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Capitolo 21 Acquaponica nell'ambiente costruito

1. 21.1 Introduzione

   Original publication 2019 · Pubblicato per la prima volta su FarmHub Learn 2020-06-04 · Aquaponics Food Production Systems

   Aquaponics è stata riconosciuta come una delle «dieci tecnologie che potrebbero cambiare la nostra vita» per merito del suo potenziale di rivoluzionare il modo in cui nutriamo le popolazioni urbane in crescita (Van Woensel et al. 2015). Questo sistema di crescita a ricircolo senza suolo ha stimolato la crescente ricerca accademica negli ultimi anni e ha ispirato l'interesse verso il pubblico, come documentato da un elevato rapporto di risultati di ricerca di Google e Google Scholar nel 2016 (Junge et al. 2017). Per lungo tempo, l'acquaponica è stata praticata principalmente come hobby da cortile. Ora è sempre più utilizzato commercialmente a causa del forte interesse dei consumatori nei metodi di agricoltura biologica e sostenibile. Un sondaggio condotto dal team CITYFOOD presso l'Università di Washington nel luglio 2018 mostra che il numero di operazioni acquaponiche commerciali è aumentato rapidamente negli ultimi 6 anni. Questa ricerca mirata di operazioni acquaponiche ha identificato 142 operazioni acquaponiche attive a scopo di lucro in Nord America. Sulla base di informazioni online, il 94% delle aziende agricole ha iniziato la loro attività su scala commerciale dal 2012; solo nove aziende acquaponiche commerciali sono attive da oltre 6 anni (Fig. 21.1).

   La maggior parte delle operazioni acquaponiche intervistate si trovano in zone rurali e sono spesso collegate alle aziende agricole esistenti per sfruttare i bassi prezzi dei terreni, disponibili

   img src=» https://www.fao.org/3/i4626e/i4626e.pdf "style="zoom: 48%;»/

   Fig. 21.1 Professionisti aquaponici esistenti in Nord America, 142 aziende commerciali (rosso) e

   17 centri di ricerca (blu), (CITYFOOD, luglio 2018)

   img src=» https://www.fao.org/3/i4626e/i4626e.pdf "style="zoom: 75%;»/

   Fig. 21.2 Acquaponica in tutta Europa: 50 centri di ricerca (blu) e 45 aziende commerciali (rosso). (Hub EU Aquaponics 2017)

   infrastrutture, e codici costruttivi favorevoli per le strutture agricole. Indipendentemente, un numero crescente di operazioni acquaponiche si trovano anche nelle città. Grazie al loro ingombro fisico relativamente ridotto e all'elevata produttività, le operazioni acquaponiche sono adatte alla pratica in ambienti urbani (Junge et al. 2017). Le indagini effettuate nel 2017 sotto gli auspici dell'Aquaponics Hub dell'Unione Europea (UE) hanno identificato 50 centri di ricerca e 45 società commerciali operanti nell'Unione Europea (Fig. 21.2). Queste aziende variano in dimensioni da piccole a medie dimensioni.

   21.1.1 Acquaponica in ambienti urbani

   Lo spazio è un bene prezioso nelle città. Le fattorie urbane devono essere intraprendenti per trovare siti disponibili come lotti liberi, tetti esistenti e magazzini sottoutilizzati che siano accessibili per un'azienda agricola (de Graaf 2012; De La Salle e Holland 2010). Le aziende acquaponiche urbane devono bilanciare i costi di produzione più elevati con i vantaggi competitivi di marketing e distribuzione offerti dalle località urbane. Il principale vantaggio per la localizzazione delle operazioni acquaponiche nelle città è un mercato di consumo in crescita con un interesse per i prodotti freschi, di alta qualità e coltivati localmente. Nel rispetto delle normative locali per i prodotti biologici, le aziende agricole urbane possono ottenere prezzi premium per i loro verdi, erbe e pomodori coltivati acquaponicamente (Quagrainie et al. 2018). A differenza dell'idroponica, l'acquaponica ha anche la capacità di produrre pesce, migliorando ulteriormente la redditività economica in un contesto urbano che spesso presenta esigenze alimentari diverse (König et al. 2016). Le fattorie acquaponiche urbane possono anche risparmiare alcuni costi operativi riducendo la distanza di trasporto al consumatore e riducendo la necessità di stoccaggio delle colture (dos Santos 2016).

   Anche le condizioni ambientali urbane possono essere vantaggiose per le aziende acquaponiche. Le temperature medie nelle città sono più alte che in ambiente rurale (Stewart e Oke 2010). Nelle regioni più fredde, le aziende agricole possono beneficiare di un clima urbano più caldo, che può contribuire a ridurre la domanda di riscaldamento e i costi operativi (Proksch 2017). Le fattorie acquaponiche che sono integrate con i sistemi di costruzione di un edificio ospitante possono utilizzare ulteriormente risorse urbane come calore di scarto e COsub2/sub nell'aria di scarico per favorire la crescita degli impianti in alternativa alla concimazione convenzionale COSub2/sub. Le fattorie urbane possono anche contribuire a mitigare gli aspetti negativi dell'effetto dell'isola di calore urbana durante i mesi estivi. La vegetazione supplementare, anche se coltivata in serra, contribuisce a ridurre la temperatura ambiente attraverso una maggiore evapotraspirazione (Pearson et al. 2010). In acquaponica, l'uso di infrastrutture idriche a ricircolo riduce il consumo complessivo di acqua per la produzione di pesce e lattuga e può quindi avere un effetto positivo sul ciclo idrico urbano. I prodotti coltivati acquaponicamente si sforzano di chiudere il ciclo dei nutrienti, evitando così la produzione di deflusso agricolo. Attraverso una gestione intelligente delle risorse all'interno dei principali sistemi ambientali, l'acquaponica aiuta a ridurre il consumo eccessivo di acqua e l'eutrofizzazione di solito creata dall'agricoltura industriale.

   21.1.2 L'acquaponica come agricoltura controllata dell'ambiente (CEA)

   Tecniche agricole tradizionali per estendere la gamma della stagione delle colture naturali, dalle minime modifiche ambientali, come le case a cerchio temporanee utilizzate sui campi a base di suolo, al pieno controllo ambientale in strutture permanenti che consentono una produzione tutto l'anno indipendentemente dal clima locale ( Ambiente controllato Agricoltura 1973). Quest'ultima strategia è nota anche come agricoltura ambientale controllata (CEA) e comprende sia serre che impianti di coltivazione indoor. Oltre a controllare il clima interno, CEA riduce significativamente il rischio di perdita delle colture per calamità naturali e la necessità di erbicidi e pesticidi (Benke e Tomkins 2017). La maggior parte delle operazioni acquaponiche sono concepite come CEA poiché combinano due sistemi di coltivazione complessi (acquacoltura e idroponica), che richiedono entrambi condizioni di crescita controllate per garantire una produttività ottimale. Inoltre, CEA consente alla produzione durante tutto l'anno di ammortizzare gli investimenti elevati nelle infrastrutture acquaponiche e di raggiungere prezzi delle colture premium sul mercato al di fuori della stagione vegetativa naturale. Le prestazioni dei recinti agricoli acquaponici dipendono fortemente dal clima locale e dalle oscillazioni stagionali (Graamans et al. 2018).

   Poiché l'acquaponica è una disciplina relativamente giovane, la maggior parte delle ricerche esistenti è focalizzata a livello di sistema, ad esempio studi che valutano l'integrazione tecnica dell'acquacoltura con l'idroponica in diverse configurazioni (Fang et al. 2017; Lastiri et al. 2018; Monsees et al. 2017). Mentre i singoli componenti del sistema aquaponico e le loro interazioni possono ancora essere ulteriormente ottimizzati per la produttività, le loro prestazioni all'interno di un involucro ambientale controllato non sono state affrontate in modo completo. Recenti ricerche in CEA hanno iniziato a valutare le prestazioni del sistema idroponico in tandem con le prestazioni ambientali costruite, anche se finora esiste un solo studio che modella le prestazioni del sistema aquaponico in un involucro controllato (Benis et al. 2017a; Körner et al. 2017; Molin e Martin 2018a; Sanjuandelmás et al. 2018).

   21.1.3 Collaborazioni di Ricerca Acquaponica

   L'attuale espansione dell'interesse per l'acquaponica ha portato alla creazione di diverse collaborazioni di ricerca interdisciplinari relative all'acquaponica finanziate dall'Unione Europea (UE). Il progetto COST FA1305, che ha creato l'EU Aquaponics Hub (2014—2018), ha riunito la ricerca acquaponica e i produttori commerciali per comprendere meglio lo stato dell'arte nell'acquaponica e per generare sforzi coordinati di ricerca e istruzione in tutta l'UE e in tutto il mondo. Innovative Aquaponics for Professional Application (INAPRO) (2014—2017), un consorzio di 17 partner internazionali, volto a promuovere gli attuali approcci all'acquaponica rurale e urbana attraverso lo sviluppo di modelli e la costruzione di serre prototipiche. Il progetto CITYFOOD (2018—2021) nell'ambito della Sustainable Urban Growth Initiative (SUGI), cofinanziato dall'UE, Belmont Forum e dalle rispettive fondazioni scientifiche, analizza l'integrazione dell'acquaponica nel contesto urbano e il suo potenziale impatto sulle sfide globali del nesso alimentare-acqua-energia.

2. 21.2 Classificazione dell'acquaponica dell'ambiente controllato

   Original publication 2019 · Pubblicato per la prima volta su FarmHub Learn 2020-06-04 · Aquaponics Food Production Systems

   Il termine aquaponica è usato per descrivere una vasta gamma di sistemi e operazioni diversi, molto variabili per dimensioni, livello tecnologico, tipo di involucro, scopo principale e contesto geografico (Junge et al. 2017). La prima versione dei criteri di classificazione per le aziende acquaponiche comprendeva obiettivi delle parti interessate, volume dei serbatoi e parametri che descrivono le componenti dell'acquacoltura e del sistema idroponico (Maucieri

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   Fig. 21.3 Criteri di classificazione per l'identificazione dei tipi di aziende acquaponiche

   et al. 2018). Un ampio gruppo di ricercatori ha intrapreso ulteriori lavori per definire ulteriormente l'acquaponica e presentare una nomenclatura basata sul consenso internazionale (Palm et al. 2018). Ciò ha portato ad una discussione approfondita sui tipi e le scale dei sistemi e, soprattutto, una definizione di acquaponica che è: «_la maggioranza (\ > 50%) dei nutrienti che sostengono la crescita ottimale delle piante deve derivare dai rifiuti provenienti dall'alimentazione degli organismi acquatici. sistemi di coltivazione e non prendono in considerazione altri aspetti essenziali di un'azienda acquaponica commerciale funzionante. Man mano che le operazioni acquaponiche diventeranno parte delle economie locali, i criteri di classificazione identificati dalla ricerca interdisciplinare in campi quali l'architettura, l'economia e la sociologia diventeranno anch'essi essenziali.

