Die Zukunft unserer Ernährung: Innovative Agrarsysteme für mehr Nahrungsmittelsicherheit

Die globale Nahrungsmittelsicherheit steht vor großen Herausforderungen: Eine wachsende Weltbevölkerung, knapper werdende Ackerflächen und der Klimawandel erfordern nachhaltige Lösungen in der Lebensmittelproduktion. Dabei gewinnen innovative Ansätze für alternative und nachhaltige Proteinquellen immer mehr an Bedeutung. Das Fraunhofer-Leitprojekt „Future Proteins“ liefert hierfür Antworten. In einem interdisziplinären Konsortium aus sechs Instituten (IME, IVV, IGB, IOSB, UMSICHT und IWU) wurde erforscht, wie hochwertige Proteine resilient, nachhaltig und ressourcenoptimiert produziert werden können.

Vier Säulen für die Ernährung von morgen

Das Projekt basiert auf vier innovativen Anbausystemen, die weitgehend unabhängig von klimatischen Bedingungen funktionieren:

Abbildung 1: Vier Säulen der innovativen Anbausysteme_eigene Darstellung

Gemeinsam decken die beteiligten Institute die gesamte Wertschöpfungskette ab. Diese reicht vom Anbau über die Aufarbeitung bis zum fertigen Lebensmittelprodukt wie Fleischalternativen oder proteinreichen Backwaren und deren Bewertung.

Target Costing: Die ökonomische Messlatte

Damit alternative Proteine den Weg aus dem Labor in den Supermarkt finden, müssen sie nicht nur nahrhaft, sondern auch bezahlbar und großflächig produzierbar sein. Hier setzt die Arbeit des Fraunhofer IWU an. Hierbei helfen uns Methoden und Kenntnisse, die wir sonst in ganz anderen Branchen einsetzen. Für uns als Abteilung ist „Future Proteins“ der erste Berührungspunkt mit der Landwirtschaft und Nahrungsmittelindustrie. Jedoch spielen präzise Bewertungsmethoden, Modellierung und Simulation auch dort eine wichtige Rolle. 

Um die Marktfähigkeit zu bewerten, nutzte das IWU die Methode des Target Costing. Dabei wird vom marktgerechten Verkaufspreis rückwärts gerechnet: Bei einem angenommenen Zielpreis von 8,00 € pro Kilogramm Protein und einer moderaten Gewinnmarge ergibt sich eine Zielkostengrenze von etwa 7,20 €/kg.

Für nähere Informationen zu dem Prozess des Taget Costing verweisen wir an dieser Stelle auf den Beitrag unseres ehemaligen Masteranden Marc Tieding: 

• Target Costing für Mikroalgen in Future Proteins und unseren Artikel zur LCE 2023

• Zielkosten als Ansatz zur Kostensenkung in geschlossenen Landwirtschaftssystemen. 

Am Beispiel der Algenkultivierung wird deutlich, wie groß die Herausforderung aktuell ist: Die realen Herstellungskosten liegen derzeit noch deutlich über diesem Ziel, wobei die Beleuchtung rund 75 % der gesamten Kultivierungskosten verursacht.

Das IWU identifiziert dabei klare Hebel zur Kostensenkung:

• Energieeffizienz: Einsatz moderner LED-Technik zur Reduktion des Strombedarfs.
• Skalierung & Automatisierung: Senkung der Personalkosten durch automatisierte Prozesse.
• Standortwahl: Nutzung von Regionen mit hoher Photovoltaik-Ausbeute für eine günstige Eigenerzeugung von elektrischer Energie.

Zusammenfassend ist festzuhalten, dass noch nicht alle Proteine aus dem Projekt FutureProteins unter derzeitigen Bedingungen wettbewerbsfähig sind. Mehlwurmprotein erreicht unter günstigen Bedingungen bereits heute ein konkurrenzfähiges Preisniveau, bleibt allerdings hinter den, am Markt etablierten pflanzlichen Alternativen wie Soja und Erbse zurück. Die untersuchten Optimierungsmöglichkeiten aller Systeme eröffnen jedoch deutliche Potenziale zur Kostensenkung. Neben technischen Effizienzsteigerungen ist insbesondere die bewusste Nutzung erneuerbarer Energie eine zentrale Stellgröße. Die wirtschaftliche Konkurrenzfähigkeit neuer Proteine hängt insgesamt von technologischen Fortschritten, einer angepassten Betriebsstrategie sowie der Fähigkeit ab, Synergien mit bestehenden Produktions- und Energiesystemen zu realisieren. Das zeigen wir beispielsweise im Beitrag von Jennifer Greim zur Kopplung von Weinbau und Algenkultivierung. Einen noch tieferen Einblick bietet Ihr Konferenzbeitrag zur LCE 2025. 

Die Protein-Fabrik: Stoff- und Energieströme im Kreislauf

Ein Kernaspekt unserer Forschung am IWU war die Entwicklung eines integrierten Fabrikkonzepts. Das Ziel ist ein geschlossenes Agrarsystem, das Synergien zwischen den verschiedenen Anbaupfaden nutzt (Energie- und Stoffkopplung).

