Vertical Farming Stromverbrauch

Stromverbrauch von Vertical Farming

Vertical Farming und der Stromverbrauch, das ist eigentlich eines der wichtigsten Themen in der Branche, wird aber meist wenig beachtet oder mit Buzz Wörtern schöngeredet, zumindest kommt es mir so vor, dass man die harten Zahlen lieber nicht so raus haut. Als gelernter Elektroniker, weiß ich aber, dass die Realität eben anders aussieht und nicht unbedingt so toll aus, wenn man den Energiebedarf sich anschaut.

Ich wollte in meinem Blog auch mal über andere Themen berichten und was wäre naheliegender als Vertical Farming, einer Branche in der ich auch arbeite.

Immer wieder tauchen in online Diskussionen und Kommentaren das Thema Energieverbrauch auf und da gibt es nichts zu beschönigen: Ja, LEDs brauchen Strom und man braucht viel Strom.

Denn das, was wir in der Landwirtschaft und dem geschlossenen Anbausystem im vertikalen Stapel der Racks einsparen, verbrauchen wir wieder. Denn in der horizontalen kann man das Sonnenlicht nutzen, in einem Stapel, benötigt man aber LEDs, weil das Licht ja nicht durch Scheinen kann, eigentlich logisch 🤷‍♂️.

Nun macht man sich meist wenig Gedanken darum, wie viel Strom verbraucht wird und das ist jetzt keine Kritik an der Industrie noch an dem Verbraucher, ich meine, wer interessiert sich schon dafür, ob der Salat, den man gekauft hat, mit einem Auto transportiert wurde, welches einen Elektromotor oder einen Verbrennungsmotor hat?

In der Branche spricht man dann immer gerne davon, dass man mit regenerativen Energien die Farmen betreiben kann und das hört sich romantisiert auch schön und bequem an, die Realität ist jedoch eine andere. Daher habe ich einen Spruch entwickelt:

Planst du eine Vertikale Farm, dann plane gleich ein Kraftwerk mit dazu

Denn eine Vertikale Farm ist kein landwirtschaftlicher Betrieb, sondern eine hochtechnologische Einrichtung, die effektiv und effizient produzieren muss. Hinterhof Experimente sind das eben nicht.

Und so braucht man ordentlich Strom, und je nach Land, kommt dann da auch eine mehr oder weniger saftige Stromrechnung am Ende des Monats.

Ich bin aber auch ehrlich, ich bin auch müde nach einem langen Tag die ganzen Berechnungen durchzuführen und habe ChatGPT3.5 beauftragt das zu tun, natürlich habe ich ein paar Parameter festgelegt und die Formeln auf logische Integrität geprüft.

Eine Beispiel Kalkulation für eine vertikale Farm, welche 100 kg Salat pro Monat produziert:

Um den Strombedarf für die Beleuchtung der Vertikalen Farm zu berechnen, müssen wir folgende Informationen berücksichtigen:

  1. Die Größe der Anbaufläche: 50 qm (Anbaufläche auf mehreren Ebenen, nicht die Grundfläche)
  2. Die Produktivität der Farm: 2 kg Salat pro qm pro Monat (Ist einfacher zu rechnen)
  3. Die monatliche Ernte: 100 kg Salat

Angenommen, die Beleuchtung benötigt eine durchschnittliche Leistung von 100 Watt pro Quadratmeter (dies ist eine typische Leistung für industrielle LED-Pflanzenlampen), können wir die Gesamtleistung der Beleuchtung wie folgt berechnen:

Gesamtleistung der Beleuchtung = Anbaufläche x Leistung pro Quadratmeter
Gesamtleistung der Beleuchtung = 50 qm x 100 Watt/qm

Gesamtleistung der Beleuchtung = 5000 Watt

Da die Leistung in Watt gemessen wird, müssen wir diese in Kilowatt (kW) umrechnen, um den Stromverbrauch in Kilowattstunden (kWh) zu berechnen (Eine Bitte, die ich als Elektroniker habe, und das geht auch an die Marketingleute und Journalisten, unterscheidet zwischen kW und kWh). Wir können dies tun, indem wir die Gesamtleistung der Beleuchtung durch 1000 teilen:

