Gemeinschaftliche Prototypentwicklungen für den Stadtraum

Mobiles Wasserrecycling und Vertical Farming

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Bewässerungssysteme Wasser in der Stadt
Abb. 1: Prototypbau im Rahmen der studentischen Projektwerkstatt Roof Water-Farm tu project. Foto: Andreas Horn

Besonders Zeiten der Krise konfrontieren uns Menschen mit essentiellen Fragen: Wie kann es "danach" weitergehen? Gibt es überhaupt "ein danach" oder sollten wir besser alles neu denken, umgestalten und uns dabei auch rückbesinnen? Ursächlich mit der jüngsten COVID-19 Viruspandemie verquickt ist die Frage, wie wir in Zukunft achtsamer und transparenter mit unseren planetaren Ressourcen und Ökosystemen umgehen und diese aktiv regenerieren können. Besonders die Versorgung der wachsenden Weltbevölkerung mit gesunden und nahrhaften Lebensmitteln, worunter auch Wasser als Lebensmittel Nummer eins fällt, stellt die Menschheit vor eine große Herausforderung.

Das Umland einer Großstadt hat schon lange nicht mehr die primäre Funktion, die Bevölkerung des Kerngebiets zu ernähren. Aufgrund unüberschaubarer globaler Prozessketten der Lebensmittelproduktion entfremden sich die Verbraucherinnen zunehmend vom Ursprung der Nahrungsmittel. Neben Gesundheitsrisiken birgt diese Intransparenz die Gefahr, die Umwelt- und Arbeitsbedingungen an anderen Orten der Welt weiter zu ignorieren.

Neue urbane Konzepte und Technologien der Nahrungsmittelproduktion mit oftmals traditionellen Wurzeln ermöglichen es, nah am Konsumenten zu produzieren und dadurch einen gewissen Grad an Selbstversorgung zu generieren. Urbane Landwirtschaft beschreibt das Konzept, alltäglich nachgefragte Nahrungsmittel in städtischen Ballungsgebieten zu produzieren. Möglichst kurze Transportwege, Nutzung vorhandener Ressourcenströme, frische und gesunde Produkte sowie Aktivierung bisher ungenutzter Flächen und ihr Schutz vor weiterer Versiegelung sind nachhaltige Ziele dieser Produktionsform.

Wie kann also Nahrungsmittelversorgung künftig verbrauchernäher, transparenter und unabhängiger von globalen Lieferketten organisiert werden? Ist es denk- und machbar, dass dabei globales Stadtwachstum und einhergehend wachsender Bedarf nach urbanen Ökosystemleistungen zur Klimaregulierung, Regeneration von Nahrung, Biomasse, Wasser und auch psychologischen Wohlfühlfunktionen zusammengehen?

Vor diesem Hintergrund beleuchtet der Artikel Praktiken und Prinzipien sogenannter mobiler blau-grüner Infrastrukturen, die multifunktionale urbane Ökosystemleistungen übernehmen und hier als kombinierte Wasser- und Vegetationssysteme verstanden werden. Dabei steht im Besonderen die Hydroponik als wasserkreislaufbasierte Nahrungsmittelproduktion im Mittelpunkt. Zum anderen werden erste Praxiserfahrungen aus dem studentischen Design-Build-Studio Roof Water-Farm tu projects an der TU Berlin ausgewertet. Entlang der kollaborativen Prototypentwicklung des Shower-Towers, einer hydroponischen Vertikalfarm und des dazugehörigen mobilen Feuchtgebiets als grüne Klimaanlage, wird diskutiert, wie eine derart multifunktionale Umgestaltung im Stadtraum aussehen und zudem als gemeinschaftlicher Reallaborprozess vorangetrieben werden kann.

