Agricoltura 4.0: cos'è, evoluzione, vantaggi e tecnologie

Agricoltura 4.0: Rivoluzione Digitale e Sfide Globali

Il settore agroalimentare si trova da anni ad affrontare diverse sfide: il cambiamento climatico, la crescita della popolazione globale, la necessità di valorizzare le filiere e i produttori (soprattutto nella fase a monte della filiera), rendono ormai un imperativo la trasformazione sostenibile dell’intero settore.

Negli ultimi anni, inoltre, l’agricoltura ha dovuto fare i conti con una serie di problematiche legate agli aspetti economici, in particolare l’aumento dei costi delle materie prime agricole e il rialzo dei prezzi dell’energia. In questo contesto, l’Innovazione Digitale, e in particolare l’Agricoltura 4.0, possono aiutare il settore agrifood a gestire queste difficoltà e renderlo più resiliente, competitivo, sostenibile e trasparente.

All’interno di questa guida, grazie alla Ricerca dell’Osservatorio Smart Agrifood, scopriremo con quali tecnologie e soluzioni l’Agricoltura 4.0 può far fronte a queste difficoltà, quali sono i vantaggi di questo paradigma e i trend di mercato. Al fine di assimilare meglio questi concetti, però, occorre partire dal principio, ossia dal significato di Agricoltura 4.0 e dalle sue principali caratteristiche.

Cos’è l’Agricoltura 4.0

Per conoscere e comprendere al meglio il concetto di Agricoltura 4.0, bisogna fare un passo indietro. Per farlo, esploreremo, in primis, le tappe evolutive dell'agricoltura, spiegando come si sia evoluta fino ad ora. Di seguito, le fasi di evoluzioni più importanti:

Fino alla prima metà del Novecento l’agricoltura era basata sul lavoro manuale, tanto che un terzo della popolazione era attivo in questo settore. Questo tipo di agricoltura, caratterizzata da una bassa produttività, prende il nome di Agricoltura 1.0.^[1]
Nel 1950, con la cosiddetta Rivoluzione Verde, si introdussero nuove pratiche agronomiche, nuovi prodotti chimici e macchinari più efficienti che permisero di avere fattori produttivi a basso costo. Era l’inizio dell’Agricoltura 2.0. ^[2]
Nel 1990 l'introduzione del GPS su larga scala e di pubblico dominio, consentì di ottenere dati più precisi e aumentando l’accuratezza delle attività e permettendo applicazioni a rateo variabili. Nacque così l’Agricoltura di Precisione, o Agricoltura 3.0^[3] che consiste, tuttora, nella strategia implementata dalle aziende agricole volta all’utilizzo di tecnologie informatiche e digitali per eseguire interventi agronomici mirati, tenendo conto delle effettive esigenze colturali e delle caratteristiche biochimiche e fisiche del suolo. Gli obiettivi primari dell'Agricoltura di Precisione sono:
- massimizzare la resa produttiva
- migliorare la qualità delle produzioni
- contenere i costi e gli impatti ambientali.

Ricadono all'interno dell'agricoltura di precisione tutte le tecniche di irrigazione, planting, spraying, fertilizer, etc. a patto che siano per l'appunto "di precisione" secondo la definizione di cui sopra. L'estensione di tale strategia al settore zootecnico si definisce Precision Farming.

[1] [2] [3] - Guild et al., 2014; CEMA, 2017; Luu et al., 2017; Zambon et al., 2019

A partire dal 2010, grazie all’introduzione delle tecnologie digitali che hanno avviato all'innovazione agroalimentare, viene introdotta, poi, l’Agricoltura 4.0. Cosa si intende, quindi, con questo paradigma?

Secondo la definizione elaborata dall’Osservatorio Smart Agrifood, con il termine “Agricoltura 4.0” si intende l’evoluzione dell’agricoltura di precisione, realizzata attraverso la raccolta automatica, l’integrazione e l’analisi di dati provenienti dal campo, da sensori e da qualsiasi altra fonte terza. Tutto questo è abilitato dall’utilizzo di tecnologie digitali 4.0, che rendono possibile la creazione di conoscenza e il supporto all’agricoltore nel processo decisionale relativo alla propria attività e al rapporto con altri soggetti della filiera, rompendo (almeno potenzialmente) i confini della singola impresa. Lo scopo ultimo è quello di aumentare la profittabilità e la sostenibilità economica, ambientale e sociale dell’agricoltura.

Questa nuova tipologia di agricoltura, ad esempio, può offrire supporto nella decisione di applicare fitofarmaci in una certa zona della superficie coltivata incrociando i dati che vengono generati dalle rilevazioni satellitari e dalle ricognizioni svolte attraverso droni, eventualmente impiegando questi ultimi anche per l'irrorazione di precisione, nelle sole zone interessate dalla patologia. L’Agricoltura 4.0, caratterizzata dall’utilizzo di tecnologie digitali, comprende la stessa Agricoltura di precisione insieme, però, a un altro componente: lo Smart Farming.

