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L'agricoltura integrata negli edifici (BIA) utilizza prevalentemente tecniche di coltivazione prive di suolo come l'idroponica, l'acquaponica o l'aeroponica. I vantaggi del BIA includono la produzione durante tutto l'anno, rendimenti più elevati, un maggiore controllo della sicurezza alimentare e della biosicurezza e una riduzione sostanziale degli input per quanto riguarda l'approvvigionamento idrico, i pesticidi, gli erbicidi e i fertilizzanti, nonché una migliore efficienza energetica degli edifici attraverso la creazione di relazioni simbiotiche tra la fattoria e il suo edificio ospitante. I sistemi BIA possono essere applicati sia sull'involucro edilizio — sul tetto o sulle facciate, per sfruttare la disponibilità di luce naturale — sia all'interno con luce artificiale, o in un edificio autoportante (Figura 2), e tutti i parametri di crescita sono controllati. Questo è noto come Controlled-Environment Agriculture, o CEA, che combina competenze orticole e ingegneristiche al fine di ottimizzare la produzione delle colture, la qualità delle colture e l'efficienza produttiva.

Serre sul tetto

Tra le diverse forme esistenti di BIA, l'agricoltura in serra sul tetto è una delle più popolari, poiché i tetti rappresentano una considerevole area urbana inutilizzata, e le serre idroponiche leggere non richiedono alcun significativo rinforzo strutturale dell'edificio ospitante (Benis & Ferrão 2018). Il tetto è un paesaggio ideale per la coltivazione di piante in città fitte, poiché in genere ha una maggiore esposizione all'energia solare rispetto al terreno sottostante. Mentre le rese delle serre idroponiche sono superiori a quelle delle aziende agricole sul tetto a cielo aperto, la gamma di verdure che possono essere coltivate è più piccola e tende ad essere limitata a verdure a foglia verde, microverdi, erbe aromatiche, pomodori, cetrioli, melanzane, peperoni e fragole (Buehler & Junge 2016). Le serre idroponiche sono spesso dotate di sistemi di climatizzazione, come ventilatori, riscaldatori, raffreddamento evaporativo, schermi termici e finestre operabili, al fine di condizionare l'aria interna e raggiungere la temperatura ottimale, l'umidità relativa e i livelli di anidride carbonica, indipendentemente dalle condizioni esterne. Sono riscaldati con gas naturale o elettricità, con potenziale backup tramite pannelli fotovoltaici (PV). Gli impianti all'avanguardia catturano il calore di scarto dal sistema HVAC dell'edificio e possono essere costruiti con vetro solare, che raccoglie lunghezze d'onda specifiche della luce solare per la generazione di energia elettrica, trasmettendo e diffondendo altre lunghezze d'onda nella serra (Figura 3).

Diverse aziende nordamericane hanno già dimostrato che una quantità significativa di cibo può essere prodotta tutto l'anno per gli abitanti urbani su tetti non utilizzati in fitti contesti urbani dove la terra disponibile e accessibile è una merce rara. Lufa Farms ha costruito la prima serra sul tetto commerciale al mondo su un edificio industriale a Montreal, Canada, nel 2011. La serra da 2880 m2 viene utilizzata per coltivare una varietà di verdure diverse. Da allora ne hanno costruiti altri due, uno progettato per massimizzare la produzione di pomodori (3995 m2), e un altro progettato per la coltivazione di verdure a foglia verde (5853 m2). Ognuna delle loro serre, che ospitano sistemi idroponici NFT, è stata progettata per essere non solo più grande, ma più leggera, più economica e più efficiente. Negli Stati Uniti Gotham Greens gestisce 16.000 metri quadrati di serre urbane sul tetto in 4 strutture a New York e Chicago, utilizzando anche l'idroponica NFT. La loro serra di punta, costruita a New York nel 2011, è stata la prima serra su scala commerciale costruita negli Stati Uniti. La struttura di 1394 m2 produce più di 45.000 kg di verdi verdi a foglia all'anno. Progettato e costruito con una sostenibilità all'avanguardia, le esigenze elettriche dell'impianto sono compensate da 60 kW di pannelli fotovoltaici in loco e le caratteristiche di design ad alta efficienza, tra cui illuminazione a LED, vetri avanzati, ventilazione passiva e tende termiche, contribuiscono a ridurre la domanda elettrica e di riscaldamento. L'integrazione sul tetto riduce ulteriormente il consumo di energia e serve anche a isolare l'edificio sottostante. La seconda serra di Gotham Greens, costruita nel 2013, è la prima serra su scala commerciale costruita sopra un supermercato. Misurando oltre 1858m2, produce ogni anno oltre 90.000 kg di verdure a foglia verde, erbe aromatiche e pomodori. La terza e più grande serra di New York si estende su 5574 m2 e cresce ogni anno più di 5 milioni di capi di verde a foglia verde. Questo è sminuito dalla loro serra di Chicago, che a oltre 6968m2 rappresenta la fattoria sul tetto più grande e produttiva del mondo, che cresce fino a 10 milioni di teste di erbe ed erbe verdi a foglia verde.