Die Bedeutung Blau-Grüner Infrastruktur gestern und heute

Hydroponik

Um möglichst platzsparend und auch baulich-integriert produzieren zu können, ist der Ansatz der wasserbasierten Farmwirtschaft als Leichtbauvariante urbaner Landwirtschaft geeignet (Bürgow 2014, Million et al. 2017). Die Hydroponik ist eine innovative Anbaumethode und vielversprechend für den Nahrungsmittelanbau im urbanen Gebiet. Dabei wurzeln die Pflanzen nicht in organischer Erde, sondern in Wasser, welches mit Nährstoffen angereichert wird und im geschlossenen System zirkuliert. Der Anbau von Nahrungsmitteln über Hydroponik-Systeme ist flächensparender als herkömmliche Anbaumethoden und kann somit kleinteilig und dezentral im urbanen Raum stattfinden. Aufgrund der optimalen Pflanzenversorgung können schnellere Erntezyklen erreicht und die Erträge gesteigert werden. Die gezielte Wasser- und Nährstoffzufuhr ermöglicht einen circa fünf bis zehnmal produktiveren Anbau und bedarf zudem nur circa 10 Prozent des verwendeten Bewässerungswassers im Vergleich zu Gemüse aus dem erdgebundenen Landbau (Bürgow 2014). Auch der Einsatz von Pflanzenschutzmitteln ist größtenteils nicht notwendig, da aufgrund der fehlenden Erde keine Boden-Schädlinge Einzug finden. Der hydroponische Betrieb ist insgesamt weniger arbeitsintensiv, wodurch mit geringerem Ressourcenaufwand mehr Menschen auf kurzem Weg mit frischen und gesunden Nahrungsmitteln versorgt werden können.

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Bewässerungssysteme Wasser in der Stadt
Abb. 2: Konzeptdesign: Ökosystemleistungen Mobiler Blau-Grüner Infrastruktur. Grafik: Andreas Horn

Ursprünge der wasserbasierten Farmwirtschaft

Vergleicht man die Prinzipien der Hydroponik mit denen traditioneller Garten- und Landbausysteme so finden sich Beispiele in verschiedensten Kulturen der Welt. In mobiler Ausprägung sind beispielsweise die aus Schilfpflanzen gebauten, schwimmenden Gärten der Azteken im ehemaligen Seengebiet der heutigen Mexiko-Stadt bekannt (Bürgow 2014, Alvarez et al. 2008). Diese kulturhistorischen Water-Farming-Systeme sind zeitgenössisch auch als mobile blau-grüne Infrastrukturen im Low-Tech-Design interpretierbar (Bürgow 2014). Hier sind hydroponische Anbauprinzipien, wie etwa der wasserkreislaufbasierte Nahrungsmittelanbau, erkennbar.

Die beschriebenen Bauweisen und blau-grünen Infrastrukturmerkmale sind besonders mit Blick auf die heutigen Herausforderungen im Kontext einer klimapositiven und zirkulären Stadtentwicklung eine wichtige Inspirationsquelle.

Wasserzentrierte Klima-Ökosystemforschung

Die vorangegangenen Dürresommer in der Region Berlin-Brandenburg und in anderen Bundesländern zeigen, dass das Thema Wassermangel und Wasserstress inzwischen auch in Deutschland immer spürbarer und damit auch präsenter in den Alltagsmedien ist. So ist die großflächige Versiegelung naturnaher Gebiete für den Gewerbe- und Wohnungsbau ein Indiz für den hausgemachten, lokal produzierten Klimawandel.

Zum Glück gibt es in der Klimawandelforschung zunehmend Studien, welche die bis dato CO2-zentrierten Ansätze (vgl. u. a. Nelles & Serrer, 2018) um einen wasserzentrierten und ökosystemischen Blickwinkel bereichern. So ist die Veröffentlichung eines globalen Wissenschaftsteams mit Daten aus verschiedenen regionalen Wassereinzugsgebieten mit dem Titel "Trees, Forests, and Water: Cool Insights for a Hot World" vielleicht eine Inspiration für konkrete räumliche Handlungsansätze. Hauptaussage dieser Studie ist, dass in erster Linie natürliche, "reife" Ökosysteme wie zum Beispiel Regen- und Küstenwälder, Feuchtgebiete und Moore bis hin zu alten Bäumen wirksame Klimamacher sind (vgl. u. a. Ellison et al. 2019, Falkenmark & Rockström 2006). Mit den durch sie angeregten kleinen Wasserkreisläufen aus Verdunstung und Kondensation wirken sie klimapositiv auf Wasserrückhalt und -zirkulierung (Regen) sowie die landschaftliche Temperierung (z. B. Abkühlung über Verdunstung).

