Ein Wettbewerb, zwei Ernten: Die sechs Jahre des Duoduo Agrarforschungs- und Technologiewettbewerbs
Das Schicksal der Kulturpflanzen liegt nicht mehr ausschließlich in den Händen von „günstigen Wetter- und Bodenverhältnissen“. Bei dieser Ausgabe von „Duoduo Agrarforschung“ soll es Ihnen ermöglicht werden, frische Erdbeeren das ganze Jahr über zu essen.
In diesem Jahr sind in Fengxian, Shanghai, mehrere „Pflanzenfabriken“ entstanden. Das sind Anbaukabinen ohne Sonnenlicht und ohne Jahreszeiten – in geschlossenen Räumen wird LED-Licht anstelle von Sonnenlicht, Substrat anstelle von Erde verwendet, und Klimaanlagen sowie Sensoren steuern Temperatur und Luftfeuchtigkeit, sodass die Pflanzen in der am besten geeigneten Umgebung wachsen können, ohne durch Jahreszeiten und Anbaugebiete eingeschränkt zu werden.
Die Pflanzenfabrik ist eine fortgeschrittene Form des Gewächshausanbaus. Der „Duoduo Agrarforschungs-Technologiewettbewerb“ ist eine neuartige Veranstaltung, die in den letzten Jahren im Bereich des Gewächshausanbaus entstanden ist. In den letzten sechs Jahren wurde der Veranstaltungsort schrittweise aufgerüstet, von den Gewächshäusern auf dem Yunnan-Hochland über die Container in Chongming bis zu den Pflanzenfabriken in Fengxian, Shanghai. Die Zahl der teilnehmenden Mannschaften und Personen hat ebenfalls allmählich zugenommen. Die gerade zu Ende gegangene fünfte Veranstaltung zog insgesamt 46 Teams aus der ganzen Welt und mehr als 300 junge Talente aus dem In- und Ausland an, was die höchste Teilnehmerzahl aller bisherigen Veranstaltungen darstellt.
Gleichzeitig steigen der technische Schwierigkeitsgrad und die Untersuchungsdimensionen des Wettbewerbs allmählich an. In der neuesten Auflage müssen die teilnehmenden Teams gemeinsam an umfassenden Problemen wie Energieverbrauch und Kosten des Anbaus, Qualität und Sorten der Kulturen sowie Gestaltung und Umsetzung von Pflanzenfabriken arbeiten.
Unter Berücksichtigung der Leistungen bei Gestaltung und Bau der Pflanzenfabrik, Anbauergebnissen, Kosten und Energieverbrauch gewann das Team „Cyber-Bauern“, das von der Chinesischen Agraruniversität gegründet wurde, den ersten Preis des Wettbewerbs zum zweiten Mal in Folge. Das Team „Öko-Imitation“, das von dem Zhejiang-Unternehmen Tajinmai angeführt wird, gewann den zweiten Preis. Das Team „Berry Cube“ unter der Leitung der Shanghai Jiao Tong Universität holte den dritten Preis, und das Team „Opple Smart Berry“ unter der Führung des Shanghaier Unternehmens Opple Lighting erhielt den Förderpreis.
Der Sinn der Durchführung dieses Wettbewerbs besteht nicht darin, eine schöne Geschichte über den Anbau von Erdbeeren in Pflanzenfabriken zu erzählen, sondern die landwirtschaftliche Forschung von wissenschaftlichen Arbeiten in die tatsächliche Produktion und sogar zur Verbesserung des Wohls der Bevölkerung zu bringen.
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Die günstigen Wetter- und Bodenverhältnisse in Parameter zerlegen, um einen „künstlichen Jahreszeitenkreislauf“ für Erdbeeren zu schaffen?
Warum werden Pflanzenfabriken in der aktuellen Phase benötigt?
Das hängt natürlich zuerst mit den praktischen Schwierigkeiten des Anbaus von Kulturpflanzen zusammen. Nach der Zusammenfassung von He Dongxian, Jurorin des Wettbewerbs und Professorin am Institut für Wasserbau und Ingenieurwesen der Chinesischen Agraruniversität, gibt es drei Hauptherausforderungen beim traditionellen Erdbeeranbau im Freien oder im Gewächshaus: Unterbrechung der Versorgung im Sommer und Herbst, Krankheiten und Monokultur sowie Abhängigkeit von Saatgutquellen.