Gesamtleistung der Beleuchtung in kW = Gesamtleistung der Beleuchtung / 1000
Gesamtleistung der Beleuchtung in kW = 5000 Watt / 1000
Gesamtleistung der Beleuchtung in kW = 5,0 kW

Um den monatlichen Stromverbrauch für die Beleuchtung zu berechnen, multiplizieren wir die Gesamtleistung der Beleuchtung in kW mit der Anzahl der Betriebsstunden pro Monat. Angenommen, die Beleuchtung wird 12 Stunden pro Tag betrieben (was eine typische Dauer für den Betrieb von LED-Pflanzenlampen ist, jedoch auch von Wachstumszyklus der Pflanze und der Planzensorte abhängig ist), beträgt die Anzahl der Betriebsstunden pro Monat 30 Tage x 12 Stunden pro Tag = 360 Stunden pro Monat:

Monatlicher Stromverbrauch für die Beleuchtung = Gesamtleistung der Beleuchtung in kW x Betriebsstunden pro Monat
Monatlicher Stromverbrauch für die Beleuchtung = 5,0 kW x 360 Stunden pro Monat,
Monatlicher Stromverbrauch für die Beleuchtung = 1800 kWh

Daher benötigt die Vertikale Farm die 100 kg Salat produziert, etwa 1800 kWh pro Monat für die Beleuchtung. Bitte beachten Sie, dass dies nur eine grobe Schätzung ist (Beleuchtungsdauer hängt verschiedenen Paramtern ab) und die tatsächliche Leistung der Beleuchtung sowie andere Faktoren wie die Klimatisierung der Farm berücksichtigt werden müssen, um eine genauere Berechnung durchzuführen. Auf diese möchte hier hier nicht weiter eingehen da dies von Farm zu Farm abweicht.

Nun wollen wir für diese Vertikale Farm eine Off-Grid Versorgung, Off-Grid bedeutet, das man vom Netz getrennt den Verbrauch selbst durch eigene Energie Produktion abdeckt. Macht zwar realistisch betrachtet wenig sinn, aber als hypothetisches Beispiel, wie eine Vertikale Farm eben in der Produktion nicht noch durch den Strommix, weiteres CO2 verursacht.

Um zu berechnen, wie viele Photovoltaik-Module (Unter der Annahme von Mitteleuropa, mit genug Sonne und geringem Heizbedarf, Nord Europa wäre hier schon wieder nicht machbar, vielleicht mache ich dazu mal gesonderte Beiträge) und wie viel Fläche benötigt werden, um genügend Strom für die Vertikale Farm zu erzeugen, müssen wir zunächst den Strombedarf der Farm berechnen.

Angenommen, die Farm benötigt insgesamt 1800 kWh pro Monat für die Beleuchtung (wie in der vorherigen Frage berechnet), dann beträgt der tägliche Strombedarf:

Täglicher Strombedarf = Monatlicher Strombedarf / 30 Tage
Täglicher Strombedarf = 1800 kWh / 30 Tage
Täglicher Strombedarf = 60 kWh pro Tag

Um diesen Strombedarf zu decken, benötigen wir eine Photovoltaik-Anlage mit einer ausreichenden Leistung. Angenommen, wir wählen ein monokristallines Photovoltaikmodul mit einer Leistung von 400 Watt (Affiliate Link), dann benötigen wir insgesamt:

Benötigte Anzahl der Module = Täglicher Strombedarf / Leistung pro Modul
Benötigte Anzahl der Module = 60 kWh pro Tag / (0,4 kW x 5,5h pro Modul = 2,2kWh pro 5,5h) (Annahme 1 Photovoltaik Modul hat 400 Wp Leistung und 5,47 Sonnenstunden pro Tag in Deutschland basierend auf 2000 Sonnenstunden pro Jahr)
Benötigte Anzahl der Module = 27,27 ~ 28 Module

Dies bedeutet, dass wir insgesamt 28 Photovoltaik-Module benötigen, um genügend Strom für die Vertikale Farm zu erzeugen, nur um die 12 Stunden Strombedarf für die Beleuchtung zu decken. Die tatsächliche Anzahl der Module kann jedoch je nach Standort, Ausrichtung, Neigungswinkel und anderen Faktoren variieren.