Zunehmend zu Buche schlagende Ernteeinbußen in der Land- und Forstwirtschaft und dramatisch austrocknende Naturwälder sind Sinnbild für den nötigen Wandel des Wasserwirtschaftens. Die jüngst in Kraft getretene EU-WaterReuse Strategie (EU 2019) stellt eine große Chance für ein kombiniertes Klima- und Food Planning (vgl. u. a. Zalf 2012-2015) dar. So zeigte beispielsweise das vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) von 2013-2016/17 geförderte Verbundprojekt Roof-Water-Farm, dass ein qualitativ hochwertiges Recycling häuslicher und getrennter Wasserströme für die urbane Nahrungsmittelproduktion inmitten von Berlin möglich und machbar ist (Million, Bürgow, Steglich 2018).

Mit Blick auf die multidimensionale Klima, Wasser- und Nahrungsmittelproduktion macht es mehr als Sinn, Handlungsansätze auch mobil zu denken und in das Design von neuen Prototypen mobiler blau-grüner Infrastruktur einfließen zu lassen.

Shower-Tower und mobiles Feuchtgebiet als Prototypen zeitgenössischer blau-grüner Infrastruktur

Fragen, die unmittelbar mit dem Design von blau-grünen Infrastrukturen zusammenhängen und vor allem auf den Alltag und die Bedarfe von Stadtbewohnern eingehen, sind: Wie kann ein "handgemachter" Klimawandel im Fokus einer urbanen Nahrungsmittelproduktion mit kurzen Produktions- und Vertriebswegen aussehen? Wie kann es gelingen, die Menschen mit einzubinden? Welche zivilgesellschaftlichen aber auch betriebswirtschaftlichen Betreibermodelle sind aussichtsreich?

Ein Ansatz, diese Fragen in städtischen Reallaboren zu erforschen, sind mobile Testsysteme. Diese, sofern erfolgreich, können dann buchstäblich "leichtfüßig" weiter durch die Stadt wandern.

Reallabor Mobile Blau-Grüne Infrastruktur

Im Rahmen des vom BMBF geförderten Forschungsprojektes GartenLeistungen (2019-2022) konnte das Teilprojekt Reallabor Mobile Blau-Grüne Infrastruktur (MBGI) unter Federführung der TU Berlin, Fachgebiet Städtebau und Siedlungswesen, gestartet werden. Konzipiert, baulich entwickelt sowie orts- und nutzerspezifisch getestet werden dabei Prototypen mobiler blau-grüner Infrastruktur. Aufbauend auf den Roof Water-Farm Forschungsergebnissen steht das Thema WaterReUse und Water-Farming im Kontext urbaner Ökosystemleistungen im Fokus. Dabei wird auf die Erkenntnisse zur Nahrungsmittelsicherheit bei Verwendung von Betriebswasser aus Regen- oder Grauwasser aufgebaut und das RWF Konzept mobil und partizipativ weitergedacht.