Alcune definizioni

RATEO VARIABILE o VRT

VRT è l'acronimo di Variable Rate Technology (letteralmente, Tecnologia a Rateo Variabile). In agricoltura di precisione, identifica le tecnologie che consentono la distribuzione (Application, da VRA, Variable Rate Application) automatica di mezzi tecnici in un terreno nel rispetto di specifiche prescrizioni. La modalità con cui tali prodotti, fertilizzanti, sementi o agrofarmaci, vengono distribuiti, è basata su dati raccolti da mappe, sensori e GPS. Fra gli obiettivi dell'ottimizzazione della distribuzione vi possono essere la riduzione degli input e l'aumento o l'omogeneizzazione della produttività di riparti colturali.

SENSORE

Dispositivo di misura di una grandezza fisica. In agricoltura e zootecnia può essere utilizzato per misurare diversi parametri, ad esempio le condizioni climatiche, lo stato di salute delle piante, i parametri vitali degli animali, il funzionamento di un macchinario agricolo. Può essere sia messi in campo, sia su macchinari, fra cui droni e trattori.

Smart Farming, definizione e obiettivi

Per dare una spiegazione di Smart Farming appropriata, l'Osservatorio Smart Agrifood, ne dà una definizione:

Con il termine Smart Farming, si intende la strategia implementabile all’interno della singola azienda agricola e conseguentemente dell’intera filiera, volta all’utilizzo di tecnologie digitali, specialmente Big Data e Big Data Analytics.

Gli obiettivi della Smart Farming individuati dall'Osservatorio, sono:

efficientare i processi aziendali anche aldilà di quelli "di campo";
ottimizzare le attività di relazione (sia fisica che informativa) tra gli attori della filiera agricola a vantaggio di un uso intelligente e condiviso dei dati;
garantire la qualità e la tracciabilità dei prodotti e migliorare l’efficienza dei processi di filiera.

Agricoltura 4.0, le tecnologie abilitanti

L'Agricoltura 4.0 utilizza una vasta gamma di tecnologie digitali e innovative allo scopo di ottimizzare le pratiche agricole. Ecco di seguito alcune delle principali tecnologie dell'agricoltura 4.0:

Agrometeorologia

L’agrometeorologia è l’insieme delle applicazioni e degli studi che hanno lo scopo di partecipare al sistema integrato di innovazione in agricoltura, applicando il digitale alla componente meteorologica e climatologica dei processi.

Attraverso la raccolta dei dati attendibili, quindi, l’agrometeorologia aiuta gli agricoltori a prendere decisioni più consapevoli per efficientare la propria produzione agricola, tenendo conto delle condizioni meteorologiche più o meno favorevoli.

Big Data

Come l'Agricoltura 4.0 viene sostenuta tramite l'impiego dei Big Data? Nel settore agricolo, i Big Data e le loro analisi, sono utilizzate per supportare gli agricoltori nel prendere decisioni e influenzare le operazioni del settore.

I Big Data sono set di dati ampi, diversi e complessi, generati da una varietà di strumenti, sensori e/o transazioni computer-based e hanno caratteristiche ben definite, caratteristiche che, infine, compongono il modello delle "5V" con cui fino ad oggi sono stati definiti i Big Data.

Intelligenza Artificiale

L’Intelligenza Artificiale, o Artificial Intelligence (AI) è un ramo della computer science che studia la programmazione e progettazione di sistemi mirati a dotare le macchine di una (o anche più) caratteristiche considerate tipicamente umane. Come può questa nuova tecnologia, aiutare nell'ambito dell'Agricoltura 4.0? Semplice.

Anche nel settore agroalimentare emergono applicazioni di AI per prevedere le rese del raccolto, prendere decisioni sulle colture da impiegare, valutare diverse ipotesi di rischio. Inoltre, l’Artificial Intelligence può essere impiegata anche per abilitare la manutenzione predittiva dei mezzi e delle attrezzature.

Cloud

Il Cloud Computing è un insieme di servizi ICT accessibili in modalità on-demand e self-service tramite tecnologie Internet basate su risorse condivise. In Agricoltura 4.0 molti servizi sono già erogati in modalità Cloud: si pensi ad esempio all'archiviazione dei dati meteorologici raccolti in campo, oppure all'elaborazione degli stessi per fornire indicazioni agronomiche, o ancora alla consultazione di immagini satellitari.

IoT (Internet of Things)

Attraverso l’IoT (acronimo di Internet of Things), ogni oggetto acquista una sua identità nel mondo digitale. Gli oggetti “intelligenti” sono interconnessi e si possono scambiare informazioni raccolte e/o elaborate. Le tecnologie abilitanti in agricoltura includono l'identificazione a radiofrequenza (RFID), la rete di sensori wireless (WSN), la comunicazione machine-to-machine, l'interazione uomo-macchina, middleware, servizi web e sistemi informativi.