Um die benötigte Fläche für die Photovoltaik-Module zu berechnen, müssen wir die durchschnittliche Fläche pro Modul kennen. Angenommen, ein typisches monokristallines Photovoltaikmodul hat eine Fläche von 1,67 m², dann benötigen wir insgesamt:

Benötigte Fläche = Anzahl der Module x Fläche pro Modul
Benötigte Fläche = 28 Module x 1,67 m² pro Modul
Benötigte Fläche = 46,76 m²

Dies bedeutet, dass wir eine Fläche von etwa 46,76 m² benötigen, um die Photovoltaik-Module zu installieren. Bitte beachten Sie, dass dies nur eine grobe Schätzung ist und die tatsächliche Fläche je nach Modulgröße und -typ sowie anderen Faktoren variieren kann.

Und nun kommen wir zum Speicher, eigentlich müsste man es anders rum rechnen, erst den Bedarf ermitteln, dann den Speicher auswählen und dann die Solarmodule einplanen. Denn die Anzahl der Solarmodule, hängt vom bedarf und dem Akku ab.

Um überschüssige Energie zu speichern und zu nutzen, wenn keine Sonne scheint, benötigen wir einen Energiespeicher, wie z.B. einen Akku. Die benötigte Akku-Kapazität hängt von verschiedenen Faktoren ab, wie z.B. der Größe der Photovoltaik-Anlage, dem Strombedarf der Farm und der gewünschten Autonomiezeit (d.h. der Zeit, die die Farm ohne Sonnenlicht auskommen kann).

Angenommen, wir möchten eine Autonomiezeit von 5 Tagen erreichen und der tägliche Strombedarf beträgt 60 kWh, als Akku verwenden wir einen Lithium Akku. Da der Akku aber nur bis maximal 20% entladen werden sollte, rechnen wir mit dem Faktor 1,2 , dies entspricht 120%, also da wir nur „100%“ nutzen wollen, aber 20% des Akkus nicht nutzen wollen, müssen wir mit 120% rechnen.

Dann benötigen wir eine Batteriekapazität von etwa:

Benötigte Batteriekapazität = Täglicher Strombedarf x Autonomiezeit
Benötigte Batteriekapazität = 60 kWh pro Tag x 5 Tage
Benötigte Batteriekapazität = 300 kWh
Benötigte Batteriekapazität = 300 kWh x 1,2
Benötigte Batteriekapazität = 360 kWh

Hinzu kommt nun aber ein Problem, denn der Akku wurde auf basis des Strombedarfs berechnet, dieser Akku muss aber auch wieder geladen werden, das heißt, kann unsere Auswahl an Solarmodulen das?
Basierend auf der Rechnung nicht, denn die Photovoltaik Module decken nur den Tagesbedarf von 60 kWh ab.
Es kommt jetzt darauf an, wie schnell der Akku geladen werden soll, je schneller er geladen werden soll, desto mehr Module braucht man, kann man ein paar Tage darauf verzichten, dauert die Aufladung länger.

Mit 90kWh Solarleistung pro Tag, gehen 60 kWh in die Beleuchtung und 30kWh in den Akku

Ladedauer = Kapazität des Akkus / Ladeleistung 
Ladedauer = 360 kWh / 30 kWh
Ladedauer = 12 Tage (30kWh x 12 Tage = 360 kWh)

Verdoppelt man nun die Solarleistung von 60 kWh pro Tag auf 120 kWh, dann hat man 60 kWh Ladeleistung für den Akku und kann diesen innerhalb von 6 Tagen aufladen. Merke: Verdoppelung der Ladeleistung = halbierung der Ladezeit. Wobei man hier klar die Vorgaben der Akku Hersteller einhalten muss, denn nicht jeder Akku ist dafür geeignet große Mengen Strom aufzunehmen. Das geht jetzt dann aber in die Akku Chemie und möchte ich hier nicht weiter erläutern.