   Questa proposta di classificazione si concentra sul settore emergente delle operazioni acquaponiche commerciali attraverso la lente dell'ambiente costruito. Le caratteristiche chiave che descrivono un'operazione acquaponica rientrano in quattro diverse categorie: sistema di crescita, involucro, funzionamento e contesto (Fig. 21.3). Queste categorie per i criteri di classificazione hanno un impatto l'una sull'altra su scala, dove le configurazioni di sistema in crescita possono influire sulle prestazioni contestuali dell'azienda agricola come azienda, oppure le richieste del mercato locale possono determinare il tipo di coltura coltivata nel sistema acquaponico. Alcuni criteri di classificazione delle aziende agricole sono rilevanti su tutte le scale, ad esempio «dimensioni», misurate in volume dei serbatoi, superficie di crescita, numero di dipendenti e entrate annuali (tabella 21.1).

   • _Sistema di crescita _ criteri di classificazione descrivono la configurazione dell'acquacoltura e del sistema idroponico interconnessi. Sono incluse le specifiche relative ai componenti fisici che consentono il ricircolo dell'acqua e dei nutrienti (come serbatoi d'acqua, filtri, pompe e tubazioni), agli organismi viventi che trasformano i nutrienti disponibili in diverse fasi (tra cui pesci, piante e specie di microrganismi) e ai valori che descrivono il prestazioni del sistema, come temperatura, livelli di pH, contenuto di ossigeno/carbonio e conducibilità elettrica (Alsanius et al. 2017).

   Tabella 21.1 Possibili criteri di classificazione per i tipi di aziende acquaponiche

   tavolo testata tr class = header» THGrowing System/th th Recinzione /th th Operazione /th th Contesto /th /tr /testata tbody tr class="dispari» Tipo di sistema TDAQuaCulture/td td Tipologia di enclosure /td td Scopo /td td Ubicazione geografica /td /tr tr class="even» Specie TDfish td Sistema strutturale /td td Parti interessate /td td Contesto fisico /td /tr tr class="dispari» TDTemperatura dell'acqua/td td Materiale del coperchio dell'assemblaggio della busta /td td Modello di business /td td Impatto ambientale /td /tr tr class="even» Sistema di filtrazione TD/td td Sistemi di riscaldamento/raffreddamento /td td Lavoro distribuzione /td td Contesto socioeconomico /td /tr tr class="dispari» TDFeed tipo/td td Sorgente luminosa /td td Tipo di finanziamento /td td rowspan=4 Impatto sociale /td /tr tr class="even» Tipo di sistema TDHydroponic td Sistema di ventilazione /td td Regime di commercializzazione /td /tr tr class="dispari» TDCrop specie/td td rowspan=2 Integrazione degli edifici host /td td rowspan=2 Modello di distribuzione /td /tr tr class="even» Sistema di distribuzione TDwater/td /tr /tbody /tavolo

   • I criteri di classificazione dell'involucro definiscono le caratteristiche degli edifici che ospitano i sistemi di coltivazione, alla scala successiva. La maggior parte delle aziende acquaponiche utilizza recinti CEA che variano in base all'identificazione della tipologia (ad esempio una serra o un magazzino), dei sistemi strutturali, dei sistemi di riscaldamento e raffreddamento, dell'illuminazione, della ventilazione e dei sistemi di controllo dell'umidità (Benke e Tomkins 2017).
   • I criteri di classificazione delle operazioni descrivono il modo in cui ogni azienda acquaponica opera come azienda e azienda agricola, che include competenze umane e input di manodopera necessari per la coltivazione e la vendita di prodotti. I criteri di questa sezione includono tipo di finanziamento, struttura aziendale e gestione, requisiti di manodopera e divisione, schema di marketing, modello di distribuzione dei prodotti e scopo generale della struttura acquaponica.
   • I criteri di classificazione del contesto, sulla più ampia scala, descrivono la posizione geografica, il contesto fisico, l'integrazione urbana e l'impatto sociale complessivo delle aziende acquaponiche. I criteri di contesto descrivono come una fattoria acquaponica fa parte della catena alimentare urbana e dell'ambiente costruito, in grado di influenzare la crescita economica, il coinvolgimento sociale e gli impatti ambientali su larga scala su scala urbana (dos Santos 2016).

3. 21.3 Tipologie di recinti e casi di studio di aziende agricole commerciali

   Original publication 2019 · Pubblicato per la prima volta su FarmHub Learn 2020-06-04 · Aquaponics Food Production Systems

   Questa ulteriore indagine si concentra sulla definizione di criteri di classificazione acquaponica a livello di enclosure per integrare le definizioni esistenti a livello di sistema. I tipi di involucro discussi qui lavorano con diversi sistemi di costruzione, livelli di controllo tecnologico, strategie di controllo passivo del clima e fonti di energia per ottenere un clima interno adeguato. La migliore applicazione di ogni tipologia di recinzione dipende principalmente dalla dimensione del funzionamento, dalla posizione geografica, dal clima locale, dalle specie ittiche e vegetali mirate, dai parametri richiesti dei sistemi che ospita e dal budget. Questo studio individua cinque diverse tipologie di involucro e definisce le caratteristiche degli spazi interni che ospitano le infrastrutture dell'acquacoltura.

   21.3.1 Tipologie di Serre

   Questa classificazione comprende quattro categorie di serre — serre a media tecnologia, serre solari passive, serre ad alta tecnologia e serre a tetto — applicabili alle operazioni acquaponiche a livello commerciale (tabella 21.2). Le serre esistenti possono non adattarsi esattamente a una singola tipologia, ma rientrano in uno spettro che va dalla tecnologia media all'alta tecnologia incorporando selettivamente tecniche di controllo ambientale attive e passive.

   Serre di media tecnica Serre con livelli intermedi di tecnologia per il controllo del clima interno includono Quonset indipendente o collegato alla grondaia (tipo Nissen Hut), hoop house (polytunnel) e serre a campata uniforme. Di solito sono rivestiti con doppio film di polietilene (PE) o pannelli di plastica rigida, come pannelli acrilici (PMMA) e pannelli in policarbonato (PC). Queste serre sono meno costose da installare, anche se il rivestimento in film deve essere sostituito frequentemente a causa del rapido deterioramento causato dalla costante esposizione ai raggi UV (Proksch 2017). Queste serre proteggono le colture da eventi meteorologici estremi e in una certa misura agenti patogeni, ma offrono solo un livello limitato di controlli climatici attivi. Invece, si basano sulla radiazione solare, sui semplici sistemi di ombreggiatura e sulla ventilazione naturale. Con la loro limitata capacità di modificare le condizioni di crescita entro un certo intervallo, le serre di media tecnologia sono raramente utilizzate per ospitare aziende acquaponiche in climi freddi. Questo perché l'elevato investimento iniziale nei componenti idroponici e acquacoltura richiede un ambiente stabile e una produzione affidabile tutto l'anno per essere redditizia commercialmente.

   Le operazioni Aquaponic in climi più caldi hanno dimostrato con successo l'utilizzo di serre di media tecnologia che utilizzano sistemi di raffreddamento evaporativo e di riscaldamento semplici. Ad esempio, Sustainable Harvesters di Hockley, Texas, USA utilizza una semplice serra Quonset (12.000 sf/1110 msup2/sup) per la produzione di lattuga tutto l'anno senza fare affidamento su un ampio riscaldamento supplementare o illuminazione. Ouroboros Farms a Half Moon Bay, California, USA utilizza una serra esistente (20.000 sf/1860 msup2/sup) per produrre lattuga, verdure a foglia verde ed erbe aromatiche (Fig. 21.4). A causa del clima mite, l'azienda utilizza principalmente ombreggiature statiche e poco riscaldamento e raffreddamento supplementari. Entrambe le aziende, come molte operazioni medio-tecnologiche più piccole, collocano i loro acquari nello stesso spazio serra del sistema di coltivazione idroponica. Le aziende coltivano specie ittiche che tollerano un ampio intervallo di temperatura (tilapia) e ombreggiano le vasche di acquacoltura per prevenire il surriscaldamento e la crescita delle alghe.

   Tabella 21.2 Confronto dei casi di studio per tipologia di involucro

   tavolo testata tr class = header» Tipo/th th Casi di studio /th th Sistema di costruzione /th th Controlli /th th Stagionsupa/sup e latitudine /th th Resistenza zonesupb/sup /th /tr /testata tbody tr class="dispari» td rowspan=6 Serre medio-tecniche/td td rowspan=3 Ouroboros Farms, Half Moon Bay, CA, Stati Uniti d'America (20.000 sf/1860 msup2/sup) /td td rowspan=3 GH esistente, grondaia connessa con due campate pari, rivestito con vetro monostrato, acquari in GH /td td rowspan=3 Ombreggiatura statica, tende ombreggianti /td td rowspan=2 319 giorni/ 10,6 mesi /td td 10a /td /tr tr class="even» td Da 30 a 35 ˚F /td /tr tr class="dispari» td 37,5 ˚ N /td td Da -1,1 a 1,7 °C /td /tr tr class="even» td rowspan=3 Mietitrici sostenibili, Hockley, TX, USA (12.000 sf/1110 msup2/sup) /td td rowspan=3 Telaio di quonset, multi-tunnel (3) GH, rivestito con film in PE e pannelli in plastica rigida, acquari in GH /td td rowspan=3 Raffreddamento evaporativo, ventilazione forzata /td td rowspan=2 272 giorni/ nove mesi /td td 8b /td /tr tr class="dispari» td Da 15 a 20 ˚F /td /tr tr class="even» td 30,0 ˚N /td td Da -9,4 a 6,7 ˚C /td /tr tr class="dispari» td Rowspan=6Serre solari passive/td td rowspan=3 Serra solare Aquaponic, Neuenburg am Rhein, Germania (2000 sf/180 msup2/sup) /td td rowspan=3 (cinese) serra solare, con muro di adobe come massa termica aggiuntiva, rivestito con film ETFE, vasche di pesce in GH /td td rowspan=3 Moduli fotovoltaici su misura per ombreggiatura e produzione di energia /td td rowspan=2 202 mesi/ 6,6 mesi /td td 8a /td /tr tr class="even» td 10—15 ˚F /td /tr tr class="dispari» td 47,8 ˚N /td td