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Figura 3: Il potenziale scambio di flussi di acqua, energia e gas tra la serra sul tetto e l'edificio ospitante (dopo Céron-Palma et al. 2012)

New York City ospita altre tre serre idroponiche sul tetto. Sky Vegetables coltiva erbe e verdure, mentre The Aceto Factory coltiva pomodori, fragole, erbe e verdure. Una serra sul tetto è stata recentemente costruita su Arbor House, un blocco di alloggi a prezzi accessibili a New York City. Situata in un quartiere con un numero sproporzionato di persone a basso reddito con alti tassi di obesità, diabete e malattie cardiache, la fattoria idroponica di 929 m2 funzionerà come un accordo comunitario Supported Agriculture (CSA), in cui i residenti possono acquistare i prodotti attraverso una schema di abbonamento scatola di verdure. Circa il 40% dei prodotti sarà messo a disposizione della comunità locale attraverso la sensibilizzazione alle scuole, agli ospedali e ai mercati vicini. Edenworks è una fattoria acquaponica sul tetto, anch'essa situata a New York, che cresce microgreen.

In Europa la start-up svizzera UrbanFarmers ha ospitato la loro fattoria acquaponica commerciale pilota, UF001 LokDepot, in una serra sul tetto a Basilea. Lo spazio di coltivazione di 260m2 aveva una capacità produttiva annua di 5000 kg di ortaggi, mentre il sistema di acquacoltura aveva una capacità di 800 kg di pesce.

La start-up con sede a Berlino ECF Farmsystems ha costruito due serre acquaponiche sul tetto. Eco Jäger, che ha aperto a Bad Ragaz, Svizzera, nel 2016, coltiva lattuga, erbe aromatiche e trote per ristoranti, alberghi e aziende di ristorazione. BIGH è stato aperto a Bruxelles nel 2018 e produce lattuga, erbe aromatiche e basso ibrido striato per ristoranti, mercati alimentari al dettaglio e vendite dirette di aziende agricole. La prima serra urbana sul tetto in Francia aprirà nel 2019. Toit Tout Vert si trova in una zona residenziale di Parigi, e i prodotti dello spazio di coltivazione di 1400 m2 saranno venduti nei negozi locali.

Serre autoportanti

I lotti urbani vacanti offrono anche opportunità per serre autoportanti. Metropolitan Farms si trova in un ex parcheggio a Chicago. La serra acquaponica produce lattuga, basilico e tilapia che viene venduta attraverso i mercati degli agricoltori, le cooperative alimentari locali e negozi di alimentari specializzati. In Europa ECF Farmsystems gestisce una serra acquaponica nel cuore di Berlino. ECF Farm Berlin, inaugurato nel 2015, ha un'impronta di 1800m2 ed è utilizzato per coltivare basilico e pesce persico destinati al mercato alimentare al dettaglio.