L'IoT nell’Agricoltura 4.0 è applicabile sia in forma di sensori wireless in campo, per il monitoraggio delle condizioni ambientali e dello stato di salute della coltivazione, sia sulle macchine e sui mezzi agricoli, per raccogliere dati su una determinata attività o per controllare in real time l'operato di un attrezzo.

Agricoltura 4.0, soluzioni di innovazione agroalimentare

Ancor più numerose e variegate sono le soluzioni applicate al settore agri food, abilitate da un insieme di tecnologie basate sia su hardware (parti materiali di un computer, ndr) che tramite software (programmi e applicazioni, ndr), che caratterizzando il settore dell’Agricoltura 4.0. Ecco, di seguito, l'elenco di queste tecnologie abilitanti per l'Innovazione Agroalimentare:

La robotica applicata per le attività in campo

Come in altri settori, anche a quello agroalimentare viene applicata la tecnologia di robotica. Come molti sapranno, i robot sono macchine in grado di svolgere più o meno indipendentemente un lavoro associato a un’attività in un campo da coltivare.

Un esempio di applicazione nel campo agroalimentare, è costituito dall'utilizzo di robot autonomi per la raccolta delle fragole, oppure da robot autonomi usati per l’irrorazione di pesticidi.

Monitoraggio da remoto di coltivazioni e terreni

Queste sono soluzioni composte da elementi hardware connessi (come sensori, centraline meteo, sonde, fotocamere) e in grado di rilevare i dati provenienti dai campi come, ad esempio, parametri ambientali e climatici (temperatura dell’aria, temperatura del suolo, luminosità, umidità del suolo) e trasferirli a un centro di raccolta ed elaborazione dati al fine di monitorare lo stato della coltura e/o del terreno coltivato.

Monitoraggio da remoto di infrastrutture aziendali

Questi sistemi utilizzati nell'Agricoltura 4.0, sono soluzioni composte da elementi hardware connessi come sensori, centraline meteo, sonde e fotocamere in grado di rilevare dati nella maggior parte dei contesti come, ad esempio, magazzini e fienili. Questa tipologia di sistemi di monitoraggio da remoto sono molto utili, soprattutto per salvaguardare la sicurezza delle aziende di questo settore.

Sistemi di mappatura di coltivazioni e terreni

I sistemi di mappatura impiegati per l'Agricoltura 4.0, consentono di rilevare dati (come, ad esempio, delle immagini) tramite satelliti, droni o altri strumenti, al fine di elaborare e restituire mappe riportanti lo stato di terreni e/o coltivazioni e, eventualmente, le conseguenti mappe di prescrizione per trattamenti in campo.

Macchinari connessi e Agricoltura 4.0

I macchinari e le attrezzature sono nativamente smart in quanto arricchite di elementi hardware e/o software in grado, ad esempio, di raccogliere dati, controllare in real-time l’operato del mezzo ed eseguire attività in modo variabile a seconda di dati ricevuti in input.

Servizi di trattamento in campo con droni

Questa è una delle tecnologie più rivoluzionarie per l'Agricoltura 4.0 è l'utilizzo dei droni. Questi veicoli volanti, infatti, vengono adottati al fine di effettuare trattamenti di precisione in campo (lotta biologica a insetti/parassiti).

Monitoraggio e controllo di mezzi e attrezzature

Il monitoraggio di mezzi e attrezzature avviene tramite sistemi basati su componenti hardware connessi (sensori, attuatori, GPS, videocamere, …) applicati al mezzo e/o all’attrezzo agricolo in grado di rilevare dati sul funzionamento, sull’attività svolta al fine di monitorare e/o controllare il macchinario e/o l’operazione svolta.

Software gestionali aziendali per l'Agricoltura 4.0

I software gestionali aziendali sono sistemi informativi volti a fornire un supporto all’agricoltore per la gestione dell’impresa agricole (ad esempio uno o più moduli tra gestione del parco macchine, pianificazione delle attività, contabilità, ...). Non sono considerate vere e proprie soluzioni di Agricoltura 4.0, quanto piuttosto “abilitanti” la digitalizzazione.

Monitoraggio di serre o di strutture di Indoor Farming

Queste sono soluzioni di Agricoltura 4.0 composte da elementi hardware (sensori, sonde, fotocamere, sistemi di illuminazione, …) connessi e in grado di rilevare dati in serra circa parametri ambientali e climatici (temperatura dell’aria, temperatura del suolo, luminosità, umidità, …) e trasferirli a un centro di raccolta ed elaborazione dati al fine di monitorare lo stato della coltura.

