Onderzoekers van de Purdue University hebben twee eenvoudige LED-belichtingsstrategieën ontworpen om de opbrengst te verhogen en de energiekosten te verlagen voor vertical farming.
De close-canopy- en focused-lighting-strategieën, ontwikkeld door PhD-kandidaat Fatemeh Sheibani en professor Cary Mitchell, die beiden werkzaam zijn aan het Department of Horticulture and Landscape Architecture van Purdue's College of Agriculture, zijn gebaseerd op de speciale eigenschappen van LED-verlichting.
"Een daarvan is dat ze relatief weinig warmte afgeven, in tegenstelling tot andere lampen," zegt Sheibani. De lampen kunnen dus dichter op de planten worden geplaatst zonder ze te verschroeien. LED's zijn ook stroomgestuurd, in tegenstelling tot veel energie-intensieve, spanningsgestuurde verlichtingsbronnen.
Hun werk maakt deel uit van een project genaamd OptimIA (Optimizing Indoor Agriculture). Het project wordt geleid door de Michigan State University en omvat medewerkers van Purdue, de Universiteit van Arizona en de Ohio State University. OptimIA wordt gesponsord door het U.S. Department of Agriculture's Specialty Crop Research Initiative.
Fatemeh Sheibani, een promovendus in tuinbouw en landschapsarchitectuur, onderzoekt slaplanten in een gecontroleerde omgeving met behulp van LED-verlichting. Sheibani's onderzoek richt zich op het vinden van de beste strategie voor het gebruik van LED's in vertical farming, die de gewasopbrengst zal maximaliseren en de productiekosten in verband met verlichting zal verlagen. (foto Purdue Agricultural Communications/Jessica Kerkoff)
In vertical farming groeien planten met behulp van LED's als enige verlichtingsbron. "Het is de snelst groeiende sector binnen Controlled Environment Agriculture," zegt Mitchell. "Er zijn voortdurend nieuwe start-ups in stedelijke en semi-stedelijke gebieden en wereldwijd."
Arbeids- en energiekosten, die in totaal ongeveer 60% van het budget van een vertical farm uitmaken, bedreigen de toekomst van de starters. Inflatie en stijgende energiekosten hebben een toch al kwetsbare sector nog kwetsbaarder gemaakt. De opstartkosten zijn ook hoog, zowel voor grond in stedelijke gebieden als voor de installatie van LED-verlichtingssystemen.
Maar indoor farms kunnen met de close-canopy-belichtingsstrategie gemakkelijk het energieverbruik verlagen en toch hun gebruikelijke opbrengst behalen. Of ze kunnen de opbrengst verhogen met behoud van hun vroegere energieverbruik. Vertical farms kunnen de spanning van een 1.000-watt HPS-lamp dimmen met een regelaar, maar dat zet de energie alleen maar om in warmte zonder enige besparing.
"Het is verborgen energie," zegt Mitchell. Maar met de LED's kan de stroom worden verminderd, zodat de lichtopbrengst evenredig wordt verminderd.
Close-canopy-verlichting werkt omdat LED's in alle richtingen schijnen, net als de zon. Bij standaard scheidingsafstanden tussen planten en licht is er helemaal geen significant licht dat onder een grote hoek over de planten schijnt. Maar bij kleinere scheidingsafstanden absorberen de planten licht dat anders verloren zou gaan.
Michael Gildersleeve, een afgestudeerde student aan het Department of Horticulture and Landscape Architecture van Purdue, werkt met slaplanten die worden geteeld onder dichte LED-belichting, om de energie-efficiëntie en gewasopbrengst te maximaliseren. (foto Purdue Agricultural Communications/Tom Campbell)
LED's zijn het belichtingssysteem bij uitstek voor indoor farming, vanwege hun relatieve energie-efficiëntie en lange levensduur, aldus Sheibani. Maar verbeterde LED's hebben ook een hoge fotonefficiëntie, wat betekent dat elektrische energie gemakkelijker wordt omgezet in licht dat planten efficiënt kunnen gebruiken.
Toch vermindert de inefficiënte opvang van LED-licht hun voordelen. Veel indoortelers denken bijvoorbeeld ten onrechte dat ze hun LED's overal kunnen plaatsen. Maar Sheibani en Mitchell merkten zowel in vertical farms als in kleinere experimenten dat het licht niet alleen op de planten viel, maar ook op de muren en looppaden. Door de afstand tussen het LED-systeem en het gebladerte te verkleinen, konden de onderzoekers deze lichtverspilling verminderen.
"We kunnen de efficiëntie van de fotonopname in het gebladerte verbeteren, zoals wij het noemen, zolang we LED's op de juiste manier gebruiken," zegt Sheibani. "De efficiëntie van de fotonopname is dat deel van de fotonen die de fotosynthesecellen van de planten bereiken."
Sheibani meet het afval via een verhouding tussen de plantengroei en het elektrische energieverbruik van de LED. De resulterende energiegebruiksefficiëntie vergelijkt de opbrengst van grammen verse of droge biomassa per kilowattuur energie, verbruikt door het LED-verlichtingssysteem.
"Hoe hoger het aantal gram verse of droge biomassa per kilowattuur, hoe beter het is," zegt ze. Uit beide geteste scenario's van Purdue bleek dat de dichtstbijzijnde scheidingsafstand de hoogste energie-efficiëntie had.
Sheibani en Mitchell testen ook een energiebesparende, gerichte verlichtingsaanpak die steunt op een op maat gemaakt LED-systeem met selectieve controles. Hoe doen kleine, individuele, ver uit elkaar staande planten het onder langzaam verspreidende lichtbundels in plaats van de hele tijd volledige dekking?
"Wanneer zaailingen na ontkieming tevoorschijn komen, staan de zeer kleine plantjes ver uit elkaar," zegt Mitchell. "Het duurt twee weken voor ze samengroeien en een gebladerte van babygroen vormen. Alles daartussen is tot dan meestal lichtverspilling."
Het systeem van Sheibani en Mitchell minimaliseert die verspilling. Als de planten nog klein zijn, gebruiken ze inefficiënte LED-verlichting met volledige dekking, zegt Sheibani. Maar het is mogelijk om met gerichte verlichting energie te besparen in de eerste groeistadia. "Wanneer de planten dan in het stadium zijn dat ze het licht efficiënt kunnen gebruiken, kunnen we upgraden om de optimale hoeveelheid te leveren."
"Er is veel interesse voor indoor farming en veel mensen springen erin," zegt Mitchell. "Maar ze hebben nog niet echt het geheim voor winstgevendheid op lange termijn ontdekt. Dat is waar academisch onderzoek zoals het OptimIA-project kan helpen."
Bron: purdue.edu