Emission-free smart greenhouse farming: increasing tomato production while reducing energy needs in a closed greenhouse system using an ECS

Det er et økende behov for ferske frukt og grønnsaker hele året. Disse blir ofte importert fra land med lavere lønnskostnader, men kan føre til en høy miljøbelastning. I Norge kan veksthusproduksjon øke selvforsyningsgrad ved å dyrke ferske frukt og grønnsaker. Bruk av fossil energi utgjør den største miljøbelastning. Ny teknologi gjør det mulig å utvikle et klima nøytral norsk veksthusproduksjon. In Norge er lys og CO2 er faktorene som begrenser avling og kvalitet. Ved å tilføre lys, i form av LED lys, og CO2 i veksthus kan en øke produksjon med det firedoblete og samtidige redusere energiforbruk per enhet av produkt. I tillegg blir kvaliteten betydelig bedre. Industripartneren GreenCap Solutions AS har utviklet et patentert system (Environmental Control System (ECS)) som gjør det mulig å kontrollere klima i veksthus på en helt annen måte enn før. Med systemet kan det fanges varme fra sol og lampene om dagen til bruk om natten ved å holde luftelukene i veksthuset igjen, noe som i teori vil spare 50% av energien og vil eliminere bruk av fossil energi. Vanndamp fra plantene gjenvinnes til vanning og det blir forhindret at CO2 går tapt og sikret at alt CO2 og lys blir brukt til fotosyntese. EFREE-Green vil forbedre produksjon av tomater hele året ved å samordne og optimalisere styring av plantevekst og veksthusklima. For å sikre bruk av systemet i praksis må opplegget være lønnsomme for gartnere og industripartnere. Alt det krever en tverrfaglig tilnærming. Vi vil bruke 1) Plantefysiologisk kunnskap for å øke og sikre produksjon i et lukket veksthus system ved bruk av supplerende LED-lys 2) Teknologisk kompetanse for å redusere energibehov i planteproduksjon 3) Fysikk og teknologisk kompetanse på prosessintegrasjon for å redusere energibehovet for ECS 4) en Modifisert bioøkonomisk modell for å optimalisere økonomisk lønnsomhet i Norge og andre land, mens 5) Miljømessig og sosial bærekraft vil bli dokumentert ved hjelp av relevante bærekraftsindikatorer.

Greenhouses can be a solution to increase Norway’s self-sufficiency rate by growing popular warm season fruits and vegetables, increasing production of per unit of area and extending the growing season. However, this comes in expenses of high energy needs covered by electricity and fossil fuels, thus not CO2 neutral. In a closed greenhouse system, heat energy and water is captured from the inside air and adding CO2 captured from the atmosphere, thus excluding the need for fossil fuel. EFREE-Green will enhance crop production of tomatoes all year-long with minimal energy requirements and enhanced CO2 sequestration by correlating the parameters used in environmental control systems (ECS) from greenhouses to plant growth, enabling full heat, water and CO2 recovery. EFREE-Green will enable to make the greenhouse industry 100% emission-free by 2030 and increase 50% Norwegian production by 2035. A successful introduction of ECS in the greenhouse industry, however, depends on the profitability of the system for the farmer. Achieving our goal requires an interdisciplinary approach to 1) increase the growth and yield of the crop 2) reduce energy consumption; and 3) reduce CO2 emissions. We will use 1) plant physiological knowledge to increase and secure production in a closed greenhouse system using supplemental LED light 3) physics and technological competence on process integration to reduce the energy need for the ECS 4) a modified bio-economical model to optimize the economic performance of a new system, including greenhouse design and 5) use the outcomes for smart farming, i.e. dynamically controlled crop production while reducing energy needs. The economic impact of the present smart farming will be linked to the product and power price. A techno-economic assessment will reveal the viability of this type of smart farming in Norway and other countries. Environmental and social sustainability will be documented using relevant sustainability indicators.