• Stoffkopplung: Reststoffe eines Systems dienen als Input für ein anderes. So lässt sich beispielsweise Kartoffeltrester (der Pressrückstand bei dem Entsaften von Kartoffeln) aus der Stärkegewinnung als Futtermittel für Insekten oder als Substrat für die Pilzzucht nutzen.
• Energiekopplung: Simulationen untersuchten, wie Abwärme und gasförmige Reststoffe effizient rezykliert werden können. Beispielsweise lässt sich biogenes CO₂ aus Gärprozessen in der Algenkultivierung nutzen.

Bei der Kultivierung in den vier innovativen Future Proteins Systemen spielt nicht nur elektrische, sondern auch thermische Energie eine Rolle. Hierbei ist jedoch eindeutig, dass wenn z.B. in Berlin ganzjährig aus dem Vertical Farming geerntet werden soll, die Proteinfabrik im Winter geheizt und im Sommer gekühlt werden muss. Auch für die Weiterverarbeitung wie z.B. für Trocknungsprozesse wird Wärme benötigt. Abwärme aus verschiedenen Prozessen bleibt oft ungenutzt, doch ihre intelligente Nutzung steigert die Effizienz des gesamten Systems insgesamt erheblich deutlich. In der Proteinfabrik entstehen Wärmeströme auf unterschiedlichen Temperaturniveaus:

• Niedertemperatur (30 °C): Wärme fällt massiv bei der LED-Beleuchtung im Vertical Farming und durch den Stoffwechsel der Insekten an.
• Hochtemperatur (90 °C): Wird für Trocknungsprozesse benötigt.

Das IWU-Konzept nutzt Wärmepumpen, um die 30 °C warme Abluft auf bis zu 90 °C „anzuheben“. So können rund 38 % des gesamten Wärmebedarfs der Fabrik durch interne Rückkopplung gedeckt werden. Auch die Abwärme aus Trocknungsprozessen wird direkt z.B. für das Blanchieren von Insekten wiederverwendet. Die Nutzung von Abwärme ist dabei auch in vielen anderen Branchen ein wichtiger Hebel zur Senkung der Energiekosten. 

Simulationen von weltweiten Standorten

Die Anbausysteme aus Future Proteins sollen nicht nur in Deutschland, sondern weltweit nutzbar sein. Um unterschiedliche klimatische Randbedingungen auf unser Konzept zu testen, modellierte das IWU ein Fabrikgebäude für die gekoppelte Proteinherstellung. Mithilfe von Simulationen (Matlab/Simulink und Polysun) testeten die Akteure das Konzept an vier Standorten: Reykjavík (Island), Berlin (Deutschland), Chennai (Indien) und Ouagadougou (Burkina Faso). 

• Standortwahl: Aus geografischer Sicht ist es verständlich, dass in Berlin der Heizbedarf und  in Chennai die Kühlung dominiert. Mithilfe der Simulation der Anbausysteme und Klimadaten können wir jedoch den zukünftigen Bedarf gut prognostizieren und die nötigen Energiesysteme gezielt auslegen. 
• Photovoltaik & Autarkie: Durch die Integration von PV-Anlagen auf dem Fabrikdach lässt sich der Energieverbrauch um 12 % bis 51 % senken. In sonnenreichen Regionen wie Ouagadougou kann die Sonne bis zu 38 % des jährlichen Gesamtstrombedarfs direkt decken. Der Einsatz von elektrischen Speichern hilft zudem, Lastspitzen zu glätten und die Eigenverbrauchsquote signifikant zu erhöhen.

Fazit: Die Fabrik der Zukunft serviert Nachhaltigkeit

Das Projekt Future Proteins zeigt, dass die intelligente Vernetzung von Technologien der Schlüssel für eine nachhaltige Lebensmittelerzeugung ist. Das wahre Potenzial liegt dabei in der Abkehr vom Silo-Denken. Erst durch die bewusste Kopplung von Stoffkreisläufen und Energieströmen verwandeln wir isolierte Anbausysteme in eine effiziente und resiliente Protein-Fabrik. Auch wenn neue Proteinquellen wie Algen oder Mehlwürmer heute noch vor wirtschaftlichen Herausforderungen stehen, weisen die identifizierten Hebel den klaren Weg Richtung Marktreife.

Für uns vom Fraunhofer IWU ist dieses Projekt besonders spannend, da es beweist, dass unsere „klassischen“ Ingenieursmethoden weit über die Grenzen der Automobil- und Maschinenbaubranche hinaus wirken. Ob Target Costing, komplexe thermische Simulationen oder energetische Fabrikplanung, unsere Werkzeuge sind universell einsetzbar. Sie helfen uns die Nahrungsmittelversorgung von Morgen zu gestalten und auch viele andere Branchen fit für eine ressourceneffiziente Kreislaufwirtschaft zu machen.

Quelle Titelbild: Unsplash, heruntergeladen am 17.04.26 (https://unsplash.com/de/fotos/gelber-und-schwarzer-traktor-tagsuber-auf-grunem-rasen-YbBWmI4hZys)