Horisontal versus vertikal dyrking i veksthus – eller en hybrid kombinasjon?

Verden trenger mer mat, og vi må utvikle nye og bærekraftige måter å produsere den på. Kan hybride veksthus, der vertikal dyrking kombineres med horisontal/tradisjonell veksthusproduksjon, bidra til dette? Prosjektet HybriGrowth har som mål å demonstrere at dette konseptet er en mulighet som kan gi energieffektiv drift og økt produktivitet.     

Global matkrise og selvforsyning

Befolkningsveksten i verden og andre faktorer krever at matproduksjon må øke betydelig innen 2050. Dette fremtidsbildet forsterkes av at verden allerede nå står overfor en global matkrise. Klimaendringer med ekstremvær, konflikter og høye priser på mat, drivstoff og gjødsel har ført til mangel på mat og sult i deler av verden.

I Norge har covid-19-pandemien og krigen i Ukraina utløst en forsterket oppmerksomhet rundt behovet for matsikkerhet og nasjonal selvforsyning. Graden av selvforsyning ligger på rundt 40 %, og det er et mål om at denne skal økes til 50 %.

For å styrke matsikkerheten må vi øke produksjonen av matkorn og andre avlinger som har gunstige vekstforhold i Norge. På samme tid er det nødvendig, med våre klimatiske forhold, å optimalisere dyrkingen av frukt og grønnsaker.

Tradisjonelle veksthus

Økt produksjon av frukt og grønt i veksthus kan gi et viktig bidrag til norsk selvforsyning. Veksthus gir optimale vekstvilkår og beskyttelse mot ugunstige værforhold og skadedyr, og dette kan være avgjørende for å sikre en stabil tilførsel av lokalprodusert mat.

Veksthus i tradisjonell stil kjennetegnes av gjennomsiktige tak og vegger av glass eller plast der plantene vanligvis dyrkes i et horisontalt lag – enten i senger på bakkenivå eller på opphøyde vekstbord og benker. Denne utformingen gir naturlig varme og lys til plantene og muliggjør kontinuerlig produksjon under nøye kontrollerte omgivelser.

Moderne veksthus/glasshus begynte å ta form i Europa under renessansen og utviklet seg videre utover på 17- og 1800-tallet. Denne utviklingen ble drevet frem av en økende interesse for sjeldne og eksotiske frukter blant aristokratiet og overklassen. Spesialdesignede veksthus ble bygget for å dyrke frem frukter som appelsiner og ananas, symboler på status og luksus på den tiden. Disse strukturene ble gradvis mer avanserte og dannet grunnlaget for utviklingen mot moderne veksthus som vi kjenner dem i dag.

De klimatiske forholdene i Norge tilsier at veksthus er spesielt nyttige for dyrking av arter som ikke tåler de kalde og lange vintrene like godt. Veksthusene gir en effektiv beskyttelse mot frost og sikrer samtidig gunstige lysforhold til plantene gjennom den mørke årstiden. I tillegg kan gartnerne regulere viktige faktorer som temperatur og fuktighet, noe som kan bidra både til utvidede vekstsesonger og produksjon utenfor den vanlige sesongen. Med gunstige vekstforhold er det også mulig å dyrke eksotiske grønnsaker som ikke er naturlig forekommende i Norge, som for eksempel aubergine, squash og okra.

Men optimal drift av veksthus er generelt energikrevende, og energiforbruket kan utgjøre opptil 30-40 % av de totale produksjonskostnadene. I Norge er veksthusdrift preget av et betydelig behov for belysning og oppvarming, og energien til dette dekkes vanligvis ved en kombinasjon av elektrisitet og fossile brensler. Alternativt kan varme til veksthus hentes fra ulike kilder som fjernvarme, spillvarme, biogass, og flis- eller pelletsfyring, samt ved bruk av varmepumper.