Allein die Lösung des Problems der Versorgungsunterbrechung erfordert viele Überlegungen. Da der traditionelle Erdbeeranbau klare saisonale Fenster hat, sind Sommer und Herbst die „Versorgungslücken“ für den Anbau im Freien und im Gewächshaus. Aus diesem Grund hat der diesjährige Wettbewerb den Anbauzyklus bewusst über Sommer und Herbst gelegt, um direkt auf die Branchenlücke abzuzielen: In dieser Zeit gibt es fast keine einheimischen frischen Erdbeeren, die nur durch Transport aus Gegenden mit außerhalb der Saison liegenden Anbaugebieten und Kühlketten ergänzt werden können, was hohe Preise und große Verluste verursacht.
Die Kultivierung von Erdbeeren in einer Pflanzenfabrik ist nicht einfach. Im Vergleich zu Blattgemüse erfordert der Anbau von Erdbeeren sowohl die vegetative als auch die reproduktive Wachstumsphase. Darüber hinaus hat die kontinuierliche Blüte und Fruchtbildung feine Anforderungen an Lichtrezepturen, Temperatur und Luftfeuchtigkeit, Wasser und Dünger sowie Belüftung.
Diese Anbauschwierigkeiten schlagen sich letztendlich in den Kosten nieder. Insbesondere die Energiekosten sind ein zentrales Thema. Lü Zhaochen, Mitglied des Teams „Berry Cube“, sagte es ganz offen: „Wenn das Energieproblem nicht gelöst wird, werden Erdbeeren aus Pflanzenfabriken kaum in die Einkaufskörbe gewöhnlicher Verbraucher gelangen.“ Die drei kommerziellen Schwellenwerte, die He Dongxian vorgeschlagen hat, werden in der Branche immer wieder zitiert: 5 kg Ertrag pro Quadratmeter und Jahr gelten als qualifiziert, 8 kg bedeuten Kostendeckung und 12 kg führen zu echten Gewinnen.
Das energieeffizienteste Team in dieser Auflage ist das Team „Opple Smart Berry“. Es leitet die Wärme direkt mit wassergekühlten Leuchten ab und spart weitere 5 bis 6 Prozentpunkte durch die Stromversorgung mit Hochspannungsgleichstrom, sodass sein Energieverbrauch unter den vier Teams am niedrigsten liegt. Zusammengefasst nutzte es seine technischen Vorteile im Beleuchtungsbereich, um die Energieeffizienz durch ein intelligentes Sammel- und Steuerungssystem für die Stromversorgung mit Gleichstrom und das Design der Leuchten zu verbessern.
Die Mitglieder des Teams „Berry Cube“ steuerten Geräte wie Lüfter, Klimaanlagen und Entfeuchter mit unabhängigen Schaltern, um ein präzises Starten und Stoppen einzelner Geräte zu erreichen und Energieverschwendung so weit wie möglich zu vermeiden. Gleichzeitig ließ das System die zukünftige Entwicklung von Temperatur und Luftfeuchtigkeit 15 Minuten im Voraus auf Basis der Echtzeitdaten in der Pflanzenfabrik vorhersagen und traf 5 Minuten im Voraus Entscheidungen zur Gerätesteuerung. Dank dieses Kühlschemas machte der Energieverbrauch der Klimaanlagen des Teams weniger als 20 % des Gesamtenergieverbrauchs aus, während dieser Anteil bei den anderen Teams jeweils bei etwa 30 % lag.
Das Team „Cyber-Bauern“, das schließlich den ersten Preis gewann, siegte dadurch, dass es nicht nur die Stromkosten senkte, sondern mit jeder Kilowattstunde mehr und qualitativ bessere Erdbeeren erzeugte. Das ist der Grund, warum seine Kostenrechnung aufgeht.