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Abb. 3: Blick auf die frisch bepflanzte Vertikalfarm. Foto: Felix Noak
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Abb. 4: Frischer Salat mit der Beachvolleyballanlage im Hintergrund. Foto: Felix Noak
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Abb. 5: Infotafel des Reallabors. Foto: Grit Bürgow

Kooperation Design-Build Studio

Innerhalb des Teilprojekts Reallabor Mobile Blau-Grüne Infrastruktur wurde eng mit der studentischen Projektwerkstatt der TU Berlin kooperiert, um den ersten Prototypen der Vertikalfarm zu entwickeln. In den Projektwerkstätten können Studierende selbst initiiert und organisiert an nachhaltigen Forschungsprojekten, meist mit praktischem Ansatz, arbeiten. Die Projektwerkstatt Roof Water-Farm tu project, welche an das gleichnamige Forschungsprojekt anknüpfte, beschäftigte sich seit 2018 mit hydroponischen Systemen im Feld der Urbanen Landwirtschaft. Die Zusammenarbeit mit der angewandten Forschung ermöglichte die Durchführung eines kollaborativen Design-Build Studios im Winter 2019/20 zum Bau eines ersten Vertikalfarm-Prototypen. Die technische Expertise der Projektwerkstatt konnte sich durch die professionellen Rahmenbedingen des Forschungsprojektes voll entfalten.

Teststandort

Als erster Teststandort diente die Beach 61-Volleyballanlage im Park am Gleisdreieck. Diese öffentliche Parkanlage im Herzen von Berlin wird vom Projektpartner Grün Berlin betreut. Dort wurde im Frühsommer der erste Vertikalfarm-Prototyp an der Holzfassade der Duschcontainer installiert und im Sommer 2020 parallel zum laufenden Betrieb in Kooperation mit der Firma Terra Urbana bewirtschaftet. Für die kommende Saison ist geplant, gezielt Kräuter und Salate für den Bedarf der dort ansässigen Gastronomie zu produzieren.

Der Standortvorteil von Europas größter Beachvolleyballanlage war, dass relativ unkompliziert ein Teil des in der Spielsaison von Mai bis Oktober anfallenden Duschwassers erschlossen werden konnte. Nachdem die Corona-Regelungen es im Juli 2020 zuließen und das Duschen auf Berliner Sportanlagen wieder erlaubt war, konnte die eigens installierte Aufbereitungsanlage für das Grauwasser mit einer Kapazität von 1000 Liter pro Tag in Betrieb gehen. Aufbau und Betrieb der Anlage orientieren sich an der langjährig erfolgreich betriebenen Grauwasseraufbereitung am Standort der Roof Water-Farm.

Prototyp Shower-Tower

Der Prototyp Shower-Tower 61 ist eine vertikale Hydroponik-Anlage und besteht im Wesentlichen aus acht senkrecht angeordneten Pflanzsäulen, welche jeweils rückseitig an einer Holzfassade befestigt sind. Die drei freiliegenden Seiten der Säulen beherbergen pro Säule insgesamt 16 Pflanzen, welche durch Blähton und Netztöpfe in den Pflanzbehältern Halt finden. Über die Wurzeln, welche innerhalb der Säule in direktem Kontakt mit der Nährlösung stehen, werden die Pflanzen mit Nährstoffen und Wasser versorgt. Die Nährlösung wird in regelmäßigen Abständen vom Reservoir ausgehend an das obere Ende der Säulen gepumpt. Von dort fällt sie sprühförmig nach unten, benetzt dabei die sukzessive in die Säulen wachsenden Wurzeln und wird anschließend zurück in das Reservoir befördert.

Prototyp Mobiles Feuchtgebiet

Ergänzend zur Nahrungsmittelproduktion wurde am Standort der Beach 61 eine grüne Klimaanlage im Low-Tech-Design installiert. Sie besteht aus 15 Hochbeeten mit einer Gesamtoberfläche von rund 7,5 Quadratmeter. Durch die Bepflanzung mit verdunstungswirksamen Schilfpflanzen soll hier gezeigt werden, wie "Klima gemacht" werden kann. Regionaltypische Arten wie Schilfrohr, Binse oder Schwertlilie können je nach Lufttemperatur zwischen 1000 und 2000 Millimeter im Jahr verdunsten, schließen dadurch den atmosphärischen Wasserkreislauf und wirken zudem temperierend auf das Klima (vgl. u. a. Franck 2016). An besonders heißen Tagen können Schilfpflanzen bis zu 20 Liter pro Tag und pro Quadratmeter verdunsten. Zum Vergleich: Die grüne Verdunstungsleistung von 100 Litern Wasser am Tag über Bäume oder entsprechend 5 Quadratmeter Schilfoberfläche entspricht einer Kühlleistung von 70 Kilowattstunden. Das reicht aus, um zwei durchschnittliche Haushalte zu klimatisieren (vgl. u. a. Ellison et al. 2017).