Fattorie verticali e fabbriche di impianti

Il concetto di 'coltivazione verticale' è stato introdotto nel 2010 da Dickson Despommier nel suo libro The Vertical Farm: Nutrire il mondo nel 21° secolo. Le aziende agricole verticali possono trovarsi in una serra o all'interno di un edificio e utilizzare diverse tecnologie per coltivare piante su un piano verticale al fine di massimizzare la resa rispetto alla superficie dell'unità di produzione (cfr. Capitolo 14 per i dettagli di queste tecnologie di sistema in crescita verticale). In teoria, le fattorie verticali possono anche essere collocate sulla facciata di un edificio sotto forma di serra verticalmente integrata (VIG), che consiste in facciate di costruzione a doppia pelle combinate con sistemi idroponici. Tuttavia, mentre i VIG sono stati sviluppati come concetto e brevettati, nessuno è stato ancora costruito. Le fattorie verticali potrebbero anche essere sotto forma di grattacieli appositamente costruiti (talvolta chiamati «grattacieli»). Ancora una volta, tali visioni utopiche devono ancora giungere a compimento. Ciò è dovuto, in gran parte, al fatto che tali progetti non sono economicamente fattibili.

Con sede a Stoccolma Plantagon ha brevettato una serie di progetti per gli allevamenti Skyfarm. La costruzione del World Food Building (figura 4), una torre per uffici alta 60 metri che funge anche da fattoria verticale, è iniziata nel 2012 nella città svedese di Linköping e dovrebbe essere completata nel 2020. L'edificio da 40 milioni di dollari era destinato a dimostrare l'approccio dell'azienda all'architettura urbana, che chiama «agritechture» — una parola portmanteau che combina i termini agricoltura, tecnologia e architettura. Il lato nord dell'edificio conterrà 17 piani di spazi per uffici, mentre una facciata in vetro inclinato coprirebbe il lato sud per consentire la massima quantità di sole di passare nelle aree agricole. Un vicino impianto di incenerimento dei rifiuti e di biogas fornirebbe all'edificio riscaldamento e combustibile per la produzione alimentare, mentre i rifiuti provenienti dalla serra verrebbero poi inviati all'impianto di biogas per il compostaggio, creando così un movimento circolare di energia. Tuttavia, la società è fallita nel 2019, il che solleva domande sul fatto che la costruzione del World Food Building sarà mai completata.

Le Skyfarm si materializzeranno in primo luogo nelle megalopoli asiatiche come Singapore e Shanghai. Essendo una piccola isola di soli 750 km2 e una popolazione di oltre 5 milioni di abitanti, Singapore affronta potenziali problemi di sicurezza alimentare. Con terreni a un premio, solo lo 0,9% dell'isola è dedicato all'agricoltura, che produce solo il 7% del cibo che consuma. Il fabbisogno residuo viene fornito dalle importazioni di cibo da tutto il mondo. Tuttavia, i costi di trasporto dei prodotti alimentari stanno diventando sempre più proibitivi e, per questi motivi, Singapore ha preso sul serio l'agricoltura verticale. La prima azienda agricola della città, Sky Greens, ha iniziato la produzione nel 2012 e il numero di aziende agricole verticali è cresciuto da sei nel 2016 a 26 nel 2018 (Wei 2018).

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Figura 4: Rendering of the World Food Building a Linköping, Svezia www.plantagon.com