   • da 12,2 a -9,4 ˚C /td /tr tr class="even» td rowspan=3 Serra Eco-ARK a Finn & Roots, Bakersfield, VT, USA (6000sf/ 560 msup2/sup) /td td rowspan=3 Serra solare, terra riparata, angolo ripido del tetto esposto a sud (ca. 60), isolamento di spessore, vetri speciali di raccolta solare, acquari in nord, lato sotterraneo /td td rowspan=3 Calore radiante alimentato a legna, cortina energetica, ventilazione con effetto impilatore, illuminazione supplementare a LED /td td rowspan=2 108 giorni/ 3,6 mesi /td td 4a /td /tr tr class="dispari» td Da -30 a -25 ˚F /td /tr tr class="even» td 44,8˚ N /td td Da -34,4 a -31,7 ˚C /td /tr tr class="dispari» td Rowspan=6Serre ad alta tecnologia/td td rowspan=3 Fattorie fresche superiori, Hixton, WI, Stati Uniti d'America (123.000 sf/11.430 msup2/sup) /td td rowspan=3 Stile venlo, grondaia, (20 41 baie), rivestito con vetro, acquari in edificio separato /td td rowspan=3 Ambiente CEA controllato da computer, illuminazione supplementare a LED, /td td rowspan=2 122 giorni/ 4,1 mesi /td td 4b /td /tr tr class="even» td Da -25 a -20 ˚F /td /tr tr class="dispari» td 44.4 N /td td Da -31,7 a -28,9 ˚C /td /tr tr class="even» td rowspan=3 Blue Smart Farms, Cobbitty, NSW, Australia (53.800 sf/5000 msup2/sup) /td td rowspan=3 stile Venlo, grondaia, (14 18 baie), rivestito di vetro, costruzione a due piani, acquari al livello inferiore /td td rowspan=3 Controllo biologico dei parassiti dell'ambiente CEA controllato da computer /td td rowspan=2 300 giorni/ 10 mesi /td td 9b /td /tr tr class="dispari» td Da 25 a 30 ˚F /td /tr tr class="even» td 34,0˚S /td td Da -3,9 a -1,1 ˚C /td /tr tr class="dispari» td rowspan=6Serre sul tetto/td td rowspan=3 ECCO-Jäger Aquaponik Dachfarm, Bad Ragaz, Svizzera (12.900 sf/1200 msup2/sup) /td td rowspan=3 Stile venlo, grondaia, (7 13 baie), rivestito di vetro, acquari al livello inferiore /td td rowspan=3 Ambiente CEA, illuminazione supplementare a LED, uso del calore di scarico dall'impianto di raffreddamento /td td rowspan=2 199 giorni/ 6,6 mesi /td td 7b /td /tr tr class="even» td Da 5 a 10 ˚F /td /tr tr class="dispari» td 47,0˚ N /td td Da -15,0 a -12,2 ˚C /td /tr tr class="even» td rowspan=3 Abat-toir Ferme di BIGH, Bruxelles, Belgio (21.600 sf/2000 msup2/sup) /td td rowspan=3 Stile venlo, grondaia, (15 10 baie), rivestito di vetro, acquari al livello inferiore /td td rowspan=3 Ambiente CEA, illuminazione supplementare a LED /td td rowspan=2 224 giorni/ 7,3 mesi /td td 8b /td /tr tr class="dispari» td Da 15 a 20 ˚F /td /tr tr class="even» td 50,8˚ N /td td Da -9,46 a -6,7 ˚C /td /tr tr class="dispari» td rowspan=6spazi di crescita al coperto/td td rowspan=3 Urban Organics, Schmidt's Brewery, St. Paul, MN, USA (87.000 sf/8080 msup2/sup) /td td rowspan=3 Magazzino con struttura in acciaio, altamente isolato, coltivazione impilata, acquari in spazio separato /td td rowspan=3 Illuminazione UV fluorescente, ambiente CEA controllato da computer /td td rowspan=2 140 giorni/ 4,7 mesi /td td 4b /td /tr tr class="even» td Da -25 a -20 ˚F /td /tr tr class="dispari» td 45,0˚ N /td td Da -31,7 a 28,9 ˚C /td /tr tr class="even» td rowspan=3 Nutraponics, Sherwood Park, AB, Canada (10.800 sf/1000 msup2/sup) /td td rowspan=3 Magazzino con struttura in acciaio, altamente isolato, coltivazione impilata, acquari in spazio separato /td td rowspan=3 Illuminazione a LED, ambiente CEA controllato da computer /td td rowspan=2 121 giorni/4 mesi /td td 4a /td /tr tr class="dispari» td Da -30 a -25 ˚F /td /tr tr class="even» td 53,5˚ N /td td Da -34,4 a -31,7 ˚C /td /tr /tbody /tavolo

   Stagione di crescita senza SUPA/SupFrost, Associazione Nazionale Giardinaggio, Strumenti e Apps, https://garden.org/ apps/calendar/

   SUPB/SUP basato sulla USDA Hardiness Zone Map, che identificherà la temperatura media annua minima invernale (1976—2005), suddivisa in 10 zone F. Mappe degli impianti, https://www.plantmaps.com/ index.php

   Serre solari passive Questo tipo di serra è progettato per essere riscaldato esclusivamente con energia solare. Elementi di massa termica sostanziali, come una solida parete rivolta a nord, immagazzinano l'energia solare sotto forma di calore che viene poi irradiato durante i periodi più freddi di notte. Questo approccio elimina le oscillazioni della temperatura dell'aria e può ridurre o eliminare la necessità di combustibili fossili. Le serre solari hanno un lato trasparente rivolto a sud e un lato opaco, massiccio e altamente isolato rivolto a nord. L'integrazione di grandi volumi di acqua sotto forma di acquari è un bene per le prestazioni termiche di questo tipo di serra. Inoltre, i serbatoi possono essere collocati in zone della serra meno adatte alla coltivazione delle piante o parzialmente immerse nel terreno per una maggiore stabilità termica.

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   Fig. 21.4 Ouroboros Farms (Half Moon Bay, California, USA)

   La serra solare Aquaponic (2000 sf/180 msup2/sup), sviluppata e testata da Franz Schreier, si è dimostrata un ambiente adatto per ospitare un piccolo sistema acquaponico nel sud della Germania. La serra raccoglie l'energia solare attraverso il tetto ad arco rivolto a sud e le pareti rivestite con film di etilene tetrafluoroetilene (ETFE). Il calore viene immagazzinato in vasche di pesce parzialmente sommerse, pavimento e parete nord rivestita di adobe per essere dissipato durante la notte. I pannelli fotovoltaici (PV) della serra trasformano la radiazione solare in energia. Situata nel clima più freddo del Vermont, USA, la serra Eco-Ark presso la fattoria Finn & Roots (6000 sf/560 msup2/sup) ospita un sistema acquaponico che funziona con un simile approccio solare passivo. La serra ha un tetto trasparente ripido (circa 60˚) rivolto a sud con speciali vetri a raccolta solare (Fig. 21,5). Il suo lato settentrionale altamente isolato e opaco è immerso in una collina e ospita le vasche di pesce. Oltre a questi comandi passivi, l'Eco-Ark dispone di un riscaldamento a pavimento radiante che integra il riscaldamento durante le stagioni più fredde.

   **Serre ad alta tecnologia in stile Venlo, le serre high-tech con un alto livello di tecnologia per il controllo del clima interno sono lo standard per la CEA idroponica su scala commerciale. Le serre ad alta tecnologia sono caratterizzate da controlli computerizzati e infrastrutture automatizzate, come tende termiche automatiche, array di illuminazione automatici e sistemi di ventilazione forzata. Queste tecnologie consentono un elevato livello di controllo ambientale, anche se sono a costo di un elevato consumo energetico.

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   Fig. 21.5 Serra Eco-Ark presso Finn & Roots Farm (Bakersfield, Vermont, USA)

   Alcune aziende agricole acquaponiche commerciali su larga scala utilizzano questa tipologia di serra per la loro produzione vegetale, come le fattorie Superior Fresh, situate a Hixton, Wisconsin, USA (123.000 sf/11.430 msup2/sup), con i sistemi di acquacoltura ospitati in un involucro opaco separato. L'illuminazione e il riscaldamento automatici a LED consentono alle aziende agricole Superior Fresh di coltivare verdi verdeggianti tutto l'anno nonostante la mancanza di luce diurna in inverno, dove la stagione di crescita naturale e priva di gelo dura solo 4 mesi. I sistemi automatizzati per il controllo del clima interno consentono di utilizzare serre ad alta tecnologia in qualsiasi parte del mondo. La serra Blue Smart Farms utilizza una serie di sensori per ottimizzare l'ombreggiatura durante le calde estati australiane.

   Thanet Earth, il più grande complesso serra del Regno Unito, si trova nel sud-est dell'Inghilterra. Le sue cinque serre coprono più di 17 acri (7 ettari) ciascuno, coltivando pomodori, peperoni e cetrioli utilizzando idroponica (Fig. 21.6). Questa azienda è alimentata da un sistema combinato di riscaldamento e potenza (CHP) che fornisce energia, calore e COSub2/Sub per le serre. Il sistema CHP funziona in modo molto efficiente e incanala l'energia in eccesso al distretto locale alimentandolo nella rete di alimentazione locale. Inoltre, le tecnologie controllate dal computer come le barriere energetiche, l'illuminazione supplementare a scarica ad alta intensità e la ventilazione regolano le condizioni di crescita in ambienti interni.

   Serre sul tetto Questo tipo più recente comprende serre costruite su edifici ospitanti, sia come retrofit di strutture esistenti che come parte di nuove costruzioni. A causa degli elevati costi di terra, il risparmio di spazio è sempre più importante per le aziende agricole acquaponiche in contesti urbani. Collegare una serra a un edificio esistente è una strategia per gli agricoltori urbani che cercano di rivitalizzare lo spazio sottoutilizzato e trovare una posizione centrale nella città. Le serre sul tetto sono già utilizzate dai coltivatori idroponici su scala commerciale, ma sono un tipo relativamente raro per le aziende acquaponiche a causa del peso aggiuntivo dell'acqua che può filtrare le strutture esistenti oltre la loro capacità di carico. Le poche aziende acquaponiche sul tetto attualmente esistenti danno la priorità ai sistemi di distribuzione dell'acqua leggera (tecnica a film nutriente o coltivazione basata su supporti piuttosto che coltura in acque profonde) e localizzano i loro acquari al livello inferiore allo spazio di coltivazione delle colture a causa della domanda relativamente ridotta di luce naturale.

