Барьеры развития вертикальных ферм



В статье рассматриваются барьеры развития вертикальных ферм. Сегодня использование природных ресурсов, растущая потребность в энергии и рост загрязнения становятся предметом беспокойства для развитых стран. Вертикальные фермы — это новая концепция и философия того, как человечество думает о сельском хозяйстве.

Ключевые слова: вертикальные фермы, земледелие, информационные технологии, SWOT-анализ.

В вертикальном земледелии существует несколько проблем, которые необходимо решить, чтобы фермерская система стала основным процессом ведения сельского хозяйства, способным решить проблему дефицита продовольствия по всему миру. Самая большая проблема на данный момент — это экономия за счет масштаба. Вертикальная система земледелия в настоящее время недостаточно оснащена для того, чтобы использовать преимущества экономии за счет масштаба так же эффективно, как горизонтальное земледелие. Вертикальное земледелие требует огромных инвестиций для создания инфраструктуры и расширения масштабов производства. Кроме того, вертикальное земледелие может быть подходящим для выращивания зеленых листовых овощей, таких как базилик, кинза или зеленый лук, фруктов, трав, фармацевтических растений, учитывая стоимость производства и окупаемость инвестиций.

Существует ограничение для выращивания нескольких сортов сельскохозяйственных культур или разных культур в одном вертикальном фермерском хозяйстве, поскольку каждая культура предъявляет разные экологические требования, и очень трудно изменить конструкцию вертикального фермерского хозяйства в соответствии с потребностями различных культур.

Система ведения сельского хозяйства — это энергоемкая система. Даже самые эффективные источники энергии (при условии, что они функционируют на пике своей мощности) также сопряжены с огромными затратами из-за высоких энергетических потребностей заводов. Эти затраты, в свою очередь, увеличивают общую стоимость выращивания. Затраты на техническое обслуживание конструкции и оборудования для контроля микросреды растений на данный момент являются еще одним важным сдерживающим фактором. Если это выполнимо, то затраты на это будут огромными. Другие затраты, связанные с вертикальным земледелием, такие как затраты на рабочую силу, энергию и техническое обслуживание, также очень высоки для функционирования вертикальных ферм по сравнению с горизонтальным земледелием при получении того же урожая в условиях открытого грунта. Некоторые естественные процессы, такие как перекрестное опыление, должны осуществляться вручную, что требует много рабочей силы и денег [1].

Растениеводство производит огромное количество данных, и всегда становится важным их анализировать и получать информацию для эффективного выращивания сельскохозяйственных культур. Успех повседневных операций зависит от эффективного сбора и анализа данных, для чего требуются имитационные модели для конкретных культур, чтобы эти структуры могли работать с минимальным вмешательством человека, удовлетворяя все потребности, характерные для культуры, выращиваемой в структуре.

Хотя вертикальное земледелие представляется многообещающей альтернативой горизонтальному земледелию, оно может стать жизнеспособным вариантом только тогда, когда будут решены все вышеупомянутые проблемы. Несмотря на то, что практика вертикального земледелия быстро расширяется благодаря передовому использованию технологий, все еще предстоит проделать долгий путь, чтобы сделать эти структуры более жизнеспособными с точки зрения рентабельности инвестиций и сложности.

Информационным технологиям (ИТ) отводится важная роль в обеспечении простоты сбора и анализа данных для поддержки процессов принятия решений.

С помощью аналитики больших данных, Интернета вещей и имитационного моделирования среду выращивания на вертикальных фермах можно постоянно отслеживать, тестировать, пересматривать и улучшать с помощью прогностического анализа. Интернет вещей потенциально может стать основой вертикального земледелия, используя технологию датчиков и приводов. Технологические компании могут использовать беспроводные датчики для сбора представляющих интерес данных, таких как изменение естественного освещения и информация об окружающей среде, такая как температура, рН и т. д., а беспроводные приводы могут использоваться для автоматизации этих действий. В сочетании с такими датчиками могут быть разработаны интеллектуальные системы, которые могут оценивать потребности предприятия и вычислять, могут ли эти потребности быть удовлетворены с помощью имеющихся условий или нет. Если нет, то могут быть обеспечены сбалансированные условия роста и искусственное освещение для достижения оптимальных условий роста [5].

