Automatisierungskonzept für vertikalen Gemüsebau in urbanen Gewächshäusern
Projektdurchführung
Pflanzentheke GmbH
Forschung und Entwicklung
Otto-Hahn-Ring 7
64653 Lorsch
Zielsetzung
Die Lebensmittelproduktion steht vor mehreren Herausforderungen: steigende Anforderungen an eine ressourcenschonende Erzeugung, zunehmender Fachkräftemangel, begrenzte Flächen insbesondere im urbanen und periurbanen Raum sowie die Abhängigkeit von langen Lieferketten. Klassische Indoor-Vertical-Farming-Systeme ermöglichen zwar eine hohe Flächennutzung und Automatisierung, sind jedoch häufig mit einem hohen Energiebedarf für künstliche Beleuchtung und Klimatisierung sowie hohen Investitionskosten verbunden.
Vor diesem Hintergrund entwickelt die Pflanzentheke GmbH eine nachhaltige und wirtschaftlich umsetzbare Low-Tech-Automatisierung für vertikale hydroponische A-Frame-Systeme in Gewächshäusern. Durch die Nutzung natürlichen Sonnenlichts sollen die Vorteile des Vertical Farming mit einem vergleichsweise geringen Energiebedarf verbunden werden.
Ziel des Vorhabens ist es, die bislang statisch eingesetzten A-Frame-Systeme so weiterzuentwickeln, dass sie innerhalb einer Kultivierungsfläche automatisiert bzw. teilautomatisiert bewegt werden können. Dazu werden verfahrbare Schlitten, eine Unterkonstruktion mit Führungssystem und Querverschiebung sowie eine angepasste zentrale Bewässerungs- und Nährlösungsversorgung entwickelt und erprobt. Nicht einzelne Pflanzen oder Pflanzrinnen sollen mit komplexer Robotik bewegt werden, sondern die gesamten Kultivierungseinheiten möglichst einfach, robust und wartungsarm verfahren werden.
Damit soll insbesondere für mittelgroße Gemüsebaubetriebe sowie Direktvermarkter eine praxisnahe und modular erweiterbare Möglichkeit geschaffen werden, Arbeitswege und wiederkehrende manuelle Tätigkeiten zu reduzieren, die Flächennutzung zu verbessern und hydroponische Produktionsprozesse effizienter zu gestalten.
Das Vorhaben verbindet damit Ressourceneffizienz, natürliche Belichtung, geschlossene Wasser- und Nährstoffkreisläufe sowie eine gezielt einfache Automatisierung zu einem Ansatz für eine lokalere, wirtschaftlich tragfähige und zukunftsfähige Gemüseproduktion.
Arbeitsschritte
Im bisherigen Projektverlauf wurde das ursprünglich konzeptionelle Automatisierungsvorhaben schrittweise in einen konkret umsetzbaren Anlagenaufbau überführt. Zu Beginn stand die konstruktive Ausarbeitung des Gesamtsystems im Vordergrund. Hierzu wurden das Anlagenlayout, die Anordnung der A-Frames, die verfahrbaren Schlitten, ein Rollwagen sowie die Unterkonstruktion mit Führungssystem und Querverschiebung geplant und zeichnerisch ausgearbeitet.
Ein wesentlicher methodischer Ansatz war die iterative Konstruktionsentwicklung. Technische Varianten wurden zunächst konzeptionell bewertet und anschließend hinsichtlich Umsetzbarkeit, Robustheit, Wartungsaufwand und Kosten konkretisiert. Dabei wurden insbesondere verschiedene Möglichkeiten zur Längs- und Querverschiebung der A-Frames untersucht. Die mechanische Ausarbeitung erfolgte in enger Zusammenarbeit mit Otte Metallbau, dessen Expertise insbesondere bei Unterkonstruktion, Führung und Querverschiebeeinheiten eingebunden wurde.
Parallel wurden die bestehenden A-Frame-Systeme an die Anforderungen eines mobilen Betriebs angepasst. Hierzu gehörten die konstruktive Integration der Schlitten, die Anpassung von Bewässerung und Entwässerung sowie die Planung einer zentralen Nährlösungsversorgung mit Wassertank und Technikstation.