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   Fig. 21.6 Thanet Earth, serre all'avanguardia con alimentazione combinata di calore ed energia elettrica, (Isola di Thanet nel Kent, Inghilterra, Regno Unito)

   Due fattorie sul tetto con sistemi acquaponici ad alta tecnologia sono state recentemente aperte in Europa. Entrambi hanno consultato i consulenti per sistemi agricoli Efficient City Farming (ECF) a Berlino. ECCO-Jäger Aquaponik Dachfarm a Bad Ragaz, Svizzera, si trova in cima a un centro di distribuzione di un'azienda di produzione a conduzione familiare. La serra sul tetto in stile Venlo (12.900 sf/1200 msup2/sup) si trova su un edificio a due piani; le vasche sono installate al piano sottostante la serra. Crescendo verdi verdi ed erbe aromatiche sul tetto, ECCO-jäger riduce la necessità di trasporto e può offrire prodotti subito dopo la raccolta. Inoltre, l'azienda si avvale del calore di scarto generato dalla sua cella frigorifera per riscaldare la serra. Il mattatoio Ferme di BIGH (21.600 sf/2000 msup2/sup) è una versione più grande di una simile serra sul tetto in stile Venlo (Fig. 21.7), che occupa il tetto del mercato Foodmet a Bruxelles, Belgio. Questi primi esempi indicano un ulteriore potenziale per ottimizzare sia le prestazioni acquaponiche che quelle degli involucri attraverso il collegamento di acqua, energia e flussi d'aria tra l'azienda agricola e l'edificio ospitante, noto come l'agricoltura integrata degli edifici (BIA). Attualmente, la ricerca è in corso sulla serra panoramica idroponica integrata di punta situata sull'edificio condiviso dall'Istituto di Scienza e Tecnologia Ambientale (ICTA) e l'Istituto Catalano di Paleontologia (ICP) presso l'Università Autonoma di Barcellona (UAB) per derminare i benefici della piena integrazione degli edifici, benché non esista un esempio di questo tipo nel campo dell'acquaponica per determinare i benefici della piena integrazione degli edifici, benché non esista un simile esempio nel campo dell'acquaponica.

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   Fig. 21.7 Macello di Ferme BIGH con la serra high-tech sullo sfondo (Bruxelles, Belgio)

   21.3.2 Tipo di coltivazione indoor

   Gli spazi di coltivazione indoor si basano esclusivamente sulla luce artificiale per la produzione di piante. Spesso, questi spazi in crescita sono altamente isolati e rivestiti in un materiale opaco, originariamente inteso come locali di stoccaggio o di produzione industriale. Gli spazi interni per la coltivazione hanno in genere un isolamento migliore rispetto alle serre a causa del materiale della busta, anche se non possono fare affidamento sull'illuminazione diurna o sul riscaldamento naturale. Il presupposto è che questa tipologia sia più adatta ai climi estremi, dove le oscillazioni di temperatura sono più preoccupanti dell'illuminazione (Graamans et al. 2018), anche se è necessaria una ricerca più conclusiva.

   Urban Organics gestisce due fattorie acquaponiche di coltivazione indoor su scala commerciale all'interno di due fabbriche di birra ristrutturate nel nucleo industriale di St. Paul, Minnesota, USA. Le due fattorie coltivano verdi e erbe a foglia verde in letti accatastati illuminati da luci fluorescenti (Fig. 21.8). Il loro secondo sito consente a Urban Organics di attingere all'infrastruttura del birrificio attorno ad una falda acquifera esistente; l'acqua della falda acquifera necessita di un trattamento minimo e viene fornita a 10 °C alle vasche di salmerino artico e di trota iridea. L'utilizzo di strutture esistenti ha ridotto i costi di costruzione per Urban Organics e ha offerto l'opportunità di rivitalizzare un'area in difficoltà della città. In un clima ancora più freddo, Nutraponics cresce verdi frondosi in un magazzino su un pacco rurale a 40 km fuori Edmonton, Alberta, Canada. Poiché i prodotti locali dipendono fortemente dalle oscillazioni di temperatura stagionali, Nutraponics guadagna un vantaggio competitivo sul mercato utilizzando l'illuminazione a LED per accelerare la crescita delle colture tutto l'anno (Fig. 21.9).

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   Fig. 21.8 Urban Organics (St. Paul, Minnesota, USA)

   21.3.3 Contenitori per Acquacoltura

   I recinti per la componente di acquacoltura delle operazioni acquaponiche non sono tecnicamente così esigenti come il design del recinto per i componenti idroponici, poiché i pesci non richiedono la luce solare per prosperare. Tuttavia, il controllo delle condizioni di coltivazione indoor consente agli agricoltori di ottimizzare la crescita, ridurre lo stress e definire orari precisi per la produzione ittica che conferisce al loro stock un vantaggio competitivo sul mercato (Bregnballe 2015). Per mantenere stabili le temperature dell'acqua, sono principalmente necessarie custodie per spazi di acquacoltura. Le vasche devono essere in grado di supportare intervalli di temperatura dell'acqua confortevoli per specifiche specie ittiche, pesci d'acqua calda 75-86˚F (24-30˚C) e pesci d'acqua fredda 54-74˚F (12-23˚C) (Alsanius et al. 2017). La temperatura dell'acqua e dell'ambiente può essere controllata in modo più efficiente se gli acquari sono ospitati in uno spazio ben isolato con poche finestre per ridurre al minimo i guadagni solari durante i mesi estivi e le perdite di temperatura quando la temperatura esterna scende (Pattillo 2017), come dimostrato nell'allestimento del recinto INAPRO. Il grande volume di acqua necessaria per la coltivazione del pesce deve essere considerato dal punto di vista architettonico, in quanto comporta conseguenze per i sistemi strutturali e di condizionamento all'interno di un edificio.

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   Fig. 21.9 Nutraponics (Sherwood Park, Alberta, Canada)

4. 21.4 Valutazione delle tipologie di enclosure e delle possibili applicazioni

   Original publication 2019 · Pubblicato per la prima volta su FarmHub Learn 2020-06-04 · Aquaponics Food Production Systems

   Le prestazioni effettive delle aziende acquaponiche dipendono da molti fattori specifici del caso. Alcune conclusioni preliminari sui vantaggi, le sfide e le possibili applicazioni delle tipologie di enclosure possono essere tratte dal confronto di una serie relativamente piccola di case study. Sarà necessario uno studio empirico di un numero più significativo di casi di studio esistenti per stabilire una correlazione tra il tipo di involucro, la posizione geografica e il successo commerciale.

   Le serre a media tecnica_ offrono un'opzione commercialmente fattibile per le operazioni acquaponiche solo in climi temperati con inverni miti ed estati moderate, a causa della loro limitata capacità di controllo ambientale. Nelle località che non richiedono molto riscaldamento e raffreddamento, le aziende agricole che utilizzano questa tipologia di serra possono operare in modo efficiente sotto il profilo delle risorse, con un investimento iniziale inferiore per il loro involucro. Queste aziende di solito operano con un budget inferiore e includono le vasche di pesce nella stessa serra, che limita la loro selezione di specie ittiche a quelle con una grande tolleranza alla temperatura e attira la loro attenzione commerciale sulla produzione di lattuga, verdure a foglia verde ed erbe aromatiche.

   Serre solari passivo si affidano a sistemi passivi, in particolare all'uso della massa termica, per il controllo del clima interno. L'uso di questa tipologia per i sistemi aquaponici è vantaggioso in quanto il grande volume di acqua nelle vasche di pesce fornisce una massa termica aggiuntiva. Grazie alla loro efficienza energetica, sono spesso utilizzati nelle latitudini settentrionali dove le serre convenzionali richiederebbero un elevato livello di riscaldamento supplementare. Tuttavia, il funzionamento di qualsiasi serra in queste regioni si basa sull'uso di un'illuminazione supplementare a causa dei bassi livelli di luce e delle brevi ore diurne durante la stagione invernale. Sebbene le serre solari passive in Europa e in Nord America siano attualmente utilizzate su piccola scala sperimentale, l'applicazione più generale di successo di queste serre a pendenza singola ed energeticamente efficienti su 1,83 milioni di acri (0,74 milioni di ettari) di terreni agricoli in Cina dimostra che questa tipologia può essere implementato con successo su larga scala (Gao et al. 2010).

   Le serre ad alta tecnologia_, in particolare i grandi sistemi venlo-connessi alla grondaia, costituiscono lo standard industriale per la produzione idroponica commerciale. Le più grandi aziende acquaponiche commerciali ben finanziate utilizzano questa tipologia per i loro sistemi di coltivazione idroponica in combinazione con un recinto separato per le loro infrastrutture di acquacoltura. Questa configurazione garantisce il massimo livello di controllo ambientale, nonché la produttività delle colture e dei pesci. Tecnicamente, questo tipo di serra può essere utilizzato ovunque, purché il reddito prodotto paghi gli elevati costi energetici e operativi in climi estremi. Tuttavia, questo tipo di operazione potrebbe non essere sensibile all'ambiente in alcune latitudini settentrionali a causa dell'ampia necessità di riscaldamento e illuminazione supplementare. L'esatta impronta ambientale di una serra ad alta tecnologia può essere valutata solo per progetto e dipende principalmente dalla qualità delle fonti energetiche utilizzate per il calore e la luce supplementari.

   La maggior parte delle serre sul tetto sono serre high-tech in stile Venlo costruite su tetti. Anche se si applicano vantaggi e sfide simili, la costruzione di serre sul tetto è ancora più costosa di quella delle normali serre high-tech, principalmente a causa dei codici edilizi e dei requisiti architettonici. Il sistema strutturale delle serre sul tetto è spesso sovradimensionato per conformarsi ai codici edilizi per uffici commerciali, che sono più severi dei requisiti di codice edilizio per le strutture agricole. Inoltre, le operazioni acquaponiche sui tetti necessitano di infrastrutture aggiuntive per accedere al tetto e rispettare le normative antincendio e in uscita, che in un recente esempio ha generato una serra attrezzata con irrigatore (Proksch 2017). L'applicazione più promettente delle serre sul tetto è in cima agli edifici ospitanti nei centri urbani. I tetti urbani offrono spesso un ampio accesso alla luce solare, che le serre richiedono per funzionare efficacemente — una risorsa che di solito manca, o almeno non è coerente a causa dell'ombreggiatura, a livello del suolo in aree urbane dense (Ackerman 2012). Se appositamente progettati, gli edifici ospitanti possono offrire altre risorse come il calore di scarico e COsub2/sub che possono rendere più fattibile il funzionamento di una fattoria acquaponica sul tetto. Questo tipo di integrazione con l'edificio ospitante può generare sinergie energetiche e ambientali che migliorano le prestazioni sia della serra che dell'edificio ospitante.