Shanghai è un'altra città ideale per l'agricoltura verticale. Con quasi 24 milioni di abitanti da nutrire e un calo della disponibilità e della qualità dei terreni agricoli, i prezzi elevati dei terreni rendono gli edifici più redditizi dal punto di vista economico rispetto alla costruzione esterna. I progettisti urbani Sasaki Associates hanno sviluppato un masterplan per il [Distretto Agricolo Urbano di Sunqiao.] ( http://www.sasaki.com/project/417/sunqiao-urban-agricultural-district/) Situato tra il principale aeroporto internazionale e il centro della città, il distretto di 100 ettari comprenderà 66.611 m2 di abitazioni, 12.820 m2 di spazi commerciali, 69.956 m2 di fattorie verticali e 79.525 m 2 dello spazio pubblico. Pur rispondendo in primo luogo alla crescente domanda agricola nella regione, la visione di Sasaki va oltre, utilizzando l'agricoltura urbana come un laboratorio vivente dinamico per l'innovazione, l'interazione e l'istruzione, e implementa una serie di tecniche agricole urbane favorevoli, come allevamenti di alghe, serre galleggianti, verticali biblioteche di sementi e aziende verticali idroponiche e acquaponiche che saranno utilizzate per soddisfare la domanda di verdure a foglia verde nella dieta tipica di Shanghainese (figure 5 e 6). La scala dello schema approvato da Sasaki indica l'aumento del valore attribuito al settore agricolo cinese. La Cina è il più grande consumatore ed esportatore mondiale di prodotti agricoli, con l'industria che fornisce il 22% dell'occupazione del paese e il 13% del suo prodotto interno lordo. Il governo cinese è quindi desideroso di preservare, modernizzare e mostrare un'industria che ha contribuito a ridurre significativamente i tassi di povertà. La costruzione del distretto è iniziata nel 2018 e dovrebbe essere completata nel 2038.

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Figura 5: Rendering del distretto agricolo urbano di Sunqiao a Shanghai < http://www.sasaki.com/project/417/sunqiao-urban-agricultural-district/ >

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Figura 6: Rendering del distretto agricolo urbano di Sunqiao a Shanghai < http://www.sasaki.com/project/417/sunqiao-urban-agricultural-district/ >

Mentre gli skyfarm rimangono una visione per il futuro, gli stabilimenti commerciali sono operativi sia in aree rurali che urbane in Nord America, Europa, Asia orientale e Medio Oriente. Le fabbriche vegetali sono un tipo di sistema chiuso di produzione di impianti in cui la ventilazione viene mantenuta al minimo, e la luce artificiale viene utilizzata come unica fonte di luce per la crescita delle piante. L'ambiente può essere controllato esattamente come desiderato, indipendentemente dal tempo. Oltre alla soluzione nutritiva a ricircolo in un sistema idroponico, l'acqua trasportata dalle piante può essere condensata e raccolta presso il pannello di raffreddamento dei condizionatori d'aria e quindi riciclata per l'irrigazione. Tipicamente le fabbriche impiantistiche sono costituite da 6 componenti principali: una struttura opaca a isolamento termico e quasi ermetico; tra 4 e 20 livelli di letti di coltura idroponica impilati verticalmente dotati di lampade fluorescenti o a LED; condizionatori d'aria (pompe di calore) utilizzati per il raffreddamento e deumidificazione per eliminare il calore generato dalle lampade e dal vapore acqueo trasformati dalle piante, e ventilatori per la circolazione dell'aria per migliorare la fotosintesi e la traspirazione, e per ottenere una distribuzione uniforme dell'aria spaziale; un'unità di alimentazione CO2 per mantenere la concentrazione di CO2 a circa 1000 mmol/L durante il fotoperiodo per migliorare la fotosintesi; un'unità di alimentazione di soluzione nutritiva con pompe dell'acqua; e un'unità di controllo ambientale comprendente conduttività elettrica (EC) e controllori di pH per la soluzione nutritiva. Mentre le lampade fluorescenti sono state utilizzate principalmente per le loro dimensioni compatte, i LED sono sempre più utilizzati a causa della bassa temperatura superficiale della lampada, dell'elevata efficienza di utilizzo della luce e degli ampi spettri di luce. Le più recenti fabbriche di impianti utilizzano tecnologie robotizzate avanzate, tra cui telerilevamento, elaborazione delle immagini, mani robot intelligenti, cloud computing, analisi dei big data e modellazione 3D (Kozai 2013).

