Um einen m2m2\rm m^2 Nutzpflanzen anzubauen, wie viele m2m2\rm m^2 Sonnenkollektoren braucht man?

In vertikalen Farmen müssen Sie LEDs verwenden, um Pflanzen zum Wachsen zu bringen, die wiederum z. B. durch Sonnenkollektoren mit Strom versorgt werden müssen. Wenn Sonnenkollektoren den gleichen Wirkungsgrad wie Pflanzen hätten, dann würden Sie die gleiche Menge an Sonnenkollektoren benötigen wie zuvor Pflanzen, wenn Ihre LEDs einen perfekten Wirkungsgrad hätten. Die Behauptung, vertikale Farmen würden weniger Fläche verbrauchen, erscheint daher zunächst seltsam.

Aber es scheint, dass Sonnenkollektoren effizienter sind als Pflanzen . Obwohl sich die (zum Zeitpunkt des Schreibens) akzeptierte Antwort auf die Stromerzeugung (Verbrennung von Biokraftstoffen) konzentrierte, was für Solarmodule von Vorteil ist, da keine weiteren Umwandlungsschritte erforderlich sind.

Die Frage ist also, macht es Sinn den Umweg (Sonnenlicht -> Solarpanel -> Strom -> Licht -> Pflanze) zu gehen?

Da Sie wahrscheinlich bei jedem Schritt an Effizienz verlieren, scheint dies intuitiv falsch zu sein, aber Gründe, warum dies sinnvoll sein könnte , sind:

  • Pflanzen können möglicherweise einen kleineren Prozentsatz des Lichtspektrums in Energie umwandeln, wenn Sonnenkollektoren das gesamte Spektrum erfassen können und LEDs nur dieses Spektrum erzeugen, gewinnen Sie an Effizienz
  • Pflanzen können möglicherweise nur bis zu einem bestimmten Punkt Energie verbrauchen und den Rest "wegwerfen". Wenn Sonnenkollektoren die gesamte Energie einfangen können, könnten Sie sie auf mehrere Pflanzen mit schwächerem Licht aufteilen

Die Frage ist also: Um einen Quadratmeter Nutzpflanzen anzubauen, wie viele Quadratmeter Sonnenkollektoren braucht man?

(Dies kann vom Breitengrad abhängen)

Spannende Frage. Aber verwenden die meisten vertikalen Pflanzenfarmen tatsächlich Solarenergie oder nutzen sie andere Stromquellen, z. B. Kernenergie? Wenn sie mit Strom aus dem Netz betrieben werden, erhalten sie einen Mix mit nur einem geringen Anteil an Sonnenenergie.
@Polygnome sicher, aber das ist eher abstrakt - "ist das eine vernünftige Sache, die man in Zukunft anstreben sollte?" Art von Frage, und idealerweise wollen wir in relativ naher Zukunft alle nicht erneuerbaren Anlagen, einschließlich Kernkraftwerke, loswerden. Fusion könnte die Dinge wieder ändern, aber bis dahin scheint dies ziemlich relevant zu sein
@PM2Ring Würde es helfen, sich auf Pflanzen für die Landwirtschaft zu konzentrieren? Ich denke, dass in der vertikalen Landwirtschaft oft zwischen Blattgemüse, Gemüse und energiereichen Lebensmitteln (Getreide/Reis/Kartoffeln) unterschieden wird. Das würde also immer noch mehrere Kategorien übrig lassen.
Denken Sie auch daran, dass Vertical Farms keine einzelnen Stockwerke sind, sondern oft mehrere Pflanzenschichten? Einen attraktiven Aspekt von Vertical Farms finde ich in Ländern mit knappen/teuren Flächen (z. B. Japan, Niederlande) die geringere Gesamtfläche, da man sozusagen mehrere Farmen übereinander bauen kann.
@ JohnW. Aber Sie müssen immer noch jede Etage dort beleuchten. Die Frage ist also, wie viele Quadratmeter Sonnenkollektoren Sie benötigen, um einen Quadratmeter Pflanzen zu beleuchten. Wenn Sie nur brauchen 0,25 M 2 von Sonnenkollektoren pro M 2 von Pflanzen, dann könnten Sie 4 Stockwerke mit Sonnenkollektoren als eigenständiges System bauen. Wenn Sie mehr Solarmodule benötigen, müssten Sie sie woanders als auf dem Dach platzieren und würden dann nicht wirklich Land sparen, oder? Ich meine, das ist genau der Sinn der Frage. Sparen Sie eigentlich Landfläche? Oder scheinen Sie es einfach zu sparen, bevor Sie die Stromerzeugung in Betracht ziehen
@ JohnW. Sie brauchen immer noch Licht, und Licht braucht Energie. Wenn das Kraftwerk für die vertikale Farm mehr Platz benötigt als ein gleichwertiges, traditionelles Feld mit den gleichen Erträgen, dann sparen Sie nicht wirklich Platz. Die interessante Frage ist, ob Sonnenkollektoren und vertikale Farmen zusammen weniger Platzbedarf haben als ein herkömmliches Feld. Vertical Farming wird in Paris und Singapur eingesetzt, weil der Platz dort knapp ist, aber meines Wissens kommt die Energie aus dem Netz. Vertical Farming im globalen Maßstab macht nur Sinn, wenn die Energieerzeugung nicht mehr Platz braucht, als Vertical Farming einspart.
Ich verstehe deine Denkweise. CookieNinjas Antwort weist jedoch darauf hin, dass Panels an Orten platziert werden könnten, die für die Landwirtschaft ungeeignet sind (z. B. Wüsten), wodurch kein Platz "verschwendet" wird, obwohl er immer noch benötigt wird. Aber ja, es wäre sinnvoll zu evaluieren, ob der Gesamtflächenverbrauch höher ist.

