрат, высокотехнологичные коммерческие сельскохозяйственные системы часто приводят к значительным эксплуатационным расходам в связи с их повышенными потребностями в энергии (Thomaier et al. 2015). Кроме того, в то время как сельские фермы, как правило, получают субсидируемую воду и энергию для сельского хозяйства, фермы, расположенные в городских районах, должны оплачивать городские расходы на водоснабжение и энергию, применимые в соответствии с зонированием. Если ферма находится в жилой зоне, то затраты будут выше, чем если она находится в коммерческой зоне (Benis & Ferrão 2018).

Производственные затраты (рабочая сила, электроэнергия, амортизация и другие) различаются по всему миру. В Японии, например, расходы на компоненты заводов составляют в среднем 25 -30% на рабочую силу, 25 -30% на электроэнергию, 25 -35% на амортизацию и 20% на другие производственные расходы (аренда земли, семена, вода, замена ламп, офисные товары, упаковочные материалы, расходы на доставку и т.д.). Затраты на рабочую силу настолько высоки, поскольку большинство заводов являются маломасштабными, и поэтому операции по погрузке приходится проводить вручную. Подсчитано, что 15-ярусный завод площадью 1 га нуждается в более 300 штатных работников. Для сравнения, большинство погрузочно-разгрузочных операций в тепличном комплексе площадью 10 га и более автоматизированы, поэтому требуется лишь несколько сотрудников на гектар (Kozai et al. 2016).

¹ около 4000 долларов США/м² в 2014 году (Kozai et al. 2016)

В таблице 1 показан процесс преобразования энергии в помещении культуры энергоэффективного завода. Электрическая энергия, зафиксированная в качестве химической энергии в продаваемой части установок, составляет 1 -2%. Остальная электрическая энергия преобразуется в тепловую энергию в помещении культуры, поэтому стоимость отопления теплоизолированной фабрики равна нулю. При управлении затратами на производство завода процент веса съедобной или полезной части завода к общему весу завода является важным показателем для повышения эффективности затрат. Поскольку для получения корней потребляется электрическая энергия, если корни не продаются, масса корня должна быть сведена к минимуму без ущерба для роста надземной части растения.

Таблица 1: Преобразование энергии на заводе (из Kozai et al. 2016)

Стоимость электроэнергии может быть снижена на (1) использование современных светодиодов для повышения коэффициента преобразования электрической энергии в световую энергию; (2) совершенствование системы освещения с помощью хорошо спроектированных отражателей для увеличения соотношения световой энергии, испускаемой лампами, к той, которая поглощается листьями растений; (3) улучшение качества света до повышение роста и качества растений; (4) оптимальный контроль температуры, концентрации CO₂ , питательного раствора, влажности и других факторов; и (5) увеличение доли продаваемой части растений путем совершенствования метода культуры и отбора сортов (Kozai et al. 2016).

Расходы на электроэнергию также могут быть снижены за счет использования солнечных батарей. Городские фабрики в отдельно стоящих зданиях, таких как бывшие склады и фабрики, имеют больше возможностей для производства собственной электроэнергии, чем те, которые расположены в зданиях, которые являются частью плотной городской матрицы. Объем энергии, необходимой для электроснабжения отдельно стоящих заводов, зависит от размеров здания. Когда здание занимает большую площадь, потребности в освещении и воде возрастают, а также количество энергии, доступной через солнечные панели на крыше и, возможно, на фасаде. Объем энергии, которая может генерироваться солнечными батареями, очевидно, зависит от географического расположения завода.

Чистый расход воды для орошения на заводе составляет около 2% от объема воды в теплице, так как около 95% образовавшегося водяного пара из листьев растений конденсируется на панели охлаждения (испарителе) кондиционеров в виде жидкой воды, которая собирается и затем возвращается в питательное вещество резервуар для раствора после стерилизации. После стерилизации очищенный питательный раствор из кустарников возвращается в бак питательных растворов. Таким образом, количество воды, которую необходимо добавить в резервуар, равно количеству воды, хранящейся в собранных растениях, и количеству, которое уходит наружу в виде водяного пара через промежутки воздуха. Аналогичным образом, количество добавляемого питательного вещества равно количеству питательных веществ, поглощаемых собранными растениями. Таким образом, эффективность использования воды и питательных веществ составляет более 0,95 и 0,90 соответственно (Kozai et al. 2016).

Городское земледелие и круговая экономика

Циркулярная экономика в настоящее время является одним из наиболее обсуждаемых терминов среди ученых-экологов и находится в центре внимания стратегии Европейского Союза «Горизонт 2020». Его основным определяющим элементом является «восстановительное использование» ресурсов: вместо того, чтобы превратиться в отходы, сырье перерабатывается и повторно используется (Geisendorf & Pietrulla 2018). Городское сельское хозяйство открывает различные возможности для применения этого подхода, наиболее наглядным примером которого является Завод. В 2010 году социальное предприятие Bubbly Dynamics LLC приобрело бывший мясокомбинат в Чикаго и разработало план использования здания в качестве пространства для инкубации продуктов питания и сельского хозяйства, тем самым вернув столь необходимые рабочие места для дисинвестированного сообщества в «продовольствие» пустыня «не хватает здоровых вариантов питания. На территории 8686 м² в настоящее время находится более десятка малых предприятий, включая крытые и открытые фермы, пивоваренные заводы и чайные пивоварни, пекарню, дистрибьютор сыров, жаровню для кофе, а также другие производители и дистрибьюторы продуктов питания. По состоянию на начало 2018 года на предприятии работало примерно 85 штатных эквивалентных должностей сотрудников. Завод все еще находится в стадии строительства и сдан в аренду около 70%; полная загрузка ожидается в 2019 году.

Основанная на модели закрытия контуров отходов, ресурсов и энергии, завод работает над тем, чтобы показать, как выглядит действительно устойчивое городское производство продуктов питания. Запланированный анаэробный реактор является ключевой особенностью, так как он предназначен для решения нескольких критических вопросов путем повторного использования того, что обычно считается «отходами», с тем чтобы создать несколько ценных результатов. Отходы от здания будут составлять часть объема отходов, переработанных реактором, однако реактор продемонстрирует, что даже предприятия по производству продуктов питания, которые обычно являются отходами и энергоемкими, могут работать устойчиво, закрывая петли отходов. Рис. 8 представляет собой концептуальную схему различных процессов, ожидаемых на заводе при полной нагрузке.

Рис. 8: Циклы отходов (зеленый) и энергетика/газ (оранжевый) на заводе в Чикаго

*Авторское право © Партнеры проекта Aqu @teach. Aqu @teach является стратегическим партнерством Erasmus+ в области высшего образования (2017-2020), возглавляемым Университетом Гринвича, в сотрудничестве с Цюрихским университетом прикладных наук (Швейцария), Техническим университетом Мадрида (Испания), Люблянским университетом и Биотехническим центром Naklo (Словения) . *