Dieses Team hat bereits an fünf aufeinanderfolgenden Ausgaben des Duoduo Agrarforschungs-Technologiewettbewerbs teilgenommen. Alle Mitglieder sind Master- und Doktoranden mit fachlichem Hintergrund. Das schwierigste Problem war, dass sie keine praktische Erfahrung im Anbau von Erdbeeren hatten, sodass sie nur das Wissen von Experten, Literatur und historische Daten zu einem Wissensgraphen verarbeiten konnten. Alle Mitglieder, von den „Altmitgliedern“ bis zur Kapitänin Chen Minhui, haben durch die mehrfache Teilnahme am Wettbewerb reiche Erfahrung gesammelt und ein langfristiges Forschungs Team gebildet.
Sie möchten der Außenwelt das Anbaukonzept des „Gesprächs mit den Pflanzen“ vermitteln. In der Pflanzenfabrik bedeutet dies die grundlegende Betriebslogik der Umweltsteuerung: Man sollte nicht künstlich eine Reihe von Parametern festlegen, um die Pflanzen zur Anpassung zu zwingen, sondern die Umwelt so weit wie möglich auf Basis der Rückmeldungen der Pflanzen anpassen. Das ähnelt der Logik, dass sich die Kleidung dem Menschen anpasst und nicht umgekehrt.
Nach mehreren Teilnahmen am Wettbewerb und der technischen Iteration hat das Team „Cyber-Bauern“ dieses Konzept in technische Methoden wie intelligente Modelle, Bilderfassung und Fernüberwachung integriert. Das bedeutet aber nicht, dass der Betrieb von Pflanzenfabriken von echten Menschen unabhängig werden kann. Insbesondere im tatsächlichen Produktionsprozess können das Entfernen alter Blätter und die Kommunikation mit den Arbeitern vor Ort nicht durch Technik und Algorithmen ersetzt werden. Je weiter die Technik fortschreitet, desto mehr braucht es menschliche Weisheit und die Entfaltung der subjektiven Initiative.
Das Team „Cyber-Bauern“ verwendete weiterhin die in den vorherigen Wettbewerbsrunden genutzte Technologie zur Rückgewinnung von Kondenswasser, bei der der Wasserdampf aus der Transpiration der Pflanzen durch die Entfeuchtung der Klimaanlage gesammelt und wiederverwendet wird. Statistiken zeigen, dass das Team in den 165 Tagen des tatsächlichen Anbaus nur 7,8 Kubikmeter Wasser verbrauchte, weit weniger als die anderen Teams. Die Menge des zurückgewonnenen Kondenswassers betrug mehr als 24.500 Liter, mit einer Rückgewinnungsrate von 75,7 %, was die Betriebskosten der Pflanzenfabrik stark senkte.
Das Echtzeit-Monitoring des Steuerungssystems der Pflanzenfabrik macht alle Ziel-Umweltdaten auf einen Blick sichtbar
Natürlich zeigen die Maßnahmen mehrerer Finalteams: Eine Pflanzenfabrik ist nicht fertig, wenn man Geräte in einen Container stellt. Fernsteuerung, nachfolgende Wartung und Verwaltung vor Ort müssen alle Schritte mitziehen, damit das System wirklich vollständig übergeben ist.
Die Leistung des Teams „Öko-Imitation“ verdeutlicht das sehr gut. Es ist das einzige Team, das auf den Substratanbau verzichtet und stattdessen den flachen Flüssigstromanbau verwendet. Das Team nutzte selbst entwickelte spezielle Rinnen und Anbaugeräte für den flachen Flüssigstromanbau, um die Raumausnutzung der Pflanzenfabrik erheblich zu verbessern. Die Anzahl der angebauten Pflanzen lag unter den vier Teams an erster Stelle.
Früher wurden Erdbeeren in Erde angebaut. Das Team „Öko-Imitation“ wollte Wasser als Träger verwenden und nützliche Bakterien ins Wasser geben, damit die Zersetzung organischer Säuren innerhalb des Systems abläuft. He Zhaohui, Mitglied des Teams, beschrieb das Team als Kombination aus „wissenschaftlichem Team aus Zhejiang“ und „praxiserfahrenen Industrieexperten“. Die Mitglieder decken mehrere Bereiche wie Züchtung, Gartenbau, Pflanzenschutz und internationale kommerzielle Umsetzung ab. Sie wollen nicht nur eine Charge Erdbeeren abliefern, sondern ein reproduzierbares und übergebbares Produktionssystem.