Tradisjonelt har fossile brensler fyringsolje, naturgass og propan vært mye brukt i Norge. Imidlertid er fyringsolje nå i ferd med å bli faset ut og vil være forbudt etter 1. januar 2025. Til tross for dette er det fortsatt nødvendig med omstilling og redusert bruk av fossile energikilder i veksthusbransjen. Gartnerforbundet’s Energi- og klimastrategi for 2021-2030 sikter mot at veksthusnæringen i Norge skal være tilnærmet 100 % fornybar i 2030.

En utfordring knyttet til overgangen til fornybar energi i veksthusbransjen er plantenes avhengighet av CO₂ til fotosyntesen. CO₂ er en nødvendig næringskilde for plantene, og studier har vist at planteveksten kan øke med 30-50 % ved ekstra tilførsel av CO₂ til veksthusklimaet. Bruken av naturgass og propan til oppvarming har tradisjonelt også blitt benyttet for å tilføre CO₂ til veksthusene. Røykgassen fra disse gassene inneholder hovedsakelig CO₂ og vanndamp, og den kan føres direkte inn i veksthuset uten behov for rensing.

Med utfasing av gasskjeler må gartnerne finne alternative løsninger for å berike CO₂-nivået i norske veksthus. En mulighet er å kjøpe CO₂, men dette kan være relativt kostbart. En annen tilnærming er å hente CO₂ direkte fra luften ved hjelp av avansert absorpsjonsteknologi.

En viktig faktor ved CO₂-berikelse er å holde CO₂-nivået oppe så lenge som mulig uten behov for hyppig utlufting gjennom taklukene. Ventilasjon gjennom lufteluker er en vanlig praksis for å kvitte seg med luftfuktighet i veksthus eller for avkjøling når temperaturen blir for høy. Denne praksisen gir imidlertid unødvendig tap av både CO₂ og energi.

En bedre måte å styre veksthusklimaet på er å installere et integrert varmepumpesystem. Varmepumper er energieffektive systemer som gir både oppvarming og avkjøling etter behov, samtidig som de kan bidra til å regulere både luftfuktigheten og CO₂-nivået på en effektiv måte. Dette fører til mindre behov for ventilasjon med lufteluker, som igjen gir mindre energitap og tap av CO₂.

Varmepumper kan utnytte varme fra ulike varmekilder som luft, vann, jordvarme eller solenergi. Valget av varmekilde avhenger av tilgjengelighet og lokale forhold, og installasjonskostnader vil alltid være en viktig faktor. I veksthus kan varmepumper, kombinert med termisk energilagring, være en god og effektiv løsning. Termisk energilagring kan bidra til å lagre overskuddsvarme, for eksempel fra sommeren til vinteren gjennom sesongmessig lagring i borehull, eller en løsning i mindre skala, som en varmelagringstank som utnytter temperaturvariasjonene mellom dag og natt. Valget av termisk energilagring avhenger igjen av lokale forhold og kostnadseffektivitet for det spesifikke veksthuset.

Vertikale veksthus

I de siste årene har innendørs, vertikal produksjon av grønnsaker blitt lansert som et alternativ til tradisjonelle veksthus og dagens landbruk, både internasjonalt og i Norge. Konseptet innebærer dyrking av planter i vertikale lag, der sollyset er erstattet med LED-vekstlys, og der nøye regulering og avansert teknologi legger til rette for optimale vekstforhold.

Det finnes flere systemer for vertikaldyrking, men vanligvis dyrkes plantene i flere stablede lag over hverandre, eller langs andre vertikale strukturer. Plantene spirer i et lukket eller delvis lukket miljø, enten i næringsrik jord med gjenbruk av resirkulert vann eller direkte i en vannløsning med næringsstoffer som resirkuleres (hydroponi). Et annet alternativ er aeroponi der plantenes røtter henger fritt i luften og blir regelmessig sprayet med en næringsoppløsning.

