CUBES Circle
Closed urban modular energy- and resource-efficient agricultural systems
Die Herausforderung an die Agrarsysteme
Neben dem weltweiten Bevölkerungszuwachs und den Auswirkungen des Klimawandels stellt die Verdichtung urbaner Räume eine der zentralen Herausforderungen für die Sicherstellung einer gesunden Nahrungsmittelversorgung dar. Der Raum für Agrarwirtschaft in Städten ist begrenzt und auch die zur Verfügung stehende Agrarfläche auf dem Land schrumpft. Ohne Anpassung werden die heutigen Agrarsysteme künftig nicht in der Lage sein, die wachsende Weltbevölkerung zu ernähren. Aus diesem Grunde werden neue Ansätze in der Lebensmittelproduktion erforderlich.
Die Vision
Das Projekt CUBES Circle (Closed Urban modular Energy- and Resource-efficient Agricultural Systems) strebt die Realisierung und Optimierung einer nachhaltigen, energie- und ressourceneffizienten Produktion von gesunden Lebensmitteln durch die smarte Vernetzung unterschiedlicher Agrarsysteme, exemplarisch die der Pflanzen- und Insektenproduktion sowie Aquakultur in einem variablen, resilienten und anpassungsfähigen Kreislaufsystem an. Dabei werden Anwendungskontexte im (peri)urbanen Umfeld in Industrie- und Schwellenländern mit vorhandener technischer Infrastruktur betrachtet. Die Umsetzung dieses komplexen raumoptimierten Produktionssystems über drei trophische Ebenen, dessen Stoff- und Energieströme in die Umgebung eingebettet sind und welches eine Zero-Waste-Philosophie verfolgt, stellt einen höchst innovativen Lösungsansatz dar, die Produktion von gesunden Lebensmitteln unabhängig vom Klima nachhaltig zu realisieren.
Koordination
Prof. Dr. Dr. Christian Ulrichs
Humboldt-Universität Berlin
Lebenswissenschaftliche Fakultät
Albrecht Daniel Thaer-Institut für Agrar- und
Gartenbauwissenschaften
Fachgebiet Urbane Ökophysiologie der Pflanzen
Lentzeallee 55-57
14195 Berlin
Tel.: +49 30 2093 46420
Fax: +49 30 2093 46440
E-Mail: mail@cubescircle.de
www.cubescircle.de
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Projektpartner
Humboldt-Universität zu Berlin
Prof. Dr. Dr. Christian Ulrichs
Prof. Dr. Uwe Schmidt
Prof. Dr. Christoph-Martin Geilfus
Prof. Dr. Bernhard Grimm
Prof. Dr. Linda Onnasch
Prof. Dr. Peter Feindt
Technische Universität Chemnitz
Prof. Dr.-Ing. habil Stefan Streif
Technische Universität Braunschweig
Prof. Dr.-Ing. Christoph Hermann
Hochschule Weihenstephan-Triesdorf
Prof. Dr. Heike Mempel
Julius Kühn Institut
Prof. Dr. Stefan Kühne
Leibniz-Institut für Gewässerökologie und Binnenfischerei
Prof. Dr. Werner Kloas
Biologische Beratung
Dr. Matthias Schöller
Gesellschaft für soziale Unternehmensberatung mbH (gsub)
Dr. Dieter Simon
Conviron
Dr. Carsten Richter
Rewe Group
Step Systems GmbH
Wissenschaftlicher Beirat
Prof. Dr. Wolfgang Bokelmann
Dr. Ludger Breloh
Jacqueline Lawina Were
Dr. Marco Wopereis
Erwartete Ergebnisse für die Phase II
Die erwarteten Forschungsergebnisse von CUBES Circle in der zweiten Projektphase umfassen:
- die Weiterentwicklung und Optimierung der verbundenen Produktionssysteme
- die Erprobung neuer Kombinationen von Organismen und ggf. Trophieebenen
- die effiziente Skalierung der trophischen Ebenen
- die Bewertung geeigneter Anwendungskontexte und möglicher Standorte
- die Erstellung eines Prozesszwillings zur digitalen Simulation der CUBES Circle-Prozesse, um Versuchsdurchführungen teilweise zu ersetzen und den kritischen Austausch mit der Öffentlichkeit sowie die Weiterbildung und die Einarbeitung zukünftiger Operateure zu ermöglichen
- die Entwicklung eines transdisziplinären Konzeptes für Community-Engagement an potentiellen CUBES-Standorten
Mehr Informationen zum Projekt und zum Konsortium finden Sie hier.
