In Duitsland, en meer specifiek binnen het onderzoek aan de Technische Universiteit Chemnitz, groeit de aandacht voor de rol van geavanceerde regelsystemen in circulaire indoor farming. Waar de focus in gecontroleerde teeltomgevingen traditioneel ligt op gewassen, belichtingsstrategieën en klimaatinstellingen, wordt steeds duidelijker dat de manier waarop deze systemen worden aangestuurd een bepalende factor is voor hun prestaties.
"Systemen binnen de CEA, zoals vertical farms, algenreactoren of insectenkwekerijen, zijn op zichzelf al complex om te beheren," zegt Jonathan Raecke, promovendus Automatic Control and System Dynamics aan de Technische Universiteit Chemnitz. "Zodra we koppelingen tussen die systemen introduceren, wordt het vinden van werkelijk optimale productiecondities een multidimensionaal en dynamisch optimalisatievraagstuk." Volgens Raecke is complexiteit daarbij niet langer alleen biologisch van aard, maar vooral systeemtechnisch.
© Jonathan Raecke
Systeembenadering vanuit het MELiSSA-programma
Deze verschuiving stond centraal in een presentatie van Raecke binnen het Europese MELiSSA Space Research Program. In plaats van afzonderlijke productie-eenheden te beschouwen, benaderde hij indoor voedselproductie als een dynamisch systeem met terugkoppelingslussen, concurrerende doelstellingen en continu veranderende randvoorwaarden.
"Een veelvoorkomende misvatting is dat regeltechnici denken dat hun modellen het beter weten dan telers," aldus Raecke. "In werkelijkheid komen systeembeperkingen en regeldoelen vaak rechtstreeks voort uit praktijkkennis. Onze taak is te begrijpen wat betrouwbaar te modelleren is en waar we moeten luisteren naar heuristische, praktische expertise. Geavanceerde regeling werkt het best wanneer praktijkmensen en regeltechnici samenwerken en beide perspectieven combineren."
Waarom koppelingen efficiëntie tot een systeemplatform maken
De uitdaging wordt vooral zichtbaar in multitrofische systemen, waarin planten, insecten, algen, vissen en reststromen bewust met elkaar zijn verbonden. Concepten zoals het hergebruik van CO₂ uit insectenproductie voor plantenteelt beloven een hogere efficiëntie en een lager gebruik van hulpbronnen. In theorie lijken deze koppelingen eenvoudig, maar in de praktijk ontstaat vaak een kloof tussen theoretisch potentieel en operationele haalbaarheid.
Vanuit systeemperspectief is het probleem niet dat circulariteit faalt, maar dat optimalisatie vaak lokaal plaatsvindt. Het optimaliseren van één subsysteem kan elders in het geheel tot beperkingen of knelpunten leiden, waardoor beschikbare hulpbronnen onbenut blijven. CO₂ kan bijvoorbeeld wel in het systeem aanwezig zijn, maar niet op het juiste moment of in de juiste vorm beschikbaar zijn voor het gewas. Wat op moduleniveau efficiënt lijkt, kan op systeemniveau juist tot verspilling leiden.
"Het eerste wat onder druk komt te staan, is de efficiëntie," zegt Raecke. "Individuele productie-eenheden blijven functioneren, maar het totale systeem presteert zelden zoals verwacht. Bij multitrofische ontwerpen is het doel om efficiënter om te gaan met energie en hulpbronnen dan de som der delen. Lokale optimalisatie staat dat vaak in de weg."
Van reageren naar voorspellen
Hier komen automatische regeling en systeemdynamica in beeld. In plaats van uitsluitend te reageren op gemeten omstandigheden, ontwikkelt de onderzoeksgroep in Chemnitz wiskundige modellen die het gedrag van het systeem voorspellen en op basis daarvan optimale bedrijfscondities berekenen. Deze modellen vormen de basis voor model predictive control en hiërarchische regelsystemen, waarmee meerdere doelstellingen gelijktijdig kunnen worden afgewogen.
"Deze methoden berekenen wiskundig optimale instellingen op basis van een gekozen doelfunctie," legt Raecke uit. Welke doelstelling centraal staat, verschilt per context. "Op aarde gaat het om winstgevendheid, in de ruimte om circulariteit." Volgens Raecke groeit de overlap tussen die twee werelden. Door toenemende druk op waterbeschikbaarheid, energieprijzen en grondstoffen krijgen aardse voedselsystemen steeds vaker te maken met vraagstukken die eerder vooral in ruimteonderzoek speelden. "De oplossingen voor beide situaties liggen mogelijk dichter bij elkaar dan vaak wordt gedacht."
Relevantie buiten het onderzoek
De kruisbestuiving tussen ruimteonderzoek en aardse voedselproductie krijgt ook buiten de academische wereld aandacht. Dat verklaart de toenemende interesse in digital twins, optimalisatie en geavanceerde regeling binnen de vertical farming-sector, vooral bij bedrijven die experimenteren met circulaire en multitrofische concepten.
Die bredere relevantie komt ook terug in het werk van Stefan Streif, hoogleraar Automatic Control and System Dynamics aan de Technische Universiteit Chemnitz en hoofd van de onderzoeksgroep waarin Raecke werkzaam is. "Ik ben benoemd tot lid van de Scientific Advisory Board van de Association of Vertical Farming vanwege mijn expertise in geavanceerde procesregeling, AI en modellering voor indoor- en gecontroleerde teeltsystemen," zegt Streif.
Hij benadrukt dat gekoppelde productiesystemen het potentieel hebben om de efficiëntie van hulpbronnen en energie sterk te verbeteren, maar niet vanzelf stabiel zijn in kunstmatige omgevingen. In tegenstelling tot natuurlijke ecosystemen vereisen deze systemen voortdurende monitoring, regeling en optimalisatie om op schaal betrouwbaar te functioneren.
Van reactieve automatisering naar systeemcoördinatie
"Regeling en automatisering worden nog vaak gezien als reactieve hardwaretaken, zoals het bijsturen van pompen, ventilatoren of kleppen op basis van sensorgegevens," aldus Streif. "Geavanceerde regeling begrijpt daarentegen het gedrag van het systeem en kan voorspellend handelen. Daarbij kunnen ook prijs- en weersverwachtingen worden meegenomen, zodat vaste setpoints losgelaten kunnen worden wanneer dat energie of kosten bespaart. Op een hoger niveau kan geavanceerde regeling bovendien meerdere gekoppelde systemen coördineren."
Streif wijst er ook op dat vroege ontwerpkeuzes toekomstige optimalisatie kunnen beperken. "De grootste beperking wordt vaak al in een vroeg stadium vastgelegd," zegt hij. "Sensoren en actuatoren worden meestal minimaal gedimensioneerd om investeringskosten te beperken. Bovendien zijn ze vaak slecht toegankelijk vanuit een IoT-perspectief, doordat ze achter gesloten softwareplatforms of incompatibele communicatieprotocollen zitten. Daardoor is er wel veel waardevolle data aanwezig, maar wordt het later zeer lastig om die daadwerkelijk te benutten."
Voor meer informatie:
Technische Universität Chemnitz
Jonathan Raecke, PhD-onderzoeker
[email protected]
Dr. Stefan Streif, professor, Automatische Regeltechniek en Systeemdynamica
[email protected]
http://www.tu-chemnitz.de/etit/control