Fordelene med spiring i et slik kontrollert miljø er hurtig vekst og lavt vannforbruk, og det er begrenset behov for bruk av plantevern. Denne formen for etasjedyrking er også arealeffektiv og tillater produksjon året rundt, beskyttet mot vær og vind, og uavhengig av sollys. Arealeffektiviteten muliggjør optimal utnyttelse av tilgjengelig plass, noe som er spesielt gunstig i urbane områder hvor tilgangen på land er begrenset og eiendom er kostbar. Dette fører til kortere transportavstander for ferske produkter til forbruker, noe som igjen reduserer kostnadene og karbonavtrykket fra transport.

Ulempene med vertikal produksjon er at det er kostbart og energikrevende sammenlignet med produksjon i tradisjonelle veksthus. Tradisjonelle veksthus utnytter fritt tilgjengelig sollys, i tillegg til supplerende vekstlys, og utmerker seg dermed som effektive fangere av gratis solenergi. Og selv om LED-lamper er svært effektive, medfører bruken av disse i vertikale anlegg betydelig energiforbruk og varmeproduksjon. Denne varmen må håndteres gjennom effektiv kjøling og ventilasjon for å sikre et optimalt vekstmiljø for plantene. Energiforbruket per produsert plante i vertikal produksjon kan derfor bli betydelig og føre til et høyere klimaavtrykk, avhengig av om strømmen som brukes er fornybar eller fossilbasert.

Hybride veksthus

Med ulike fordeler og ulemper ved produksjon av frukt og grønt både i tradisjonelle og i vertikale veksthus, kan kombinasjonen av disse metodene bidra til å optimalisere effektiviteten innen veksthusproduksjon, samtidig som klimaavtrykket reduseres?

I forskningsprosjektet HybriGrowth er formålet å demonstrere at hybride veksthus kan være et bærekraftig konsept som gir både energieffektiv drift og økt produktivitet, samt lavere klimaavtrykk ved redusert bruk av fossilt brensel til oppvarming.

To veksthus i Norge, Viken Gartneri på Frosta og Snarum Gartneri i Lier, har i nyere tid installert vertikale anlegg i kombinasjon med tradisjonell veksthusproduksjon for å videreutvikle denne symbiosen med sikte på økt produktivitet og lønnsomhet. Disse vil fungere som casestudier i HybriGrowth.

En sentral problemstilling i prosjektet er å nyttiggjøre varmen fra LED-lysene (light emitting diode) i vertikaldelen på en så effektiv måte som mulig i horisontaldelen, som har store arealer og et betydelig oppvarmingsbehov. Dette krever både effektiv kjøling av vertikaldelen og en optimal utnyttelse av denne varmen.

En annen viktig faktor er å sikre ideelle vekstmiljø for plantene både i den tidlige vekstfasen (startfasen) og senere i hovedvekstfasen når veksten øker eksponentielt. I hybridkonseptet vokser ungplantene i noen uker i vertikalanlegget før de flyttes over til det tradisjonelle veksthuset for hovedvekst og endelig sluttvekst. Denne tilnærmingen gir fordelen av et nøye kontrollert vekstmiljø når plantene er unge og mest sårbare, mens horisontaldelen gir bedre plass og tilgang til både kunstig og naturlig lys. Utnyttelse av sollyset er både energibesparende og svært gunstig for plantene, og de tåler mer solenergi enn kunstig lys uten å ta skade av det. I tillegg gir horisontaldelen mer luft og bedre luftsirkulasjon, noe som er både utfordrende og dyrt å få til i et vertikalanlegg.

De hybride veksthusene på Frosta og i Lier er unike i Norge, og konseptet er blitt testet og analysert i begrenset omfang rundt omkring i verden. I USA har hybridkonseptet blitt utviklet for desentralisert produksjon av salat i stater som California, Georgia og Montana, noe som har resultert i en stor økning av antall avlinger og høyere lønnsomhet. Tilsvarende, i Kina ble et nytt demonstrasjonsanlegg for kombinert vertikal og horisontal dyrking av salat åpnet i 2023.