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   Fig. 21.10 Recinto acquaponica INAPRO a due sezioni, opaco per pesci e serra per piante (Murcia, Spagna)

   Gli spazi di crescita in ambienti interni dipendono interamente dall'illuminazione artificiale e dai sistemi di controllo attivi per il riscaldamento, il raffreddamento e la ventilazione, il che si traduce in un elevato livello di consumo energetico, impatto ambientale e costi operativi. Questa tipologia è più applicabile nelle zone con inverni freddi e brevi stagioni di crescita, dove l'esposizione naturale alla luce solare e al guadagno di calore è bassa e è necessaria un'ampia integrazione per far funzionare una serra acquaponica commerciale. L'uso di un involucro opaco consente alti livelli di isolamento, riducendo la perdita di calore durante i mesi invernali e garantendo autonomia dalle oscillazioni di temperatura esterne. Oltre alla sua dipendenza dall'illuminazione elettrica, la coltivazione indoor supera la produttività delle serre misurata in altre risorse, come l'acqua, COsub2/sub, e la superficie terrestre (Graamans et al. 2018). Inoltre, la produzione per unità di superficie del terreno può essere molto più elevata attraverso l'uso di sistemi di coltivazione impilati. Per quanto riguarda l'integrazione urbana dell'acquaponica nelle città, gli spazi di crescita indoor consentono il riutilizzo adattivo di edifici industriali e magazzini, che possono ridurre i costi iniziali per la costruzione del recinto e sostenere l'integrazione delle fattorie aquaponiche nei quartieri meno serviti.

   L'impostazione del progetto Innovative Aquaponics for Professional Applications (INAPRO, 2018) ha incluso il confronto tra lo stesso sistema acquaponico e la tecnologia serra all'avanguardia, in diversi siti in Germania, Belgio e Spagna. Il sistema acquaponico situato in Cina era ospitato in una serra solare passiva. Gli impianti acquaponici INAPRO in Europa hanno utilizzato una serra rivestita di vetro per la produzione di impianti e un componente di capannone di tipo industriale per acquari e unità di filtrazione (Fig. 21.10). Il progetto INAPRO dimostra che le tecnologie serra devono essere adattate e scelte in base alle condizioni climatiche locali. Il team spagnolo INAPRO trovato, che il recinto selezionato era adatto per le regioni più fredde dell'Europa settentrionale, ma non le più calde, regioni mediterranee in Europa meridionale. Questa osservazione evidenzia l'importanza di una maggiore ricerca sulle prestazioni delle tipologie di serre per far progredire il settore delle operazioni commerciali acquaponica.

   Mentre il confronto tra le diverse tipologie rivela alcuni modelli prestazionali tra tipologia, ubicazione e investimento (tabella 21.3), per una comprensione completa delle prestazioni delle aziende agricole e dell'impatto ambientale, è necessario un sistema più solido per l'analisi e la progettazione degli involucri agricoli.

5. 21.5 Valutazione d'impatto come quadro di progettazione

   Original publication 2019 · Pubblicato per la prima volta su FarmHub Learn 2020-06-04 · Aquaponics Food Production Systems

   La crescita dell'acquaponica e le affermazioni generalizzate secondo cui l'acquaponica è più sostenibile rispetto ad altre forme di produzione alimentare hanno stimolato la discussione e la ricerca sulla sostenibilità di questi sistemi. La valutazione del ciclo di vita (LCA) è un metodo di quantificazione chiave che può essere utilizzato per analizzare la sostenibilità sia in agricoltura che negli ambienti costruiti valutando l'impatto ambientale dei prodotti per tutta la loro durata di vita. Per un edificio, un LCA può essere diviso in due tipi di impatto: embodied impatto che comprende l'estrazione, la fabbricazione, la costruzione, la demolizione e lo smaltimento/riutilizzo di tali materiali, e operational impatto che si riferisce alla manutenzione dei sistemi edilizi (Simonen 2014). Allo stesso modo, condurre una valutazione di un prodotto agricolo può anche essere suddivisa in structural impatto dell'involucro edilizio e dell'infrastruttura del sistema, impatto sulla produzione associato alla coltivazione continua e post-harvest impatto dell'imballaggio, dello stoccaggio e della distribuzione (Payen et al. 2015). La conduzione di una LCA di un'azienda acquaponica richiede la comprensione simultanea degli impatti edilizi e agricoli, in quanto vi è una sovrapposizione nella fase operational dell'involucro con la fase produzione di una coltura. Il modo in cui un edificio gestisce i suoi sistemi di riscaldamento, raffreddamento e illuminazione influenza direttamente la coltivazione della coltura; al contrario, diversi tipi di colture richiedono condizioni ambientali diverse. Esistono numerosi studi che confrontano i risultati di LCA per diversi tipi di edifici situati in contesti diversi (Zabalza Bribián et al. 2009). Allo stesso modo, LCA è stata utilizzata dal settore agricolo per confrontare le efficienze per diverse colture e sistemi di coltivazione (He et al. 2016; Payen et al. 2015). La valutazione delle prestazioni dell'agricoltura e dell'acquaponica in ambiente controllato richiede in particolare una sapiente integrazione delle due metodologie in un'unica valutazione (Sanyé-Mengual 2015).

   Il quadro LCA dell'allevamento aquaponico proposto (Fig. 21.11) è intenzionalmente ampio per catturare una vasta gamma di tipologie di aziende agricole presenti sul campo. Per applicare i risultati della LCA alle aziende agricole esistenti, è necessario includere fattori quali i dati climatici ed economici per convalidare la valutazione ambientale (Goldstein et al. 2016; Rothwell et al. 2016)

   La sezione seguente illustra una raccolta di strategie di progettazione di recinti per aziende acquaponiche basate sull'inventario LCA delle aziende acquaponiche che sintetizza la letteratura esistente con studi di casi e suggerisce indicazioni per il lavoro futuro. L'integrazione unica degli impatti aquaponici e legati all'edilizia è di particolare interesse.

   Tabella 21.3 Confronto tra le tipologie di agricoltura in ambiente controllato

   tavolo testata tr class = header» THEA/tipo/th th Vantaggi /th th Le sfide /th th Costi e ricaduti/sup /th /tr /testata tbody tr class="dispari» td rowspan=2 Serre medio-tecniche/td td Si basa quasi interamente su energia solare, basso fabbisogno energetico aggiuntivo /td td Opzioni di controllo ambientale limitate, suscettibili alle fluttuazioni ambientali /td td rowspan=2 Costi di costruzione inferiori (circa 30—100 $/msup2/sup) /td /tr tr class="even» td Meno affidamento su materiali non rinnovabili e fonti energetiche /td td Applicabile solo alle specie ittiche con un'elevata tolleranza alla temperatura (se i serbatoi sono in serra) /td /tr tr class="dispari» td rowspan=2 Serre solari passive/td td Si basa su sistemi passivi, utilizza la massa termica (comprese le vasche per pesci) per tamponare le oscillazioni di temperatura /td td Il controllo con sistemi passivi richiede più esperienza e progettazione deliberata /td td rowspan=2 Costi di costruzione inferiori (circa 30—100 $/msup2/sup) /td /tr tr class="even» td Basso consumo energetico, potenzialmente senza bisogno di combustibili fossili /td td Richiede illuminazione supplementare, se si trova a latitudini settentrionali a causa di bassi livelli di luce /td /tr tr class="dispari» td rowspan=2 Serre ad alta tecnologia/td td Massimi livelli di controllo /td td Si basa su sistemi attivi per il calore, il raffreddamento, la ventilazione e l'illuminazione supplementare /td td rowspan=2 Elevato costo di costruzione, (circa 100—200 $/msup2/sup e altro) /td /tr tr class="even» td Elevata produttività con il potenziale di scalabilità /td td Elevati consumi energetici e costi operativi /td /tr tr class="dispari» td rowspan=5 Serre sul tetto/td td Massimi livelli di controllo /td td rowspan=2 Si basa su sistemi attivi per il calore, il raffreddamento, la ventilazione e l'illuminazione supplementare /td td rowspan=5 Altissimo costo di costruzione (circa 300-500 $/msup2/sup) /td /tr tr class="even» td Elevata produttività /td /tr tr class="dispari» td rowspan=3 Potenziale di sinergie energetiche ed ambientali, se integrate con l'edificio ospitante /td td Elevati consumi energetici e costi operativi /td /tr tr class="even» td Richiede la conformità del codice a livello di edifici commerciali per uffici /td /tr tr class="dispari» td Il trasporto di forniture al tetto è una sfida infrastrutturale /td /tr tr class="even» td rowspan=4 Spazi di crescita al coperto/td td Riutilizzo adattativo degli edifici industriali possibile /td td Dipende interamente dall'illuminazione elettrica e dai sistemi di controllo attivi per riscaldamento, raffreddamento e ventilazione /td td I costi di costruzione possono essere inferiori se l'edificio esistente può essere utilizzato /td /tr tr class="dispari» td Elevata produttività per unità di ingombro grazie a sistemi in crescita impilati /td td rowspan=3 Elevati consumi energetici e costi operativi /td td rowspan=3 Il costo dipende anche dal sistema di crescita, impilando più livelli /td /tr tr class="even» td Elevato livello di isolamento possibile /td /tr tr class="dispari» td Riduzione della perdita di calore durante i mesi invernali /td /tr /tbody /tavolo

   supa/sup Basato su Proksch (2017)

   

   Fig. 21.11 Esempio di un processo LCA integrato che include le prestazioni di costruzione e sistema aquaponico. (Basato su Sanyé-Mengual et al. 2015).

   21.5.1 Impatti incarnati: energia incarnata e carbonio incarnato

   Struttura Materiali e Costruzione Energia incarnata è il calcolo della somma di energia utilizzata per estrarre, perfezionare, elaborare, trasportare, produrre e assemblare un materiale o un prodotto. Il carbonio incarnato è la quantità di COSub2/sub emessa per produrre lo stesso materiale o prodotto. Rispetto alle tradizionali operazioni agricole in campo aperto, l'impatto incarnato di un sistema di coltivazione ambientale controllato è maggiore grazie all'aumento dell'estrazione e della produzione dei materiali in fase di costruzione (Ceron-Palma et al. 2012). Ad esempio, nella serra ICTA-ICP, la struttura dell'involucro genera il 75% in più di potenziale di riscaldamento globale (GWP) rispetto a una serra multi-tunnel basata sul suolo a causa della quantità di policarbonato utilizzata nella costruzione (Sanyé-Mengual et al. 2015). Analogamente, una simulazione integrata di serra situata a Boston ha comportato un aumento dell'impatto ambientale in fase di costruzione, grazie all'estrazione di minerali di ferro per la fabbricazione di acciaio strutturale (Goldstein 2017). Gli impatti incarnati associati agli involucri ambientali controllati possono essere mitigati attraverso l'uso intelligente dei materiali (dato che vengono apportate modifiche al codice edilizio per evitare un sovradimensionamento dei componenti strutturali), ma supererebbero comunque quelli dell'agricoltura tradizionale. Coltivare il cibo in un involucro costruito sarà sempre più intensivo di risorse all'inizio rispetto alla semplice piantagione di verdure in un campo aperto, anche se aumenterà notevolmente la quantità di cibo che può essere prodotto per area nello stesso periodo di tempo.