Der zusätzliche Aufbau der Photovoltaik Module wäre:

Benötigte Anzahl der Module = Täglicher Strombedarf(Beleuchtung + Akku) / Leistung pro Modul
Benötigte Anzahl der Module = 90 kWh pro Tag / (0,4 kW x 5,5h pro Modul = 2,2kWh pro 5,5h) (Annahme 1 Photovoltaik Modul hat 400 Wp Leistung und 5,47 Sonnenstunden pro Tag in Deutschland basierend auf 2000 Sonnenstunden pro Jahr)
Benötigte Anzahl der Module = 40,9 ~ 41 Module. Ohne Akku wären es 27,27 ~ 28 Module


Es werden also 14 Module mehr benötigt um die Lücke zu schließen und 30kWh pro Tag in den Akku einzuspeisen, damit dieser in 12 Tagen voll ist um dann 5 Tage Autonomie ohne Sonnenlicht bereitstellen zu können.

Dies bedeutet, dass wir eine Batteriekapazität von etwa 360 kWh benötigen, um überschüssige Energie zu speichern und zu nutzen, wenn keine Sonne scheint. Die tatsächliche Kapazität hängt jedoch von verschiedenen Faktoren ab, wie z.B. der Entladetiefe (d.h. dem Prozentsatz der Batteriekapazität, der entnommen werden kann, bevor die Batterie wieder aufgeladen werden muss), der Effizienz der Batterie und der Anzahl der angeschlossenen Verbraucher.

Es ist wichtig zu beachten, dass Batteriespeicher zusätzliche Kosten verursachen und regelmäßige Wartung erfordern. Die Kosten für eine Batterie hängen von verschiedenen Faktoren ab, wie z.B. der Kapazität, der Technologie und der Marke.

Da diese Größenordnungen nicht mehr für den Privaten Verbraucher zugänglich sind, und ich mich für diese Rechnungen nicht an einen Großhandel wenden wollte, kann man mit der Theorie rechnen.

Stand 2020 lag der Preis bei 111 Euro pro kWh Lithium Akku.

Akku Preis = Preis pro kWh x Akkukapazität in kWh
Akku Preis = 111€/kWh x  360 kWh
Akku Preis = 39.960 Euro

Wenn man jetzt noch Kosten für Transport, Steuern, Händlergebühren etc. mit einbezieht, kommen wir auf 45.000-50.000 Euro.

Man sieht, wenn man auf regenerative Energien wie Photovoltaik setzt, kann das ganze ziemlich schnell zu einem Flächen Problem werden, wenn man einen Akku dann auch noch schnell aufladen möchte, denn Photovoltaik braucht wirklich Sonne und 70qm Fläche nur für Solaranlagen ist auch nicht wenig, besonders wenn man bedenkt, das man dann noch einen Akku braucht und da sind wir beim Akku auch noch nicht ins Detail gegangen, denn man muss die Alterung, Kapazität Verluste, zyklische Ladungen etc. mit einbeziehen und wenn man dann schon 40.000€ nur für den Akku braucht und das nur, damit man 100kg Salat pro Monat ernten kann.

Im kleinen Bereich Zuhause mag Photovoltaik sich lohnen, im Labormaßstab und mit mehreren Racks geht das nicht mehr. Mittlere bis große Farm Anlagen können gleich auf ein BHKW (Blockheizkraftwerk) setzen und bei großen Anlagen wie bei AeroFarms kann ein SMR bzw. MMR Kernreaktor sinnvoller eingesetzt werden.

Was denkst du? Liege ich richtig? Falsch? Andere Meinung oder Ansicht? Für Korrektuvorschläge an meiner Rechnung bin ich offen.
Lass es mich wissen 🙂

 

Weiterführende Quellen:

Why indoor farming needs to seize the energy efficiency opportunity

 

 

Geschrieben von Petr Kirpeit

Alle Beiträge entsprechen meiner persönlichen Meinung und sind in Deutsch verfasst. Um englischsprachigen Lesern den Zugang zum Artikel zu bieten, werden diese automatisch über DeepL übersetzt. Fakten und Quellen werden nach Möglichkeit hinzugefügt. Sofern es keine eindeutigen Beweise gibt, gilt der jeweilige Beitrag als meine persönliche Meinung zum Stand der Veröffentlichung. Diese Meinung kann sich im Laufe der Zeit verändern. Freunde, Partner, Unternehmen und weitere müssen diese Position nicht teilen.

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