Кроме того, если уровни ультрафиолетового излучения от естественного освещения слишком интенсивны для растений, можно принять меры по снижению интенсивности света с использованием таких технологий, как переключаемое стекло. Датчики состояния инфраструктуры могут использоваться для мониторинга состояния оборудования и здания, используемого для вертикальных ферм. Такие датчики могут регулярно передавать информацию о состоянии здания и механизмов бригаде технического обслуживания (как людям, так и роботам), чтобы можно было принимать упреждающие меры для поддержания условий.

Уровень CO2, содержание влаги и состояние питательных веществ в конструкциях контролируются для поддержания оптимальных условий выращивания с помощью полностью интегрированной компьютерной системы управления. ИТ-компании могут сыграть значительную роль в создании таких интегрированных систем, которые фермеры могут использовать удаленно для полного контроля соответствующих параметров. Инфраструктура Интернета вещей может играть важную роль, охватывая и интегрируя три функциональных уровня, а именно: уровень восприятия, уровень доставки и уровень управления. Чувствительный слой состоит из датчиков окружающей среды, способных улавливать изменения в условиях окружающей среды, таких как PAR, pH, температура, влажность почвы и т. д. Например, датчик освещенности может показывать распределение интенсивности света в режиме реального времени. Видеодатчики полезны для контроля размеров установки и принятия решений о различных необходимых вмешательствах. Кроме того, спектральный анализ может указывать на биостресс для дальнейшего анализа и лечения в режиме реального времени.

Уровень доставки передает информацию, собранную с сенсорного уровня, на уровень управления, используя различные протоколы, беспроводной HART, технологии мобильных телефонов (2G / 3G /4G), Ethernet и т. д. Третий уровень — это уровень интеллектуального управления, который состоит из средств облачных вычислений, эти огромные объемы данных добываются исследователями для прогнозирования будущего роста сельскохозяйственных культур.

Существует огромный простор для персонального цифрового помощника (КПК), контроллера, регулирующего оборудования и операционного терминала. Этот уровень включает в себя интеллектуальные системы, использующие имитационное моделирование для принятия соответствующих решений в пользу лучшего роста урожая. Такое имитационное моделирование может использовать различные наблюдения и справочные данные для полного анализа, учитывая многочисленные ограничения, такие как требования ИТ-компаний к хранению и обработке этих данных для анализа.

В таблице 1 рассмотрим SWOT-анализ с точки зрения бизнеса.

Таблица 1

SWOT-анализ с точки зрения бизнеса [4]

Сильные стороны	Слабые стороны
— Пищевые компании, а также венчурные компании и компании, занимающиеся инвестициями в растущий капитал, инвестируют в вертикальное фермерство. — Такие фермы, как AeroFarm, Ecopia Farms, Nuvege, Plant Lab и т. д., являются экономически жизнеспособными на безвозмездной основе. — Использует старые здания, создавая подходящие склады, оснащенные необходимой инфраструктурой для вертикального земледелия, что сводит на нет необходимость разрушать старые здания. — Поскольку сельскохозяйственные культуры выращиваются ближе к рынку, очевидно снижение затрат на транспортировку продукции с сельских угодий в города.	— Создание вертикальной фермы требует больших капиталоемких затрат. — Затраты на электроэнергию, рабочую силу и техническое обслуживание очень высоки. — Ограниченность пространства ограничивает то, что можно выращивать. — Выращивание нескольких сортов сельскохозяйственных культур в одном и том же вертикальном фермерском хозяйстве сопряжено с трудностями и высокими затратами. — Такой подход лучше всего подходит только для салатной зелени и пряных трав, которые имеют более высокую рентабельность и могут выращиваться в больших количествах. Основные культуры, такие как пшеница, соя, кукуруза и т. д., не являются экономически выгодными вариантами. — Из-за отсутствия почвы на продукт не наносится маркировка «органический», хотя он стоит столько же. — Масштабируемость — самая большая проблема, необходимо производить достаточное количество урожая для продажи с прибылью в крупных продуктовых сетях.
Возможности	Угрозы
— Ожидается, что рынок вертикальных ферм вырастет и по сравнению с 2022 годом и достигнет 20 миллиардов долларов США к 2026 году. — Вертикальные фермы могут быть использованы для производства биологически активных молекул для новых медицинских применений. — Спрос на квалифицированных работников на вертикальных фермах создаст в будущем возможности для получения образования и профессиональной подготовки в этой отрасли.	— Политические лидеры не имеют четкого представления о том, что на самом деле представляет собой вертикальная ферма. — Поскольку это совершенно новая отрасль, существует большая неопределенность в отношении окупаемости инвестиций (ROI). — Надлежащее управление и инвестиции в технологии имеют крайне важное значение. По этим причинам за последнее десятилетие несколько стартапов испытывали трудности или потерпели неудачу.