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Abb. 6: Mobiles Feuchtgebiet als grüne Klimaanlage und Schwammstruktur. Foto: Grit Bürgow
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Abb. 7: Auftakt der Reallaborworkshops mit gemeinschaftlicher Bepflanzung der Vertikalfarm am 7. Juli 2020. Foto: Gisela Prystav

Gemeinschaftliches Lernen im Reallaborprozess

Der partizipative Ansatz spielt bei der Durchführung des Reallabors Mobile Blau-Grüne Infrastruktur offensichtlich eine tragende Rolle. Trotz der Corona-Einschränkungen konnten zwei Anwender-Workshops mit begrenzter Teilnehmendenzahl und ausreichend Abstand durchgeführt werden.

Anfang Juni, Corona-bedingt etwas verspätet, konnte die Vertikalfarm im Rahmen des Pflanz-Workshops gemeinsam mit knapp 20 Teilnehmenden in Betrieb genommen werden. Kleine Salatsetzlinge, darunter vor allem roter und grüner Eichblattsalat, wurden samt ihrem Substratwürfel in die Netztöpfe gesteckt und mit Blähton aufgefüllt. Dabei konnten das Prinzip der Hydroponik und das gesamte Wassermanagement des Reallabors anschaulich vermittelt werden.

Der Ernte-Workshop, welcher Ende August stattfand, bescherte den Teilnehmenden jeweils einen üppigen Salatkopf und verdeutlichte, welche Produktivität die Vertikalfarm hervorbringt. Die übrige Ernte wurde dem gemeinnützigen Real Junk Food Project Berlin zur Verteilung an Bedürftige gespendet.

Gerade das Interesse der Fachöffentlichkeit und der Medien war sehr groß, was die Zusammensetzung der Teilnehmenden sowie die Presseanfragen widerspiegelten. Aber auch im alltäglichen Betrieb kam es häufig zu interessierten Nachfragen der Beachvolleyballer, welche durch die Verwendung ökologischer Duschmittel auch ihren positiven Teil zum Projekt beitragen konnten.

Obwohl die Wachstumsperformance der Salate und Kräuter sehr zufriedenstellend und der Pflegeaufwand wie erwartet gering war, wird die Zeit bis zur nächsten Saison genutzt, um kleine technische Nachbesserungen durchzuführen.

Ausblick: Potenziale für den Stadtraum und wie es weitergehen soll

Der Prototyp besitzt eine Brutto-Anbaufläche von 8 Quadratmetern (B 4 m, H 2 m). Aufgrund seiner vertikalen Ausrichtung nimmt er im Lageplan lediglich eine effektive Grundfläche von 2 Quadratmetern ein. Dies entspricht auch der Netto-Anbaufläche.

In der Vertikalfarm finden 128 Pflanzen Platz, welche durchschnittlich alle vier Wochen geerntet werden können. In einer Saison können dadurch bis zu 550 Salatköpfe produziert werden, welche die Grundversorgung von 33 Personen mit frischem Salat pro Jahr sicherstellt. Dies bezieht sich auf den jahresdurchschnittlichen Pro-Kopf-Verbrauch von 3,3 Kilogramm bezogen auf Eichblatt, Endivie oder Ruccola (BMEL 2017/18).

Der begonnene Prozess der gemeinschaftlichen Prototypentwicklung, insbesondere das studentische Design-Build-Studio sowie die ersten Reallabor-Workshops zeigen, dass eine blau-grüne Stadtentwicklung mobiler Art in relativ kurzer Zeit umsetzbar ist. Das gemeinsame Machen, Experimentieren und Testen führt zu wirksamen Veränderungen im Stadtraum, sensibilisiert für nachhaltige Themen und schafft Inspiration für neue Formen der Bürgerbeteiligung.