Le piante coltivate negli stabilimenti devono essere più corte di circa 30 cm di altezza, perché la distanza tra i livelli verticali è tipicamente di circa 40 cm, il che rappresenta l'altezza ottimale per massimizzare l'uso dello spazio. Le piante adatte alla produzione commerciale con fabbriche vegetali sono quelle che crescono bene a intensità luminosa relativamente bassa, prosperano ad alta densità di impianto, sono in rapida crescita (raccolta 10-30 giorni dopo il trapianto), e per le quali la maggior parte delle parti (85% in peso fresco) sono commestibili e vendibili ad un prezzo elevato. In Giappone e in altri paesi asiatici, le fabbriche vegetali vengono quindi utilizzate per la produzione commerciale di verdure a foglia verde, erbe, piante medicinali e trapianti. Le piccole fabbriche di piante con una superficie di soli 15-100 m² sono anche ampiamente utilizzate per la produzione commerciale di piantine in Giappone, poiché le piantine possono essere prodotte in breve tempo ad alta densità di impianto. Le piantine innestate e non innestate di pomodori, cetrioli, melanzane, piantine di spinaci e lattuga per la coltura idroponica, piantine e talee di piante ornamentali di alto valore sono tutte prodotte commercialmente in queste piccole fabbriche vegetali (Kozai 2013; Kozai et al. 2016).

In Nord America Plenty, Piantato, Oasis Biotech, FreshBox Farms e We the Roots gestiscono fabbriche di piante urbane in ex magazzini, mentre AeroFarms si trova in una ex fabbrica siderurgica. Fresh Impact Farms si trova all'interno di un centro commerciale suburbano, e Farm.One si trova nel seminterrato di un ristorante. In Europa, PlantLab a 's-Hertogenbosch, Paesi Bassi, è uno stabilimento di 20.000m2 e un impianto di ricerca e sviluppo in una fabbrica e uno spazio di magazzino vacanti. L'azienda utilizza una tecnologia LED avanzata che calibra la composizione e l'intensità della luce in base a esigenze precise e utilizza un sistema automatizzato che monitora e controlla più di 80 variabili diverse, tra cui umidità, CO2, intensità della luce, colore della luce, velocità dell'aria, irrigazione, valore nutrizionale e temperatura dell'aria, al fine di migliorare la resa e la qualità delle piante. GrowX ad Amsterdam cresce microverdi, erbe e lattuga in un magazzino che vengono raccolti su ordinazione per ristoranti d'élite. A Londra GrowUp Urban Farms gestiva una fattoria acquaponica commerciale in un magazzino, e Growing Underground coltiva microgreen in un rifugio antiaereo della Seconda Guerra Mondiale 33 metri sotto il livello della strada. La Caverne è una fattoria sotterranea situata in un parcheggio sotto Parigi che coltiva funghi, indivia e microverdi.

Le fattorie verticali possono essere gestite anche in serre, al fine di sfruttare la luce naturale; l'ambiente è quindi solo semi-controllato. Esempi includono Vertical Harvest negli Stati Uniti e Sky Verdi a Singapore. Inaugurato nel 2019, Tour Maraichère nel sobborgo parigino di Romainville è una serra appositamente costruita composta da due unità, la più alta delle quali è di 24 metri (Figura 7). I 2060m2 di spazio in crescita produrranno 12 tonnellate all'anno di frutta, verdura, funghi e fiori commestibili, e la serra sarà utilizzata per mostrare una breve catena di produzione alimentare, per fornire ai residenti locali alimenti freschi con una bassa impronta ecologica, per ridurre l'uso del trasporto su strada, e per generare posti di lavoro.