Den viktigste utfordringen ved hybridgartneriene på Frosta og i Lier er å få til en balansert og optimal bruk av overskuddsvarmen fra vertikalseksjonene. Per i dag må varmen fra vertikalanlegget brukes når den skapes, dvs. den er kun tilgjengelig når LED-lysene er påslått. Når plantene i vertikalanlegget må hvile og lysene er slått av, er det ingen overskuddsvarme som kan overføres til horisontaldelen. I disse periodene kan det være nødvendig å benytte gass- eller el-kjeler for å kompensere for det faktiske oppvarmingsbehovet i veksthuset.

Til andre tider oppstår det for mye overskuddsvarme, og varmen må slippes ut til omgivelsene for å unngå for høye temperaturer i både vertikal- og horisontalseksjon av veksthuset. Horisontaldelen fungerer i tillegg som en effektiv solenergifanger og eliminerer behovet for ekstra oppvarming i visse perioder, som på varme sommerdager. Det krever imidlertid ventilasjon av den varme luften, men ulempen er at verdifull CO₂ for plantene går tapt, og at CO₂-berikelsen må stoppe opp.

Løsningen på disse utfordringene kan være termisk energilagring, der overskuddsvarmen fra vertikalanlegget, eller også fra selve veksthuset når det blir for varmt, blir lagret for senere bruk. En praktisk tilnærming er å installere buffertanker eller varmelagringstanker som lagrer overskuddsvarmen. Slike vanntanker gir en fleksibel løsning og tillater at varmen kan brukes i horisontaldelen når LED-lysene i vertikaldelen er avslått eller når varmen fra vertikalanlegget er utilstrekkelig. En god måte å realisere dette på er gjennom et integrert varmepumpesystem som kjøler ned og henter varme fra vertikaldelen, kjøler eller varmer opp horisontaldelen etter behov, og leverer eller henter varme fra buffertankene for optimalisering av varmefordelingen i veksthuset.

I HybriGrowth vil driftssystemene for de hybride veksthusene på Frosta og i Lier bli utredet og evaluert i detalj med tanke på en mer energieffektiv og optimalisert drift. Dette inkluderer analyse og modellering av operasjonelle data for å maksimere utnyttelsen av overskuddsvarmen fra vertikalanleggene, i tillegg til design og optimering av varmepumper og buffertanker. Energibalansen i veksthusene vil også bli analysert ved å se på utskifting av HPS-lamper (høytrykksnatrium) til LED-lys i horisontaldelene. HPS-lampene produserer mye mer varme enn LED-lysene, og det er derfor interessant å studere hvilken effekt en slik utskifting har på varme- og kjølebehovet i horisontaldelene.

Resultatene fra HybriGrowth vil sammenfattes til generelle retningslinjer for en mer energieffektiv og klimavennlig drift av norske veksthus. Prosjektet vil dermed evaluere om det hybride veksthuskonseptet kan innpasses i norske gartnerier på generell basis og hvilket potensial dette har. Nytteverdien vil være større konkurransekraft for norske gartnerier gjennom mindre energibruk og økt produktivitet og lønnsomhet. Dette innebærer også lavere utslipp av CO₂ ved redusert bruk av fossilt brensel til oppvarming, i tråd med gartnernæringens strategi om å være tilnærmet 100 % utslippsfri innen 2030.

HybriGrowth, et samarbeidsprosjekt for å møte utfordringer i samfunn og næringsliv, er støttet av Forskningsmidlene for jordbruk og matindustri (FFL/JA) og av Grofondet, samt med administrativ støtte fra Forskningsrådet. Prosjektet koordineres og ledes av SINTEF Energi, med SINTEF Ocean, SINTEF Industri og Norsk Gartnerforbund som forskningspartnere, samt Viken Gartneri og Snarum Gartneri som industripartnere. I tillegg er Bama og Gartnerhallen med i en ekstern rådgivende ressursgruppe for prosjektet og som viktige formidlere mot gartnernæringen.

Sigurd Sannan

Epost Ansatteside

Horisontal versus vertikal dyrking i veksthus – eller en hybrid kombinasjon?
Strømkrise og matkrise: Kan veksthus bidra til økt selvforsyning i Norge?