Jetzt heißt es, die gewonnenen Daten im laufenden Forschungsprozess auszuwerten und an weitere Reallaborstandorte mit Katalysatorwirkung zu wandern. Der Gemeinschaftsgarten Himmelbeet in Berlin-Wedding, auch Partner im Projekt GartenLeistungen, wartet bereits.

Bewässerungssysteme Wasser in der Stadt
Abb. 8: Potenzialrechnung Erntemengen und Flächenbedarf für die Stadt Berlin. Grafik: Andreas Horn

Referenzen

Alvarez, A./Petch, F./Rojas Loa, V./von Wissel, C./Ring, K. (Hrsg.) (2008): Citambulos - Mexico City. Reise in die mexikanische Megalopole. Jovis Verlag, Berlin.

Bürgow, G. (2014): Urban Aquaculture - Water-sensitive transformation of cityscapes via blue-green infrastructures. Dissertation 25.11.2013, Technische Universität Berlin. Schriftenreihe der Reiner-Lemoine-Stiftung, Shaker Verlag: Herzogenrath.

Bürgow, G./Franck, V./Höfler, J./Million, A./Steglich, A. (2017): Roof Water-Farm - ein Baustein klimasensibler und kreislauforientierter Stadtentwicklung. In: Kost, S./Kölking, Ch. (Hrsg.): Transitorische Stadtlandschaften - Welche Landwirtschaft braucht die Stadt?, Springer Verlag, Reihe Hybride Metropolen, Wiesbaden.

BMEL (2017/ 2018): Pro-Kopf-Verbrauch von Gemüse nach Arten. Bundesministerium für Ernährung und Landwirtschaft. www.bmel-statistik.de/fileadmin/daten/GBT-0070004-2018.pdf (28.09.2019).

Ellison, D. E./Morris, C. E./Locatelli, D. S./Cohen, J./Murdiyarso, D./Gutierrez, V./van Noordwijk, M./Creed, I. F./Pokorny, J./Gaveau, D./Spracklen, D. V./Bargues Tobella, A./Ilstedt, U./Teuling/A. J./Gebrehiwot, S. G./Sands, D./Muys, B., Sullivan, C. A. (2017): Trees, forests and water: Cool insights for a hot world. In: Global Environmental Change. Volume 43, March 2017, S. 51-61. doi.org/10.1016/j.gloenvcha.2017.01.002. www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0959378017300134 (Zugriff 20.10.20)

EU Rat (Hrsg.) (2019): Wiederverwendung von Wasser für die landwirtschaftliche Bewässerung: Rat billigt vorläufige Einigung. Pressemitteilung EU Rat, 18.12.2019: www.consilium.europa.eu/de/press/press-releases/2019/12/18/water-reuse-for-agricultural-irrigation-council-approves-provisional-deal/ (Zugriff 20.10.20)

FAO (2011): The State of the World's Land and Water Resources for Food and Agriculture. Online: www.fao.org/3/i1688e/i1688e.pdf (Zugriff 20.10.2020)

Franck, V. (2016): The Roof Water-Farm Stormwater Management Concept. Masterarbeit, TU Berlin. Berlin. www.roofwaterfarm.com/site/wp-content/uploads/2017/11/Abstract_Vivien-Franck.pdf (20.09.2019).

Million, A./Bürgow, G./Steglich, A. (Hrsg.) (2018): Roof Water-Farm. Urbanes Wasser für urbane Landwirtschaft. Universitätsverlag TU Berlin, Berlin.

Dr.-Ing. Grit Bürgow
Autorin

Landschaftsarchitektin

aquatectura – Studios für regenerative Landschaften
 Andreas Horn
Autor

Masterstudent Urban Design TU Berlin - Tutor Projektwerkstatt Roof Water-Farm (2018–2020)

Technische Universität Berlin

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