Zur strukturierten Bewertung technischer Risiken wurde eine Fehlermöglichkeits- und Einflussanalyse (FMEA) durchgeführt. Dabei wurden potenzielle Schwachstellen unter anderem bei Führung, Positionierung, Querverschiebung, Bewässerung, Entwässerung und Steuerung bewertet und Maßnahmen für die weitere Erprobung abgeleitet.
Zusätzlich wurde die Nutzerperspektive in die Projektentwicklung einbezogen. Hierfür wurde ein strukturierter Fragebogen entwickelt und auf bestehende Kunden mit statischen A-Frame-Systemen ausgerichtet. Ziel ist es, Anforderungen an Bedienbarkeit, Wartung, Wirtschaftlichkeit, Nachrüstbarkeit und Automatisierungsgrad systematisch zu erfassen und in die weitere Entwicklung einfließen zu lassen.
Ergänzend wurden Flächen- und Kapazitätsberechnungen für die geplante Testanlage durchgeführt sowie der bisherige Kostenstand anhand der vorliegenden Projektbelege ausgewertet. Die nächsten Arbeitsschritte umfassen insbesondere Montage, Inbetriebnahme, Funktionsprüfungen sowie praktische Tests unter realistischen Bedingungen.
Ergebnisse
Im bisherigen Projektverlauf konnte das zunächst konzeptionell beschriebene Automatisierungsvorhaben deutlich konkretisiert werden. Für die geplante Testanlage liegt inzwischen ein ausgearbeitetes Anlagenkonzept mit acht A-Frames, verfahrbaren Schlitten, einem Rollwagen sowie einer speziell entwickelten Unterkonstruktion mit Führungssystem und Querverschiebung vor. Die mechanischen Komponenten und wesentlichen Schnittstellen sind konstruktiv definiert und zeichnerisch ausgearbeitet.
Auch die Anpassung der Bewässerungs- und Entwässerungstechnik an den mobilen Betrieb wurde planerisch weiterentwickelt. Vorgesehen ist eine zentrale Nährlösungsversorgung, die die Versorgung der beweglichen A-Frames ermöglicht und gleichzeitig geschlossene Kreisläufe unterstützt. Für die Testanlage wurden zudem Flächen- und Kapazitätsberechnungen durchgeführt. Je nach Pflanzenabstand können auf der vorgesehenen Kulturfläche rund 1.568 bzw. 3.136 Pflanzenplätze realisiert werden.
Die bisherige technische Ausarbeitung zeigt, dass die wesentlichen Herausforderungen des Vorhabens konstruktiv adressiert werden können. Besondere Aufmerksamkeit gilt dabei der zuverlässigen Führung und Positionierung der A-Frames, der Querverschiebung, den mechanischen Schnittstellen sowie der Bewässerungs-, Entwässerungs- und Regelungstechnik. Für diese Punkte wurden konkrete Prüf- und Optimierungsschwerpunkte für die nächste Projektphase festgelegt.
Die Einbindung der Nutzerperspektive bestätigt zudem die grundsätzliche Ausrichtung des Projekts. Insbesondere für größere und wachsende Anlagen besteht Bedarf an einer robusten, modularen und wartungsarmen Automatisierung, die Arbeitswege und wiederkehrende manuelle Tätigkeiten reduziert. Für sehr kleine Anlagen ist der wirtschaftliche Nutzen dagegen voraussichtlich geringer. Damit lässt sich die Zielgruppe des Systems weiter präzisieren.
Gegenüber dem ursprünglichen Zeitplan liegt der Schwerpunkt bislang stärker auf Konstruktion und technischer Vorbereitung als auf praktischer Erprobung. Teile der vorgesehenen Testaktivitäten verschieben sich daher in die nächste Projektphase. Die geschaffene technische Grundlage ist jedoch belastbar und ermöglicht nun den Übergang in Montage, Inbetriebnahme und Praxistests.