Feasibility study for the realization of a vertical farm in a controlled environment located in Milan

As the global population continues to grow, especially in urbanized areas, there is an increasing demand for new arable land to meet the raising demand for food. Conventional agricultural practices are slowly leading to deforestation and intensification of crops to produce higher yield per unit area. These activities, as already demonstrated by several research, have a negative impact on the environment, causing soil degradation and elevate water consumption. Furthermore, intensive agricultural practices have led to a progressive increase in the use of pesticides and fertilizers, leading to a consequent increased in soil pollution. These factors, combined with climate change and related adverse weather events, call for a more holistic and innovative approach, aiming at sustainable food production and including urban areas in this process. In this context, vertical farming (VF) is literally gaining new space and is proposing itself as a worthy option to produce small vegetables directly in the city, respecting the sustainability criteria and helping to meet the growing food demand. VF in controlled environment aims to increase productivity while reducing the environmental footprint by applying new technologies such as aeroponic irrigation system. This study aims at analysing which are the main issues that are limiting the spread of this technology, studying its potential advantages and disadvantages. To implement this comparison, a feasibility study on a project for the construction of a VF in a controlled environment for the production of baby leaf lettuce in the city of Milan has been carried out. Thanks to the use of a small-scale VF, it was possible to perform an energy analysis on the structure, determining which are the main thermal loads involved. From the obtained results, it was then possible to size the air handling unit system and the related air ducts system. The sizing of each component has then allowed to make a resource consumption analysis on the entire facility. Once these results were obtained, the study proceed with the implementation of an economic analysis in order to highlight if the project considered was feasible or not. Determined the economic profitability of the plant, a fair comparison in terms of resource consumption with the production of lettuce in open field and greenhouse has been made. Thanks to this comparison it has been possible to conclude the work, highlighting the advantages of VF technology, such as soil savings, reduction of food waste, high water recovery efficiency, biosecurity, protection from external climate events, and reduction in the use of road transport. Finally, it was also possible to analyse the main issues that are limiting the diffusion of these structures, such as the limited possibility of products that can be grown inside the facility, the high investment costs and the high electricity consumption. Because of these problems, the application of VF in a controlled environment is feasible only in upper-middle income and high-income countries, while an application in the poorest areas of the world, where malnutrition is widespread, is not yet possible.

Considerata la costante crescita della popolazione globale, specialmente nelle aree urbanizzate, si sta verificando un aumento della richiesta di nuovi terreni coltivabili per far fronte al progressivo aumento della domanda di cibo. Le pratiche agricole convenzionali stanno lentamente contribuendo all’aumento della deforestazione e all'intensificazione delle coltivazioni per produrre una maggiore resa annua. Queste attività, come dimostrato da diversi ricercatori, hanno un impatto negativo sull'ambiente, infatti, contribuiscono al degradamento del suolo e ad un elevato consumo di acqua. Inoltre, l’agricoltura intensiva ha portato ad un progressivo aumento dell'uso di pesticidi, provocando un conseguente aumento dell'inquinamento del suolo. Questi fattori, uniti al cambiamento climatico e ai connessi eventi meteorologici avversi, richiedono un approccio più olistico ed innovativo, che miri ad ottenere una produzione alimentare più sostenibile e che includa anche le aree urbane. In questo contesto, sta letteralmente guadagnando nuovo spazio il Vertical Farming (VF). Tale tecnologia si propone come una possibile soluzione per produrre piccoli ortaggi direttamente in città, rispettando i criteri di sostenibilità e contribuendo a soddisfare la crescente domanda alimentare. Il VF mira quindi ad aumentare la produttività agricola con grazie all’applicazione di nuove tecnologie come il sistema di irrigazione idroponico. Questo elaborato mira, dunque, ad analizzare quali sono le principali problematiche che stanno limitando la diffusione di questa tecnologia, studiandone i potenziali vantaggi e svantaggi. Per attuare questo confronto, è stato condotto uno studio di fattibilità su un progetto per la costruzione di una VF in ambiente controllato per la produzione di lattuga a foglia piccola nella città di Milano. Grazie all'utilizzo di una VF in scala ridotta, è stato possibile eseguire un'analisi energetica sulla struttura, determinando i principali carichi termici coinvolti. Dai risultati ottenuti, è stato possibile dimensionare l’unità di trattamento aria in tutti i suoi componenti, e le relative condotte di mandata e ripresa. Una volta analizzati i principali componenti della struttura, si è svolta un’analisi relativa al consumo di risorse. Ottenuti tali risultati è stato possibile effettuare un'analisi economica per evidenziare la sostenibilità o meno del progetto. Stabilita la profittabilità economica dell’impianto, è stato possibile svolgere un confronto in termini di consumo di risorse con la produzione di lattuga in campo aperto e in serra. Grazie a questo confronto è stato possibile concludere il lavoro, sottolineando i vantaggi della tecnologia, come il risparmio di suolo, la riduzione dello spreco alimentare, l'alta efficienza nel recupero dell'acqua, la biosicurezza, la protezione dagli eventi climatici esterni e la riduzione dell'uso del trasporto su strada. Oltre ai numerosi vantaggi esistono alcuni problemi che stanno limitando la diffusione di tale tecnologia, come la limitata scelta sui prodotti coltivabili all’interno della struttura, gli alti costi di investimento e l’elevato consumo di elettricità. A causa di questi problemi, l’applicazione del VF in ambiente controllato risulta realizzabile solo nei paesi più a reddito alto o medio-alto, mentre l’applicazione nelle zone più povere del mondo in cui la malnutrizione spesso è largamente diffusa, non risulta ancora possibile.