Ziele und Aufgaben von CUBES Circle in der zweiten Phase
Ziele für die Phase II
Die Mission des Projektes besteht in der Entwicklung und Erprobung eines geschlossenen symbiotischen Kreislaufsystems modularer Einheiten mit dem Ziel einer höchst ressourceneffizienten Produktion von Lebensmitteln. Die hierzu in Berlin-Dahlem in Phase I neu erstellte experimentelle Plattform erlaubt es, die offenen technischen und sozialen Fragen zur Umsetzung zu erforschen und mit gesellschaftlichen Akteuren dazu in den Austausch zu treten. Davon ausgehend stehen in der Projektphase II die folgenden Forschungsaufgaben im Zentrum, die sich inhaltlich in die drei Arbeitsfelder Betrieb und Konfiguration (A), Digitaler Zwilling (B), Umsetzungsszenarien für Transformationspfade (C) gliedern:
- Optimierung der Regel- und Steueralgorithmen zur ressourcenoptimierten Vernetzung der ProductionCUBES (A-1) extrinsisch
- Optimierung intrinsischer Stoffkreisläufe bei gleichzeitiger Integration nachhaltiger Stoffe von außen (A-2)
- Testung neuer Kulturen/Organismen auf ihre Eignung im Circle. Austausch von Stoffen mit anderen Agrarsystemen (A-3)
- Systemmodellierung und Entwicklung eines Prozesszwillings zum besseren Verständnis von Regelabläufen (B-1)
- Entwicklung eines visuellen Zwillings, um das System CUBES Circle Operateuren und der Öffentlichkeit niedrigschwellig zugänglich zu machen (B-2)
- Sicherstellung der Verwertung der im Konsortium erzielten Ergebnisse, auch über die Projektlaufzeit hinaus. Sowie Entwicklung von integrativen Strategien zum Aufbau von Vertrauen, Legitimität, Zustimmung und psychologischer Identifikation mit dem neuen Produktionssystem CUBES Circle (C-1)
- Durchführung einer umfassende Nachhaltigkeits-, Resilienz- und Standortbewertung für CUBES Circle (C-2).
Aufgaben für die Phase II
Im Arbeitsfeld A geht es in drei Teilprojekten um eine Validierung der intrinsischen Stoff- und Energieströme über einen längeren Zeitraum und die konsequente Verknüpfung mit extrinsischen Strömen (A-1). In differenten Kombinationen verschiedener Pflanzen, Fisch- und Insektenarten werden die bisher im Simulationsmodus getesteten Routinen mit verbesserten Algorithmen auf der Basis von Regelungstheorie und KI versehen, in das entwickelte Prozesssteuerungssystem Cubes Circle Control (C3) integriert und mit den Messdaten aus dem Testbed trainiert (A-2). In der zweiten Projektphase sollen die intrinsischen Wertschöpfungsketten weiter optimiert werden und die extrinsischen Stoff- und Energieeinträge im System stärker betrachtet werden. Es geht um die Frage, welche peripheren Stoff- und Energieressourcen nachhaltig ins Gesamtsystem einzuführen sind. Gleichzeitig wird das Fundament der Produktion durch die Testung weiterer Kulturen/Arten auf ihre Eignung hin gestärkt. Dieses erfolgt unter Berücksichtigung von Prozess- und Produktqualität und durch neu identifizierte Schnittstellen zu anderen Agrarsystemen der Zukunft (A-3).
Im Arbeitsfeld B wird für das CUBES Circle-Testbed ein digitaler Zwilling, bestehend aus den zwei Komponenten Prozess- und Visueller Zwilling, erstellt (B-1). Der Prozesszwilling soll die Prozesse im Produktionsbetrieb planbar, automatisierbar, prognostizierbar und für Menschen steuerbar machen (B-2). Der Visuelle Zwilling integriert den Prozesszwilling und macht diesen durch den Einsatz immersiver Technologien niedrigschwellig für Operateur:innen und die Öffentlichkeit sichtbar. Er wird u. a. in den Transformationspfaden der Agrarsysteme der Zukunft (Integrative Indoor-Produktionssysteme sowie lokale und regionale Stoffkreislaufsysteme) zum Einsatz kommen sowie für Akzeptanzstudien zugänglich sein.
Das Arbeitsfeld C befasst sich mit den Umsetzungsszenarien und Transformationspfaden. Die interkonsortiale Zusammenarbeit wird ebenfalls in diesem Teilprojekt koordiniert und sichergestellt, die AdZ-AG Akzeptanz wird federführend geleitet. Die Neuartigkeit und der hoch-technologische Charakter der Produktionsprozesse sowie Informationsasymmetrien bei Produktmerkmalen bergen erhebliche regulatorische, finanzielle und kommunikative Risiken. In einem Social License to Operate (SLO)-Ansatz erfolgt eine umfassende Analyse von Akteuren, Wahrnehmungen und Beziehungen zwischen Communities und Produzenten mit dem Ziel der Entwicklung integrativer Strategien zum Aufbau von Vertrauen, Legitimität, Zustimmung und psychologischer Identifikation. Dies erfolgt anhand von drei weiteren vergleichenden Fallstudien in den USA, Mexiko und einem zweiten Standort in Deutschland (C-1).
Weiteres Ziel und Querschnittsthema ist die übergreifende Nachhaltigkeits-, Resilienz- sowie Standortbewertung von CUBES Circle. Dazu werden Umweltwirkungen, die ökonomische Rentabilität ermittelt, sowie Normalisierungsansätze für die absolute Nachhaltigkeitsbewertung analysiert. Die Resilienz des Systems gegenüber Krisenfällen, insbesondere infolge des Klimawandels wird bestimmt. Des Weiteren soll anhand eines konkreten Standortes eine Planungsstudie für eine CUBES Circle-Anlage erstellt werden, die als Blaupause für eine Koppelung mit einem Standort von hoher wirtschaftlicher und ökologischer Relevanz dienen soll (C-2).