Antworten (2)

Das effizienteste Solarpanel trumpft mit einem Wirkungsgrad von 22,8 % auf. Während im besten Fall Pflanzen 28,2 % des Sonnenlichts von Chlorophyll absorbiert werden. Selbst wenn auf dem Weg zum Zucker weitere Energieverluste entstehen, umgeht die vertikale Farm diese Schritte nicht und ist daher irrelevant. Unter der Annahme des großzügigsten Falls (100% Elektrizität -> absorbiert durch Chlorophyll) würden Sie am Ende immer noch ungefähr verbrauchen 1 / 3 mehr Landfläche für Ihre vertikale Farm.

Die traditionelle Landwirtschaft erfordert fruchtbaren Boden, reichlich Wasser und Sonnenlicht. Während die Einrichtung der vertikalen Farm nur 1 von 3 erfordert. Die Sonnenkollektoren könnten sich an einem sonnigen Ort befinden, der für den Anbau nicht geeignet ist, während sich die vertikale Farm neben der Lebensmittelverarbeitungsanlage befinden könnte. Auf diese Weise konkurriert es nicht mit der traditionellen Landwirtschaft um Platz und reduziert auch die mit dem Transport verbundenen CO2-Emissionen. Die Landwirtschaft in einer geschlossenen Umgebung reduziert den Bedarf an Pestiziden um 0 und reduziert zudem Wasserverluste durch Verdunstung und Entwässerung effektiv 0 .

Die Antwort auf Ihre Frage wäre also: Es kommt darauf an. Wenn Sie reichlich fruchtbare Böden und Wasser haben, dann ist der gute altmodische Weg schwer zu schlagen. Knappes Wasser, Ödland, das für nichts anderes geeignet ist? Dann könnte Vertical Farming durchaus Sinn machen.

EDIT: Es gibt auch die Alternative, Gewächshäuser auf besagtem Ödland zu verwenden. In diesem Fall sehe ich nicht wirklich einen Grund für die Verwendung vertikaler Farmen, die mit Sonnenkollektoren mit der heute verfügbaren Technologie betrieben werden.