В таблице 2 рассмотрим SWOT-анализ с точки зрения технологий.

Таблица 2

SWOT-анализ с точки зрения технологий [3]

Сильные стороны	Слабые стороны
— Область с огромным потенциалом роста с точки зрения технологий. — Такие технологии, как дистанционное зондирование, электронная коммуникационная система, интегрированная в единую систему управления данными, и растущие знания о прикладной гидропонике способствуют росту этой области. — Такие компании, как GE, Philips, Panasonic, вкладывают значительные средства в технологии, используемые на вертикальных фермах. — Гиганты-производители семян работают над созданием генетически улучшенных семян, специально предназначенных для вертикального земледелия. — В этой области задействованы лучшие специалисты в области нескольких технологий, такие как голландские биоинженеры, ученые из НАСА, сотрудники исследовательских центров Антарктиды и т. д. — Используя IOT, к растениям можно добавлять нужное количество удобрения и воды, что исключает напрасную трату ресурсов.	— Высокая потребность в энергии для искусственного освещения внутри вертикальных ферм. Отопление и кондиционирование воздуха значительно увеличат потребность в электроэнергии. — Стандарты для сенсорных сетей и передачи данных все еще находятся в стадии разработки. — Специальное сельскохозяйственное программное обеспечение для вертикального земледелия еще не разработано. — Требуется высокоточный мониторинг.
Возможности	Угрозы
— Новые технологии, такие как используемые экономичные мониторы и контроллеры, снижают эксплуатационные расходы. — Более эффективные и недорогие светодиодные светильники снижают высокие затраты на искусственное освещение. — Машины, используемые для сбора урожая и его упаковки, сокращают затраты на рабочую силу. — Возможность для развития новых навыков в связи с растущей потребностью в опытных садоводах, растениеведах, инженерах, обученных проектированию высокотехнологичных систем выращивания. — Для выработки энергии на фермах используются альтернативные решения. Природные источники энергии, такие как геотермальная энергия и солнечная энергия, используются для снижения огромных затрат на электроэнергию.	— Риск кражи информации. — Выход из строя даже одного компонента системы Интернета вещей может привести к быстрой гибели оборудования, что приведет к массовым потерям.

Таким образом, использование технологии может повлиять на влажность почвы, биостресс, прогноз погоды, эвапотранспирацию, методы управления растениеводством и т. д. Светодиоды могут быть адаптированы к определенному спектру и интенсивности, вентиляция, количество распыляемой воды и даже температура корней могут быть точно отрегулированы до требуемого уровня.

Урожаи в традиционных системах земледелия уязвимы, когда речь идет о глобальном потеплении, стихийных бедствиях и изменениях погоды. Существует также огромное давление на природные ресурсы, чтобы прокормить постоянно растущее население, учитывая сокращение обрабатываемых земель, пресной воды и более низкие урожаи. Хотя системы вертикального земледелия не поддерживают производство всех видов сельскохозяйственных культур с точки зрения окупаемости инвестиций, они представляются одной из наиболее предпочтительных альтернатив для устойчивого растениеводства. Достижения в области информационных и коммуникационных технологий могут сделать вертикальное сельское хозяйство реальностью. Все, что для этого требуется, — это интегрировать технологии из различных дисциплин вместе, чтобы урожай мог расти в помещении в смоделированной среде. ИТ-компании и другие технологические компании могут сыграть важную роль, интегрируя аналитику больших данных, робототехнику, Интернет вещей и инструменты симуляции/моделирования в сельскохозяйственной сфере, чтобы сделать вертикальные фермы экономически эффективными.

Вертикальные фермы дают очень точный состав продукта даже по сравнению с автоматизированными теплицами, но это выходит в разы дороже, не говоря уже о выращивании на открытом грунте. По мнению эксперта, важно определить, насколько широк рынок, которому нужна такая точность.