   Per evitare impatti ambientali legati alla struttura, alcune operazioni acquaponiche fanno uso di edifici esistenti invece di costruire un nuovo involucro. Urban Organics a St. Paul, Minnesota, USA ha ristrutturato due edifici della fabbrica di birra come loro spazi di coltivazione indoor. In un altro esempio di riutilizzo adattivo, The Plant di Chicago, Illinois, USA gestisce il suo incubatore alimentare e collettivo agricolo urbano in una fabbrica del 1925 precedentemente utilizzata da Peer Foods come impianto di confezionamento della carne (Fig. 21.12). Gli impianti di isolamento e refrigerazione esistenti sono stati riutilizzati per controllare le fluttuazioni di temperatura nell'impianto acquaponico sperimentale.

   Equipaggiamento e sottostrategia Aquaponica Quando integrato negli edifici, la scelta del materiale per i serbatoi acquaponici diventa una considerazione di progettazione importante, poiché può limitare il montaggio e il trasporto nell'edificio. Ad esempio, le parti in polietilene possono essere assemblate in loco utilizzando la saldatura in plastica, ma ciò non è possibile con le parti in fibra di vetro (Alsanius et al. 2017). Inoltre, la produzione di apparecchiature per sistemi acquaponici può contribuire in modo significativo all'impatto ambientale globale. Ad esempio, il poliestere rinforzato con fibra di vetro utilizzato per il serbatoio d'acqua da 100 msup3/sup della serra ICTAICP è responsabile del 10 -25% dell'impatto ambientale nella produzione stadio (fig. 21.13). La scelta del substrato per le piante in un sistema acquaponico ha una ramificazione del peso per la struttura dell'edificio ospitante, ma contribuisce anche all'impatto ambientale. In un recente studio fatto sull'acquaponica integrata con pareti viventi, lana minerale e fibra di cocco eseguita in modo comparabile, nonostante uno sia compostabile e l'altro sia monouso (Khandaker e Kotzen 2018).

   

   Fig. 21.12 La pianta (Chicago, Illinois, USA)

   Manutenzione della struttura e delle attrezzature La selezione iniziale del materiale per le apparecchiature acquaponiche e i componenti dell'involucro determina la manutenzione a lungo termine delle aziende acquaponiche. La produzione di materiali più durevoli come il vetro o le plastiche rigide richiede un investimento iniziale maggiore delle risorse ambientali rispetto ai film di plastica; tuttavia, i film richiedono una sostituzione più frequente — ad esempio, si prevede che il vetro rimanga funzionante per oltre 30 anni, mentre il rivestimento più convenzionale La pellicola in polietilene può durare solo 3-5 anni prima di diventare troppo opaca (Proksch 2017). A seconda della durata prevista di un involucro di sistema acquaponico, potrebbe essere più vantaggioso scegliere un materiale con una durata più breve e un minore impatto di produzione. Il film ETFE utilizzato nella serra solare Aquaponic è un promettente compromesso tra longevità e sostenibilità, anche se sono necessarie ulteriori ricerche. Le apparecchiature acquaponiche standard sono costituite da serbatoi d'acqua e tubazioni. Le tubazioni per sistemi acquaponici sono spesso prodotte in PVC, che produce un impatto ambientale significativo nel processo di produzione, ma non richiede la sostituzione per un massimo di 75 anni. Alcuni fornitori acquaponici offrono il bambù come alternativa biologica.

   

   Fig. 21.13 Sezione edificio con serre sul tetto di Harquitectes, edificio ICTA-ICP (Bellaterra, Spagna)

   21.5.2 Impatti operativi

   Energia Nel 2017, il 39% del consumo energetico totale negli Stati Uniti corrispondeva al settore edile (VIA). Il settore agricolo ha rappresentato circa l'1,74% del consumo totale di energia primaria negli Stati Uniti nel 2014, basandosi fortemente sulle spese indirette sotto forma di fertilizzanti e pesticidi (Hitaj e Suttles 2016). L'efficienza energetica è un campo di ricerca consolidato sia nell'ambiente costruito che nell'agricoltura, che spesso definisce gli impatti operativi di un prodotto, di un edificio o di un'azienda agricola nel complesso LCA (Mohareb et al. 2017). Integrare l'uso dell'edilizia e dell'energia agricola può ottimizzare le prestazioni di entrambi (Sanjuandelmás et al. 2018).

   Riscaldamento Il fabbisogno energetico per il riscaldamento degli spazi in crescita è di particolare interesse per i climi settentrionali, dove estendere una stagione di crescita naturalmente breve conferisce alle aziende acquaponiche integrate negli edifici un vantaggio competitivo sul mercato (Benis e Ferrão 2018). Tuttavia, nei climi più freddi, il consumo energetico dei sistemi di riscaldamento attivi contribuisce in modo significativo all'impatto ambientale globale. In una valutazione degli spazi in crescita condizionati a Boston, Massachusetts, i costi di riscaldamento neutralizzano i benefici derivanti dall'eliminazione delle miglia alimentari nella catena alimentare urbana (Benis et al. 2017b; Goldstein 2017). Ciò non vale nei climi mediterranei, dove le condizioni climatiche sono favorevoli all'agricoltura e dove quasi tutto l'anno e le strutture a serra convenzionali possono contare sul riscaldamento solare passivo (Nadal et al. 2017; Rothwell et al. 2016).

   Sia in climi freddi che in quelli caldi, l'integrazione di sistemi di coltivazione a ambiente controllato sui tetti esistenti può fornire isolamento all'edificio ospitante: una fattoria di Montreal, Quebec riferisce di catturare il 50% del fabbisogno di riscaldamento serra dalla struttura ospitante esistente, riducendo così il carico di riscaldamento (Goldstein 2017). I sistemi di illuminazione possono anche essere parzialmente responsabili della soddisfazione della domanda di riscaldamento in applicazioni di crescita verticale interne, come fabbriche di impianti o contenitori di spedizione (Benis et al. 2017b).

   La cattura del calore residuo è un'altra strategia progettuale promettente in grado di ottimizzare le prestazioni sia della struttura host che del sistema in crescita. Studi post-occupazione della serra sperimentale sul tetto presso l'ICTA-ICP di Bellaterra, Spagna, indicano che l'integrazione dell'edificio con la serra ha prodotto un risparmio equivalente di carbonio di 113,8 kg/msup2/sup/anno rispetto a una serra autoportante tradizionale riscaldata con olio (Nadal et al. 2017). Senza l'intervento dei sistemi attivi di riscaldamento, ventilazione e condizionamento dell'aria (HVAC), la massa termica del laboratorio ospitante/edificio per uffici ha aumentato la temperatura della serra di 4,1 °C durante i mesi più freddi, consentendo la coltivazione del pomodoro durante tutto l'anno.

   Raffreddamento Nei climi mediterranei e tropicali, il raffreddamento artificiale è spesso un requisito per coltivare prodotti tutto l'anno. In una simulazione di serra sul tetto, i carichi di raffreddamento rappresentavano fino al 55% del fabbisogno energetico totale delle aziende agricole a Singapore e nel clima più temperato di Parigi, 30% (Benis et al. 2017b). Il fabbisogno di energia di raffreddamento è particolarmente elevato nei climi aridi, il che può trarre il massimo vantaggio dalla riduzione dei costi di trasporto convenzionali per i prodotti deperibili (Graamans et al. 2018; Ishii et al. 2016). Raffreddamento evaporativo, raffreddamento nebbia e ombreggiatura sono alcune strategie per abbassare le temperature nelle aziende acquaponiche e migliorare le prestazioni agricole in termini di resa.

   I sistemi acquaponici integrati negli edifici hanno il vantaggio di immagazzinare la massa termica in vasche per alleviare i carichi di raffreddamento e riscaldamento. Nei casi in cui questa modalità di raffreddamento passivo non soddisfa la domanda di raffreddamento, il raffreddamento evaporativo è più comunemente usato. La serra Sustainable Harvesters produce lattuga per l'area di Houston, Texas, USA tutto l'anno utilizzando un sistema di raffreddamento a ventola e pad, un sottoinsieme di tecnologia di raffreddamento evaporativo. L'aria calda dall'esterno dell'involucro passa prima attraverso un mezzo di cellulosa umido prima di entrare nello spazio di crescita. Di conseguenza, l'aria interna è più fresca e più umida. Il raffreddamento evaporativo è più efficace nei climi secchi, ma richiede un uso elevato di acqua, che può essere una limitazione per le aziende agricole in aree aride del mondo.

   Il raffreddamento della nebbia è una strategia alternativa. In una serra raffreddata da nebbia, le piante vengono periodicamente appannate con acqua dagli irrigatori/nebulizzatori sopraelevati fino a quando lo spazio raggiunge la temperatura desiderata per la coltivazione. Il raffreddamento della nebbia utilizza meno acqua rispetto al raffreddamento evaporativo, ma aumenta l'umidità relativa di uno spazio in crescita. Se abbinato alla giusta strategia di ventilazione, il raffreddamento della nebbia può essere una tecnologia di risparmio idrico particolarmente adatta alle regioni aride (Ishii et al. 2016). Inoltre, il raffreddamento della nebbia diminuisce il tasso di evapotraspirazione nelle piante, che è fondamentale per ottimizzare il metabolismo delle piante nei sistemi acquaponici (Goddek 2017). La serra fiore all'occhiello delle aziende agricole Superior Fresh utilizza un sistema computerizzato di raffreddamento della nebbia per mantenere le temperature di coltivazione durante la stagione calda.

   I dispositivi di ombreggiatura possono anche contribuire ad abbassare le temperature della serra. Tradizionalmente, l'imbiancatura stagionale delle serre veniva utilizzata per ridurre i livelli di radiazione solare durante i mesi più caldi (Controlled Environment Agriculture 1973). Tuttavia, l'ombreggiatura può essere integrata con altre funzioni di costruzione. Una promettente strategia di ombreggiatura consiste nell'utilizzare moduli fotovoltaici semitrasparenti per raffreddare contemporaneamente lo spazio e produrre energia (Hassanien e Ming 2017). La serra solare Aquaponic combina il suo array fotovoltaico con la funzionalità di ombreggiatura; utilizza pannelli rotanti in alluminio come dispositivi di ombreggiatura che funzionano come collettori solari con l'ausilio di celle fotovoltaiche montate. L'impianto fotovoltaico integrato trasforma quindi la radiazione solare in eccesso in energia elettrica.

   Illuminazione Il vantaggio principale delle serre rispetto agli spazi di coltivazione indoor è la loro capacità di sfruttare la luce del giorno per facilitare la fotosintesi. Tuttavia, le aziende agricole in climi estremi possono scoprire che non è finanziariamente fattibile soddisfare carichi di riscaldamento o di raffreddamento per un involucro trasparente; in questo caso, gli agricoltori possono scegliere di coltivare colture in spazi interni con un involucro isolato (Graamans et al. 2018). Le aziende agricole Aquaponic che operano in spazi di coltivazione interni si affidano a un'illuminazione elettrica efficiente per produrre colture.