Ich habe bereits argumentiert, dass Sie in gewissem Sinne immer noch die gleichen Schritte mit einem Umweg durchlaufen, so naiv, dass dies schlimmer sein sollte, aber ich habe auch Gründe genannt, warum dieses naive Argument "mehr Schritte ist schlechter" falsch sein könnte und Sie sie nicht wirklich ansprechen . Außerdem scheinen Ihre durchschnittlichen Effizienzzahlen falsch zu sein: en.wikipedia.org/wiki/Solar_cell_efficiency "Dies liegt über der Standardbewertung von 37,0 % für polykristalline Photovoltaik- oder Dünnschicht-Solarzellen." Und man könnte statt einer vertikalen Farm auch ein Gewächshaus auf einer Brachfläche bauen – dann würde man das Sonnenlicht direkt nutzen…
Ich habe mir gerade die Quelle für diesen Satz in Wikipedia angesehen, und die Quelle hat den Satz nicht wirklich bestätigt. Da könntest du also recht haben
Hier habe ich den Wirkungsgrad für Solarmodule ermittelt: solarreviews.com/blog/what-are-the-most-efficient-solar-panels Zugegeben, er gilt derzeit für im Handel erhältliche Solaranlagen und kann sich in naher Zukunft ändern . Guter Fang bei der Alternative zur Verwendung von Gewächshäusern, daran habe ich nicht gedacht und werde meine Antwort aktualisieren.
@FelixB. In meiner Antwort versuche ich, den bestmöglichen Fall für vertikale Farmen zu machen. Ich denke, es geht darum, "warum dieses naive Argument "mehr Schritte ist schlimmer" falsch sein könnte", wenn es immer noch keinen Sinn macht, davon auszugehen 0 Verluste in jedem Schritt.
en.wikipedia.org/wiki/Photosynthetic_efficiency typische Nutzpflanzen scheinen im Bereich von 1-2% zu liegen. Nehmen wir an, dies liegt an der Tatsache, dass sie nur 1-2 % des Lichtspektrums verwenden, und sagen wir, dass wir LEDs herstellen können, die nur dieses bestimmte Licht emittieren. Dann könnten die Pflanzen ~100% des Lichts der LEDs nutzen und wenn die LEDs zu 50% und die Solarpanels zu 20% effizient sind, würde dies immer noch 10% Effizienz insgesamt ergeben. Das heißt, Sie könnten 5 Stockwerke mit Pflanzen versorgen. Woher hast du die 28%?
@FelixB. "Nehmen wir an, das liegt daran, dass sie nur 1-2% des Lichtspektrums nutzen" - Aber das stimmt nicht. In demselben Wikipedia-Artikel, den Sie verlinkt haben, heißt es, dass 71,8 % des Verlusts vor der Lichtabsorption auftreten und ~ 27 % nach der Absorption verloren gehen. Selbst wenn wir LEDs verwenden, müssen wir immer noch den Preis für Energie bezahlen, die in den biologischen Prozessen verloren geht. Die LED wird die Pflanze nicht auf magische Weise besser darin machen, ATP -> Glukose umzuwandeln.
Es wird viel daran gearbeitet, verschiedene Pflanzenteile zu unterschiedlichen Zeiten in verschiedenen Farben zu beleuchten – das geht nur mit künstlichem Licht. Wenn Sie drinnen sind, können Sie die Temperatur besser kontrollieren, was dazu beitragen kann, dass einige Pflanzen schneller wachsen / reifen. Sie bekommen nicht zur falschen Zeit einen harten Frost. Wenn Sie sich in einem kontrollierten Raum befinden, können Sie beispielsweise den CO2-Gehalt erhöhen, was auch einigen Pflanzen beim Wachstum hilft. Effizienz liegt nicht nur in der Umwandlung von Sonnenlicht -> Solarenergie -> LEDs. Viele weitere reale Faktoren, die berücksichtigt werden müssen.
Außerdem müssen sich diese Solarmodule nicht in der Nähe des Ortes befinden, an dem Sie anbauen. Günstiger Strom zu bewegen als hoffrische Produkte.
@CookieNinja Selbst wenn wir davon ausgehen würden, dass die Anlage durch die Spektrumsabstimmung nur von 2% auf 20% Wirkungsgrad steigen würde, würdest du immer noch 0,2*0,5*0,2 = 2% Wirkungsgrad rausholen. Dh an diesem Punkt sind Sie an der Gewinnschwelle. Mein Punkt war, dass es einen Weg gibt, wie dies Sinn machen könnte . Nicht dass diese Zahlen unbedingt wahr sind. Ich möchte nur eine Antwort, die diese Art von Dingen berücksichtigt. Dinge wie Temperatur und CO2-Gehalt sind ebenfalls interessant zu berücksichtigen
@JonCuster & FelixB. Mein springender Punkt ist, dass selbst wenn jedes einzelne Photon von LED in der Zelle in ATP umgewandelt wird (perfekte Spektrumsabstimmung), die Pflanze immer noch 68 % bei der Umwandlung von ATP -> Glukose verliert und etwa 40 % des Rests verloren gehen, wenn sie das behalten Pflanze lebt und wächst. Keine Technologie (vielleicht Bio-Engineering?) wird Sie daran vorbeibringen. Daher erhalten Sie eine falsche Antwort, wenn Sie diese Verluste in einer natürlichen Wachstumsumgebung, aber nicht in einer künstlichen Umgebung berücksichtigen. Selbst unter der Annahme eines perfekten Betriebs werden wir für eine gegebene Landfläche keine Gewinnschwelle erreichen.
@CookieNinja efficiencyOutdoors = (1-spectrumLoss) * ATPEfficiencyEtc, während efficiencyIndoors = solarEfficiency * Lightefficiency * ATPEfficiencyEtc. Wenn wir also das Verhältnis Effizienz im Freien/Effizienz im Innenbereich betrachten, ist das ATP-Zeug völlig irrelevant. Die Frage ist nur, ob Sie die Sonnen- und Lichteffizienz hoch genug bekommen können, um die Spektrumeffizienz von Pflanzen zu übertreffen.
RE "Der beste Fall für Pflanzen haben 28,2% des Sonnenlichts, das von Chlorophyll absorbiert wird." Spielt das eine Rolle? Sollten wir nicht die Effizienz für die einzelnen Pflanzen berücksichtigen, die Sie tatsächlich anbauen möchten.
@FelixB. Genau, wenn man ATP -> Glukoseverlust ignoriert, dann machen Pflanzen etwa 28% aus, während die beste kommerzielle Solaranlage etwa 22% beträgt. Vielleicht werden Photovoltaikzellen eines Tages die Erfassungsrate von Pflanzen übertreffen, aber das ist heute nicht der Fall.
@ThePhoton Sicher, aber OP hat keine Pflanze zur Prüfung angegeben.
@CookieNinja okay danke für die Klarstellung. Ich frage mich jedoch, warum es dann Leute gibt, die Pflanzenfabriken versuchen - angesichts der Tatsache, dass Gewächshäuser in diesem Fall unbedingt besser sein sollten
@FelixB. Ich kann nur vermuten, dass sie erwarten, dass Solaranlagen irgendwann dort ankommen werden. Hinzu kommt die Möglichkeit, jede andere Energiequelle Wind, Kernkraft, Wasserkraft etc. zu nutzen.
@CookieNinja, aber da Sie auch mit der Beleuchtung an Effizienz verlieren werden, ist das nicht einmal annähernd. Ich meine, die besten Solarmodule sind nicht einmal zu 50 % effizient. Und die Gewinnschwelle ist nicht wirklich das, was Sie wollen – Sie wollen schließlich mehrere Geschichten