Вертикальные фермы требуют освещения, фертигации, отопления, вентиляции, кондиционирования воздуха, мобильности, программного обеспечения и искусственного интеллекта.

По словам Даниэле Модесто, генерального директора ZERO Farms из Италии, в совокупности эти факторы могут привести к тому, что капитальные затраты на вертикальную ферму в 4 раза (или более) превысят стоимость высокотехнологичной теплицы. Автоматизированные вертикальные фермы требуют меньше рабочей силы, но это должны быть высококвалифицированные высокооплачиваемые работники — инженеры, разработчики ПО и агрономы. Цены на продукты с вертикальной фермы должны быть в 2 раза выше, чем на обычные органические продукты в Италии.

Есть несколько характеристик продуктов, которые хорошо подходят для вертикальных ферм: это высокий уровень точности при выращивании, а также ограниченное число альтернатив или заменителей, считает Тасгал. Что касается клиентов, то это должны быть жители районов с крайне высокой стоимостью земли и ЖКХ, что делало бы обоснованной ярусную вертикальную систему. Жители таких мест, соответственно, будут готовы переплачивать за свежие продукты.

В числе растений, для которых нужны точные характеристики, независимо от цены, эксперты назвали растения для фармацевтических препаратов, узкоспециализированных фруктов и овощей (таких, как клубника премиум-класса), специализированная зелень и каннабис.

На сегодняшний день неправильное определение адресного рынка стало причиной многих неэффективных инвестиций в область вертикальных ферм. Поскольку вертикальные фермы являются капиталоемкими, продукция ферм должна приносить значительную прибыль и генерировать значительные денежные потоки. Если рынок сбыта завышен, начинаются проблемы.

Основной барьер на пути развития и внедрения технологий урбанизированного растениеводства — это высокая стоимость строительства вертикальных ферм. Минимальные инвестиционные вложения в создание фермы площадью 500 кв. м и с 8–10 ярусами — около 30 млн. руб. При этом окупаемость фермы составляет 2–3 года, в зависимости от вида выращиваемых культур и цены на них.

Консерватизм российских фермеров и предпринимателей также сдерживает процесс внедрения инноваций в производство продукции растениеводства. Недоверие, возникающее от недостатка информации о возможностях урбанизированного растениеводства, значительно тормозит этот процесс.

Срок окупаемости вертикальных ферм в большей степени зависит от величины платежеспособного спроса со стороны населения. Поэтому снижение покупательской способности может стать существенной проблемой и одним из рисков строительства вертикальных ферм.

Еще один барьер заключается в высокой стоимости земли в черте города или городской агломерации. Данная статья инвестиционных затрат является сдерживающим фактором в стремлении предпринимателей строить вертикальные фермы в городе. Квадратный метр земли не просто имеет высокую стоимость, этот показатель ежегодно увеличивается в связи с увеличением городского населения и, соответственно, спроса на жилье.

Преодоление предыдущего барьера возможно посредством размещения ферм в заброшенных и пустующих производственных объектах, на крышах или в подвалах жилых зданий или бизнес-центров и т. д. Однако препятствием на этом пути становится отсутствие градостроительной документации, регулирующей строительство и эксплуатацию вертикальных ферм [2].

Литература:

1. Камитдинов Н. Грядки вверх. Кто и зачем строит вертикальные фермы в российских городах / Inc [Электронный ресурс]. Режим доступа: https://incrussia.ru/understand/vertical-farming/ (дата обращения: 10.03.2023).
2. Al-Kodmany K. The vertical farm: A review of developments and implications for the vertical city // Buildings. 2018. № 8 (2). P. 24–26.
3. Chen X., Yang, Q. Effects of intermittent light exposure with red and blue light emitting diodes on growth and carbohydrate accumulation of lettuce // Scientia Horticulturae. 2018. № 234. Р. 220–226.
4. Gupta M. K. and Ganapuram S. (2019) Vertical Farming Using Information and Communication Technologies. Infosys. [Электронный ресурс]. Режим доступа:https://www.infosys.com/industries/agriculture/insights/documents/vertical-farming-information-communication.pdf (дата обращения: 20.05.2023).
5. Kondratieva N. P., Filatov D. A., Terentiev P. V. Dependence of current harmonics of greenhouse irradiators on supply voltage // Light & Engineering. 2020. Vol. 28. № 2. P. 85–88.