   Molti progressi nell'illuminazione agricola contemporanea hanno avuto origine nelle fabbriche di impianti giapponesi, utilizzati per ottimizzare la resa delle piante in sistemi idroponici densi sostituendo la luce solare con lunghezze d'onda della luce ingegnerizzate (Kozai et al. 2015). Attualmente, l'illuminazione a LED è la scelta più popolare per i sistemi di illuminazione elettrica dell'orticoltura. Sono più efficienti dell'80% rispetto alle lampade a scarica ad alta intensità e 30% più efficienti rispetto alle loro controparti fluorescenti (Proksch 2017). L'illuminazione a LED continua ad essere studiata per ottimizzare l'efficienza energetica e la resa delle colture (Zhang et al. 2017). Le serre di grandi dimensioni come Superior Fresh, Wisconsin, USA si affidano a regimi di illuminazione supplementari computerizzati per estendere il periodo di fotosintesi del suo raccolto alle latitudini settentrionali.

   Generazione Energetica Limitata dagli stessi fattori di tutte le CEA, la gestione energetica di un'azienda acquaponica dipende dal clima esterno, dalla selezione delle colture, dal sistema produttivo e dalla progettazione della struttura (Graamans et al. 2018). La coltivazione dei prodotti attraverso l'acquaponica non è intrinsecamente sostenibile se non gestita correttamente — tutti i fattori di cui sopra possono influire sull'efficienza energetica nel bene o nel male (Buehler e Junge 2016). In molti casi, CEA è più energetico-intensive rispetto all'agricoltura tradizionale in campo aperto; tuttavia, maggiori spese di energia possono essere giustificate se il modo in cui otteniamo energia si sposta verso fonti rinnovabili e strategie efficienti per il riscaldamento, il raffreddamento e l'illuminazione sono incorporate nella progettazione dell'azienda agricola.

   La produzione di energia fotovoltaica (FV) può svolgere un ruolo importante nella compensazione degli impatti operativi per l'acquaponica in ambiente controllato, riducendo la tensione ambientale. In un esempio di serra ad alta tecnologia in Australia, l'utilizzo di energia proveniente da un impianto fotovoltaico ha causato una riduzione del 50% delle emissioni di gas serra nel ciclo di vita rispetto allo scenario di rete convenzionale (Rothwell et al. 2016). La generazione di energia rinnovabile può essere combinata con le fattorie acquaponiche, spazio permettendo — ad esempio, la serra acquaponica Lucky Clays Fresh in una fattoria rurale della Carolina del Nord funziona con energia generata da turbine eoliche e pannelli fotovoltaici che si trovano altrove sul terreno del proprietario.

   Acqua L'efficienza dell'uso dell'acqua è stata spesso citata come uno dei principali vantaggi dei sistemi CEA e idroponici (Despommier 2013; Specht et al. 2014). I sistemi Aquaponic sono ancora più adatti per aumentare l'efficienza idrica — dove 1 kg di pesce prodotto in un sistema di acquacoltura convenzionale richiede tra 2500 e 375.000 L, la stessa quantità di pesce allevato in un sistema acquaponico richiede meno di 100 L (Goddek et al. 2015). La cattura dell'acqua piovana e il riutilizzo dell'acqua grigia sono state proposte come due strategie per compensare ulteriormente gli impatti spartiacque derivanti dal funzionamento di una fattoria idroponica o acquaponica. Nell'attuale serra ICTA-ICP, l'80-90% del fabbisogno idrico per la produzione di pomodori in un sistema idroponico aggregato è stato coperto dalla cattura dell'acqua piovana entro un anno di attività (Sanjuan-Delmás et al. 2018). Tuttavia, la capacità di cattura dell'acqua piovana di soddisfare la domanda di colture dipende dal contesto climatico. In uno studio che valuta la fattibilità della produzione di serra sul tetto nei parchi commerciali esistenti in otto città in tutto il mondo, sette hanno incontrato l'autosufficienza delle colture attraverso la cattura dell'acqua piovana - solo Berlino no (Sanyé-Mengual et al. 2018).

   Alcuni impianti CEA già esistenti riutilizzano l'acqua grigia per migliorare l'efficienza (Benke e Tomkins 2017). Tuttavia, il riutilizzo delle acque grigie in un contesto urbano è attualmente limitato a causa della mancanza di sostegno normativo e dell'attuale mancanza di ricerca sui rischi per la salute derivanti dall'utilizzo di acque grigie in agricoltura. Pilota del riutilizzo delle acque grigie, la Maison Produttive di Montréal raccoglie acqua grigia da usi domestici per integrare la raccolta di acqua piovana per irrigare giardini e una serra comune per la produzione alimentare che nove unità abitative condividono (Thomaier et al. 2015). Con ulteriori progressi nella politica sul trattamento delle acque grigie, l'acquaponica integrata negli edifici può attingere al ciclo idrico esistente invece di affidarsi a fonti comunali.

   Dal punto di vista architettonico, la distribuzione dell'acqua in un sistema acquaponico rischia di rappresentare una sfida strutturale. Le vasche acquaponiche pesano più delle aiuole idroponiche e possono limitare quali tipi di strutture sono fattibili per l'ammodernamento di una fattoria acquaponica. Anche il terreno di crescita richiede una considerazione: i sistemi di coltura dell'acqua profonda (DWC) richiedono un volume elevato e pesante di acqua, mentre i sistemi NFT (Nutrient Film Technique) sono leggeri ma costosi da produrre (Goddek et al. 2015).

   Nutrienti Rispetto all'agricoltura tradizionale in campo aperto, CEA riduce la necessità di fertilizzanti e pesticidi, poiché l'agricoltore può separare fisicamente il raccolto dalle condizioni esterne difficili (Benke e Tomkins 2017). Tuttavia, a causa della densità di un sistema aquaponico, le malattie delle piante o dei pesci possono diffondersi rapidamente se un agente patogeno si infiltra nello spazio. Opzioni preventive, come l'uso di insetti predatori o misure di controllo ambientale rigorose, come un ingresso «tampone», possono evitare questo rischio (Goddek et al. 2015).

   L'integrazione di diversi fabbisogni nutritivi per pesci e colture rappresenta una sfida nei sistemi acquaponici a circolazione singola (Alsanius et al. 2017). Generalmente, le piante richiedono concentrazioni di azoto più elevate di quelle che i pesci possono sopportare e un'attenta selezione delle colture e dei pesci può soddisfare i requisiti nutritivi per ottimizzare le rese, ma è ancora difficile da raggiungere. I sistemi disaccoppiati (DRAPS) sono stati proposti per separare il ciclo dell'acqua di acquacoltura da quello idroponico per ottenere le concentrazioni di nutrienti desiderate, ma non è ancora comunemente applicato nelle aziende agricole commerciali (Suhl et al. 2016). Urban Organics con sede a St. Paul, Minnesota, USA ha scelto di sviluppare un sistema DRAPS per la loro seconda azienda agricola al fine di ottimizzare sia la resa delle colture che dei pesci ed evitare la perdita delle colture in caso di squilibri nutritivi all'interno di vasche ittiche. L'ECF Farm di Berlino, in Germania, e gli allevamenti Superior Fresh in Wisconsin, USA gestiscono sistemi disaccoppiati per ottimizzare la crescita di pesci e piante.

   In alternativa, i cicli di nutrienti acquaponici possono essere ottimizzati attraverso l'introduzione di un reattore anaerobico per trasformare i rifiuti solidi di pesce in fosforo digeribile dalle piante (Goddek et al. 2016). Attualmente, The Plant di Chicago, USA sta progettando di gestire un digestore anaerobico che potrebbe svolgere un ruolo nell'ottimizzazione dei cicli di nutrienti per la crescita delle colture. I requisiti di sistema meccanico per DRAPS e la digestione anaerobica influenzeranno le prestazioni e la disposizione spaziale di una fattoria acquaponica.

   21.5.3 Impatti di fine vita

   Gestione dei rifiuti materiali Un vantaggio teorico di CEA rispetto all'agricoltura in campo aperto è la capacità di controllare il deflusso dei rifiuti dei materiali, prevenendo la lisciviazione (Despommier 2013; Gould e Caplow 2012). Un involucro stretto può svolgere un ruolo importante nella gestione efficiente dei rifiuti di materiali. Un percorso di riciclo dei rifiuti organici per migliorare le prestazioni edilizie è l'uso di steli vegetali per la produzione di biochar isolanti, anche se questa ricerca è in fase iniziale (Llorach-Massana et al. 2017). Inoltre, considerando l'incorporazione di componenti per la gestione dei rifiuti come un letto di filtrazione, un digestore anaerobico o un ventilatore per il recupero del calore nella progettazione dell'involucro in una fase iniziale, può chiudere l'energia, i nutrienti e gli anelli d'acqua per l'azienda agricola.

   Catene di distribuzione L'imballaggio è stato un punto di riferimento in vari LCA agricoli per valutare l'impatto della produzione. È responsabile di ben il 45% dell'impatto totale per un pomodoro a Bologna, Italia, ed è il principale contributore agli impatti ambientali dei sistemi idroponici indoor a Stoccolma, Svezia (Molin e Martin 2018b; Orsini et al. 2017; Rothwell et al. 2016). La presenza di aziende agricole acquaponiche vicino ai consumatori può ridurre la necessità di imballaggi, magazzini e trasporti come per altre forme di agricoltura urbana, se i rivenditori locali e i distributori collaborano con gli agricoltori (Specht et al. 2014). Purtroppo, a causa dell'accettazione da parte dei consumatori, la maggior parte dei rivenditori su larga scala richiede attualmente imballaggi in plastica standard per i prodotti aquaponici da vendere insieme ai marchi convenzionali - quindi, la scelta di un sito vicino a un mercato di consumo per l'acquaponica a ambiente controllato non garantisce cambiamenti significativi nelle prestazioni complessive della fattoria.

   Il trasporto ridotto, o miglia alimentari, è spesso citato in letteratura come un grande vantaggio dell'agricoltura urbana (Benke e Tomkins 2017; Despommier 2013; Sanjuan-Delmás et al. 2018). Tuttavia, è importante notare che il contributo relativo delle catene di trasporto abbreviate varia caso per caso. A Singapore, dove quasi tutto il cibo deve essere importato dai paesi vicini, tagliare le catene di trasporto ha un senso finanziario e in termini di impatto ambientale (Astee e Kishnani 2010). Lo stesso non si può dire per la Spagna, dove la filiera convenzionale di pomodori da fattoria a città è già breve (Sanjuandelmás et al. 2018). Le città con le catene di approvvigionamento più lunghe possono beneficiare della produzione alimentare localizzata, ma i vantaggi del taglio del trasporto devono essere valutati in base agli impatti operativi e incarnati. Nel caso di Boston, i vantaggi di un trasporto ridotto sono stati completamente negati dall'impatto del riscaldamento e del funzionamento di una serra all'interno della città (Goldstein 2017). Nonostante le lunghe catene di approvvigionamento alimentare convenzionali, gli impatti sui trasporti sono stati altrettanto insignificanti nel quadro generale della performance CEA a Stoccolma (Molin e Martin 2018a).