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Figura 7: Rendering del Tour Maraichèchere, Parigi < http://ilimelgo.com/fr/projets/tour-maraichere.html >

Fattorie di container

Un'altra tendenza emergente nel campo dell'agricoltura urbana è rappresentata dalle aziende di container, che utilizzano anche tecnologie agricole verticali. Dotate di tecnologia di climatizzazione all'avanguardia e di torri di coltivazione idroponica o canali NFT impilati, le fattorie di container consentono la produzione tutto l'anno e possono essere installate su lotti liberi o sui tetti. I vantaggi dei container di spedizione includono la loro compattezza e modularità, la grande disponibilità e, se si utilizzano quelli riutilizzati, il loro basso costo. Dal momento che sono modulari possono essere facilmente impilati, quindi è teoricamente possibile creare una fattoria ad altissima densità e ad alto rendimento, anche se questa opportunità non è stata ancora abbracciata. Il sistema CropBox è un container di spedizione riutilizzato che ha un ingombro di 30 m2 e utilizza una serie di canali orizzontali NFT; può crescere 5445 kg di lattuga, 3175 kg di fragole o 84 tonnellate di microverdi all'anno. Il sistema Tiger Corner Farms utilizza anche un container di spedizione riutilizzato, ma si differenzia utilizzando la tecnologia aeroponica verticale per crescere tra 3800 e 7600 colture per ciclo di coltivazione. Freight Farms originariamente utilizzato contenitori riutilizzati (Leafy Green Machine), ma ora vende contenitori appositamente costruiti (Greenery) con un migliore isolamento e un sistema di controllo del clima più efficiente. Entrambi i sistemi utilizzano torri verticali e possono ospitare fino a 4500 piante mature. The Leafy Green Machine è stata adottata da numerose fattorie urbane del Nord America per coltivare verdi ed erbe a foglia verde, tra cui Radici quadrate, Corner Stalk Farm, Acre in a Box, Verdi molto locali, Verdi brillanti e Colture illuminate. Una terza società statunitense, GreenTech Agro, vende il Growtainer, un contenitore costruito su misura in quattro dimensioni (6, 12, 13,7 e 16 metri) e utilizza una pila di letti in alluminio leggero brevettato. Uno di questi sistemi è stato installato al Central Market di Dallas, dove viene utilizzato per coltivare verdure a foglia verde ed erbe che vengono poi vendute al supermercato. I contenitori sono fabbricati negli Stati Uniti e a Rotterdam.

In Europa Agricool utilizza container per coltivare fragole a Parigi. IKEA, il più grande rivenditore di mobili al mondo, ha iniziato a coltivare lattuga in contenitori al di fuori dei suoi negozi in Svezia che vengono poi serviti nei ristoranti in negozio (Thomasson 2019), e Il supermercato svedese ICA Maxi ha iniziato a vendere verdure a foglia ed erbe coltivate in contenitori fuori dal suo negozio a Halmstad (Jachec 2019 ). La start-up belga Urban Crop Solutions ha sviluppato due sistemi di container farm: FarmFlex e FarmPro. FarmFlex è una fattoria di container che richiede manodopera manuale, mentre FarmPro è completamente robotizzata e sembra più una fabbrica di impianti all'interno di un contenitore di spedizione.

UrbanFarmers ha sviluppato un sistema agricolo acquaponico urbano costituito da un contenitore con una serra sulla parte superiore, chiamato UF Box. Questo sistema è stato emulato dalla start-up britannica GrowUp Urban Farms: la GrowUp Box può produrre 435 kg di verdure e 150 kg di pesce ogni anno. Gembloux Agro-Bio Tech presso l'Università di Liegi in Belgio ha sperimentato un sistema simile, il PAFF Box (Plant and Fish Farming Box) (Delaide et al. 2017). In Canada Ripple Farms produce tilapia, green e microgreen utilizzando un contenitore di spedizione e un sistema serra sul tetto a Toronto.

*Copyright © Partner del progetto Aqu @teach. Aqu @teach è un partenariato strategico Erasmus+ per l'istruzione superiore (2017-2020) guidato dall'Università di Greenwich, in collaborazione con l'Università di Scienze Applicate di Zurigo (Svizzera), l'Università Tecnica di Madrid (Spagna), l'Università di Lubiana e il Centro Biotecnico Naklo (Slovenia) . *

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