Einige Überlegungen, die berücksichtigt werden sollten:

  • Die Menge an Energie, die von Pflanzen auf a aufgenommen wird 1 M 2 hängt von der Art der Pflanzen ab, ihrer Dichte, wie effizient sie die Fläche mit ihren Blättern bedecken usw. Mit anderen Worten, der Hauptgewinn kann aus der Tatsache resultieren, dass ein Solarpanel bedeckt 1 M 2 kontinuierlich, wodurch die Oberfläche effizienter genutzt wird.
  • Wenn Pflanzen Fraktion absorbieren a Licht, während die Sonnenkollektoren einen Bruchteil absorbieren β , dann werden die Pflanzen am Ende eine Fraktion absorbieren a β . Man könnte jedoch mit den Sonnenkollektoren spielen, die ein breiteres Spektrum absorbieren und dann Pflanzen mit einem effizienteren Licht beleuchten.
  • Pflanzen, Sonnenkollektoren und alle anderen Geräte oder Organismen verbrauchen nur einen Teil der verfügbaren Energie und werfen den Rest weg - das Wegwerfen eines Teils der verfügbaren Energie wird vom zweiten Hauptsatz der Thermodynamik gefordert (oft in den Debatten um grüne Energie vernachlässigt).
  • Das Verbrennen einer Batterie erzeugt tatsächlich mehr Energie, als sie zum Betreiben eines Stromkreises zu verwenden ... es ist nur so, dass die Nutzung dieser Energie eine Herausforderung darstellt.
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