   Consumo e dieta Le aziende agricole acquaponiche nelle città possono alterare le diete urbane, che svolgono un ruolo significativo nell'impatto ambientale del consumo alimentare (Benis e Ferrão 2017). Il consumo di carne attraverso la catena convenzionale produce la maggior parte dell'attuale impronta ambientale e la ricerca di alternative proteiche ha il potenziale di avere un impatto maggiore rispetto alla diffusa implementazione dell'agricoltura urbana (Goldstein 2017). Poiché l'acquaponica produce pesce e verdure, questo potenziale di cambiare le diete proteiche su larga scala non dovrebbe essere ignorato nelle valutazioni più ampie delle prestazioni ambientali.

6. 21.6 Acquaponica urbana integrata

   Original publication 2019 · Pubblicato per la prima volta su FarmHub Learn 2020-06-04 · Aquaponics Food Production Systems

   Quando deliberatamente progettate in relazione all'impatto ambientale, le aziende agricole acquaponiche possono diventare parte di un sistema alimentare urbano efficiente sotto il profilo delle risorse. Nessuna azienda acquaponica opera in isolamento poiché, quando le colture vengono raccolte e raggiungono il cancello della fattoria, entrano in una rete alimentare socioeconomica più ampia, poiché il pesce e i prodotti vengono distribuiti ai clienti. In questa fase, le prestazioni delle aziende acquaponiche non sono più limitate al sistema e all'involucro in crescita: sono coinvolti anche economia, marketing, istruzione e sensibilizzazione sociale. Le fattorie acquaponiche urbane dovranno operare come imprese competitive e buoni vicini per essere integrate con successo nella vita cittadina.

   21.6.1 Redditività economica

   La redditività economica delle aziende acquaponiche dipende da molti fattori contestuali in cui devono essere abbinate sia le catene locali di produzione ittica convenzionali che l'agricoltura in campo aperto (Stadler et al. 2017). Anche se l'acquaponica richiede un investimento iniziale relativamente costoso, può sovraperformare l'agricoltura convenzionale durante la fase di produzione e distribuzione, dove la progettazione del sistema idrico a ricircolo riduce i costi dell'acqua e riduce notevolmente il fabbisogno di fertilizzanti, che generalmente comprendono tra il 5% e il 10% di costi complessivi delle aziende agricole (Hochmuth e Hanlon 2010). Tuttavia, stimare la redditività economica delle aziende agricole acquaponiche è particolarmente difficile a causa della gamma di fattori dinamici che influenzano le prestazioni, tra cui il prezzo locale del lavoro e dell'energia, essendo due esempi (Goddek et al. 2015). In un'analisi economica delle fattorie acquaponiche negli Stati Uniti del Midwest, il lavoro costituiva il 49% di tutti i costi operativi nonostante il presupposto che sarebbero stati pagati solo i salari minimi. In realtà, la vasta gamma di competenze necessarie per gestire un sistema acquaponico probabilmente giustificherà salari più elevati in uno scenario agricolo urbano (Quagrainie et al. 2018).

   La selezione del sito e la progettazione degli inviluppi hanno un rapporto diretto con la redditività di un'azienda acquaponica, influenzando l'efficienza operativa e l'ampiezza del mercato potenziale. Le fattorie acquaponiche situate in ambienti urbani possono attingere a diversi mercati al di fuori della produzione agricola, dove molte aziende acquaponiche offrono tour, workshop, servizi di consulenza progettuale e forniscono sistemi aquaponici per hobbisti. L'integrazione dell'agricoltura con altri tipi di spazi all'interno degli ambienti urbani può contribuire alla salute finanziaria delle aziende agricole acquaponiche. La fattoria acquaponica ECF si trova nel cortile di lavoro dell'edificio di riferimento industriale Malzfabrik, Berlino, Germania, che gestisce un centro culturale e ospita spazi di lavoro per artisti e designer.

   21.6.2 Accessibilità e sicurezza alimentare

   L'agricoltura urbana è spesso citata come una strategia per fornire cibo fresco alle comunità poco servite situate nei deserti alimentari, eppure poche fattorie urbane commerciali mirano a questo demografico, dimostrando che l'agricoltura urbana su scala commerciale può essere esclusoria quanto le catene di approvvigionamento convenzionali (Gould e Caplow 2012; Sanyé- Mengual et al. 2018; Thomaier et al. 2015). Le aziende agricole acquaponiche che utilizzano infrastrutture ad alta tecnologia cercano di riscattare i loro elevati investimenti raggiungendo prezzi premium nei mercati urbani, anche se l'acquaponica può derivare anche da applicazioni di base e hobbisti. L'acquaponica può anche avere il potenziale per aumentare la sicurezza alimentare per i residenti urbani. Ciò è dimostrato dall'eredità duratura di Growing Power, un'organizzazione senza scopo di lucro che fino a poco tempo fa gestiva una fattoria urbana a Milwaukee, Wisconsin, USA fondata da Will Allen nel 1993. Molti attuali agricoltori acquaponici hanno partecipato ai workshop di Growing Power, in cui Allen ha sostenuto un modello acquaponico che restituisce alla comunità circostante attraverso scatole e classi agricole sostenute dalla comunità. Iniziato dai programmi educativi di Growing Power, altre organizzazioni acquaponiche non profit hanno preso fino alla torcia come Dre Taylor con Nile Valley Aquaponics a Kansas City, Kansas, USA. Questa fattoria mira a fornire 100.000 libbre (45.400 kg) di prodotti locali alla comunità circostante in un nuovo campus premiato per la fattoria in espansione (Fig. 21.14).

   

   Fig. 21.14 Proposto campus Aquaponics della Valle del Nilo (Kansas City, Kansas, USA) da HOK Architects

   21.6.3 Istruzione e formazione professionale

   L'acquaponica può essere utilizzata come strumento educativo per promuovere il pensiero dei sistemi e la consapevolezza ambientale (Junge et al. 2014; Specht et al. 2014). Nelle applicazioni urbane, i sistemi acquaponici potrebbero essere utilizzati per sensibilizzare i cicli ecologici proprio come le aziende agricole esistenti a base di suolo (Kulak et al. 2013). Il progetto serra di New York lo traduce in un nuovo approccio all'educazione scientifica nelle scuole pubbliche. Il progetto serra mira a costruire 100 serre sul tetto nelle scuole pubbliche come aule di scienza. Queste serre, personalizzate per la loro duplice missione di crescita e apprendimento, includono tutte un sistema acquaponico. Tuttavia, i sistemi acquaponici richiedono anche una maggiore collaborazione tra le discipline accademiche esistenti per progredire in questo nuovo campo accademico multidisciplinare (Goddek et al. 2015). La collaborazione di specialisti in acquacoltura e orticoltura, ingegneri, strateghi aziendali e professionisti dell'ambiente costruito, tra molti altri, è necessaria per trasformare l'acquaponica in un importante contributo allo sviluppo urbano sostenibile.

7. 21.7 Conclusioni

   Original publication 2019 · Pubblicato per la prima volta su FarmHub Learn 2020-06-04 · Aquaponics Food Production Systems

   C'è una serie di criteri che contribuiscono alle prestazioni di ogni azienda agricola e il loro numero cresce con il numero di discipline coinvolte in questo campo interdisciplinare dell'acquaponica. Da notare è uno studio precedente che ha fornito una definizione di acquaponica e una classificazione dei tipi di acquaponica in base alle dimensioni e al sistema (Palm et al. 2018). Molti criteri per l'analisi del tipo di involucro individuato in questo studio derivano dal contesto agricolo immediato: clima locale, qualità del contesto ambientale costruito, pratiche di approvvigionamento energetico, costi, mercato e quadri normativi locali. Una serra acquaponica in un contesto rurale si comporta in modo diverso da quello di una città, proprio come le aziende agricole in climi aridi non condividono gli stessi requisiti delle loro controparti nelle zone più fredde. In generale, le serre classificate come media tecnologia e solare passivo offrono un'opzione di involucro ecosostenibile a basso costo, attualmente utilizzata solo da piccole operazioni acquaponiche. Tuttavia, a causa del loro livello intenzionalmente limitato di controlli tecnici ambientali, essi funzionano bene solo in zone climatiche specifiche. In confronto, le serre high-tech e sul tetto possono essere implementate tecnicamente ovunque, anche se in condizioni climatiche estreme generano costi operativi elevati e ingombri ambientali maggiori. Recenti studi di casi dimostrano che gli impianti di coltivazione indoor possono essere finanziariamente fattibili, ma a causa della loro esclusiva dipendenza dall'illuminazione elettrica, la loro efficienza di utilizzo delle risorse e l'impatto ambientale sono preoccupanti. Sono necessarie ulteriori ricerche per stabilire il rapporto tra specifiche aziende acquaponiche e i loro recinti con le reti di risorse esistenti. Questo lavoro può aiutare a collegare l'acquaponica alla ricerca condotta sul metabolismo urbano.

   Altri criteri che determinano la tipologia e le prestazioni della farm sono interni. Questi includono i livelli di controllo ambientale, la selezione delle colture e dei pesci, il tipo di sistema acquaponico e la scala e il tipo e la scala dell'involucro. Adottando un approccio integrato LCA, la relazione tra tutti i fattori deve essere valutata per tutta la durata della vita dell'azienda, dalla culla alla tomba. La valutazione del ciclo di vita delle aziende acquaponiche deve includere sia gli impatti degli edifici che gli impatti crescenti dei sistemi, poiché nella fase di gestione delle aziende agricole si sovrappongono. Una serie di strategie promettenti per il riscaldamento, il raffreddamento, l'illuminazione e la progettazione dei materiali possono migliorare l'efficienza complessiva dell'azienda per tutta la durata di vita dell'azienda. Oltre a tenere conto dell'impatto ambientale, LCA può diventare un quadro di progettazione per esperti di orticoltura, specialisti in acquacoltura, architetti e investitori.

   Continuare a esaminare le aziende acquaponiche commerciali esistenti è importante per convalidare i modelli LCA, identificare strategie e catalogare le operazioni acquaponiche emergenti su scala più ampia. Combinare la modellazione con la ricerca di casi di studio sull'acquaponica ambientale controllato ha il potenziale per collegare l'acquaponica al più ampio ambito della sostenibilità urbana.

   Riconoscimenti Gli autori di questo studio riconoscono il sostegno finanziario della National Science Foundation (NSF) sotto l'ombrello della Sustainable Urbanization Global Initiative (SUGI) Food Water Energy Nexus e il supporto di tutti i partner del progetto CITYFOOD per fornire idee e ispirazione.