Die Erdbeerversorgung hängt stark von Anbaugebieten, Jahreszeiten und Transportbedingungen ab, aber die Menschen wollen sie zu jeder Jahreszeit und an jedem Ort essen. Genau in dieser Lücke liegt die Bedeutung der Pflanzenfabrik. Sie soll nicht nur Gewächshäuser ersetzen oder nur die Technik validieren, sondern eine reproduzierbare Produktionskapazität bilden.
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Wer zahlt für die Pflanzenfabrik zwischen Stromkosten, Qualität und Ertrag?
Alle Finalteams haben versucht, das Kostenproblem durch Technik zu lösen. Nach fast einem halben Jahr Anbau haben sich die Lösungen als umsetzbar erwiesen, aber die Pflanzenfabrik steht noch vor einigen wichtigen kommerziellen Fragen.
Wer braucht eigentlich Pflanzenfabriken und ist die Nachfrage auf diesem Markt groß genug?
Diese Rechnung ist derzeit klar: Wenn die Kompensation durch gespeicherten Photovoltaikstrom nicht berücksichtigt wird, betragen die Stromkosten pro Kilogramm Erdbeeren etwa 10 Yuan mehr als beim herkömmlichen Anbau. Das bedeutet, dass Pflanzenfabrik-Erdbeeren kaum in gewöhnliche Verbrauchsszenarien gelangen können. Das ließ eine Gruppe von Teilnehmern, darunter He Zhaohui, anfangs das kommerzielle Potenzial nicht sehr optimistisch einschätzen. Die Geschichte hat wiederholt gezeigt, dass die Vorreiterrolle einer Technologie zwar vorübergehend die Aufmerksamkeit von Investoren auf sich ziehen kann, aber langfristige Investitionen erfordern eine stabile Marktnachfrage.
Gewöhnliche Verbrauchsszenarien können diese Kosten vorübergehend nicht decken, aber einige übersehene Märkte lassen Hoffnung aufkommen. Derzeit konzentriert sich die Nachfrage hauptsächlich auf drei Arten von Orten: einerseits die großen Metropolen im Inland, andererseits trockene Gebiete im Ausland und Länder mit niedriger Selbstversorgungsrate an Gemüse.
Wenn die teilnehmenden Teams über den Nachfragemarkt sprechen, teilen sie ihn oft nach den Mängeln der geografischen Bedingungen ein, nicht nach Branchen: Wo Licht, Land oder Verkehr die Versorgung mit Obst und Gemüse erschweren, dort könnte der Markt für das Pflanzenfabrikmodell liegen.
Yu Hong, Leiterin des Erdbeer-Forschungsteams der landwirtschaftlichen Akademie von Hangzhou, sagte offen: „Bei gleichem Ertrag ist es besser, den Ertrag auf Sommer und Herbst zu verlegen, wo der Preisaufschlag höher sein kann, als im Winter massenhaft auf den Markt zu kommen.“
Diese Einschätzung basiert auf der industriellen Realität: Die Saison für Erdbeeren aus Freiland und Gewächshaus konzentriert sich von Dezember bis April des Folgejahres. In der restlichen Zeit kann fast keine Produktion stattfinden, weil Erdbeeren eine Blütenknospendifferenzierung erfordern, bei der die Nachttemperatur unter 12 Grad liegt. In der Lücke des traditionellen Anbaus könnten die Verbraucher die höherpreisigen Erdbeeren aus Pflanzenfabriken akzeptieren. Sobald die Erdbeersaison beginnt, können sie weder mit Erdbeeren aus Gewächshäusern noch mit denen aus Freiland mithalten.
Das Team „Berry Cube“ hat darauf basierend ein Kundenprofil erstellt. In der Versorgungslücke im Sommer und Herbst liefern sie direkt an hochwertige Bäckereien, Premium-Supermärkte und Sternehotels. Diese drei Kundengruppen sind preisunempfindlich, haben aber sehr hohe Anforderungen an eine stabile Lieferung und eine einheitliche Fruchtform, was genau den Stärken der Pflanzenfabrik entspricht.