Sistemi di supporto alle decisioni (DSS)

Un Decision Support System (DSS) è un sistema software di supporto alle decisioni, che permette di aumentare l'efficacia dell'analisi in quanto fornisce supporto a tutti coloro che devono prendere decisioni strategiche di fronte a problemi che non possono essere risolti con i modelli tradizionali della ricerca operativa.

La funzione principale di un DSS è quella di estrarre in poco tempo e in modo versatile le informazioni utili ai processi decisionali, provenienti da una rilevante quantità di dati. Il DSS si appoggia su dati in un database o una base di conoscenza, che aiutano l'utilizzatore a decidere meglio in merito, ad esempio, agli interventi con fitofarmaci in campo, agli interventi irrigui, etc.

Agricoltura 4.0 e tecnologia, i dati chiave

Secondo quanto riporta la Ricerca dell’Osservatorio:

le macchine nativamente connesse costituiscono la principale soluzioni sul valore del mercato, seguite immediatamente dopo dai sistemi di monitoraggio e controllo dei mezzi e delle attrezzature. Seguono, in misura inferiore, i software gestionali aziendali e i sistemi di monitoraggio da remoto e di mappatura per coltivazioni, terreni e infrastrutture.

Diverse sono anche le soluzioni offerte dalle startup smart agrifood: attraverso un censimento di 1200 startup, l’Osservatorio ha rilevato che poco meno di un terzo delle startup agrifood totali si rivolge ad aziende agricole e zootecniche offrendo soluzioni per la mappatura e il monitoraggio dei terreni e software gestionali.

Agricoltura 4.0, il mercato in Italia

Secondo Markets and Markets il mercato globale dell’Agricoltura 4.0 nel 2022 il è cresciuto con un tasso superiore al 10%. Si stima che entro il 2027 tale mercato raggiungerà un valore di circa 30 miliardi di euro. Anche in Italia è aumentato notevolmente il grado di adozione dell’Agricoltura 4.0: secondo i dati dell'Osservatorio Smart Agri Food, riportati nel Comunicato Stampa dell'ultimo Convegno, nel 2022, il mercato ha raggiunto i 2,1 miliardi di euro, con un tasso di crescita del +31% rispetto all’anno precedente. Tasso nettamente superiore rispetto a quello riscontrato lo scorso anno (+23%).

I macchinari connessi e i sistemi di monitoraggio e controllo di mezzi e attrezzature si confermano essere le soluzioni con maggiore peso, costituendo il 65% del valore del mercato dell’Agricoltura 4.0. Crescono in modo significativo anche i sistemi di monitoraggio da remoto di coltivazioni, terreni e infrastrutture, che registrano una crescita del 15% rispetto all’anno precedente.

Parallelamente è cresciuta anche la superficie coltivata con soluzioni 4.0: se nel 2021 tale superficie corrispondeva al 6% dei territori coltivati complessivamente in Italia, nel 2022 è salita all’8%.

Nonostante la quota sia limitata, si tratta di un trend destinato a crescere, basti pensare che nel 2019 il terreno coltivato con queste tecnologie era inferiore all’1%.

La crescita generale del mercato dell'Agricoltura 4.0 e dello Smart Agri Food è certamente stata favorita dagli incentivi fiscali erogati per supportare ed incentivare gli investimenti in soluzioni digitali innovative. Tra quelli più utilizzati troviamo i PSR (Programmi di Sviluppo Rurale) e il Piano “Transizione 4.0”, entrambi utilizzati dal 65% delle aziende del campione della ricerca, e la Legge Sabatini (54%).

Agricoltura 4.0 e nuovi trend: l’Indoor Vertical Farming

Tra i nuovi trend dell’Agricoltura 4.0 sicuramente possiamo annoverare l’Agricoltura Verticale, conosciuta anche come Indoor Vertical Farming. Questa nuova tipologia di coltivazione consiste nell’insieme di pratiche utilizzate per coltivare verticalmente su più strati sovrapposti o inseriti in altre strutture, con un consumo inferiore di suolo e di acqua e vicino a centri urbani, ma all’interno di ambienti chiusi e controllati.

Si tratta di un fenomeno che sta richiamando molta attenzione a livello internazionale in quanto, sotto alcuni punti di vista, potrebbe costituire una risposta efficace ai problemi legati all’utilizzo eccessivo di input chimici, alla scarsità di risorse idriche e, sfruttando l’altezza, alla riduzione dei terreni coltivabili.

Nonostante ciò, vi sono ancora diversi aspetti del Vertical Farming considerare, come gli elevati costi relativi all’energia, tanto che oggi il dibattito sulla reale sostenibilità di questi metodi di coltivazione è molto acceso.

Agricoltura 4.0, benefici e vantaggi

Secondo le aziende utilizzatrici, tra i vantaggi nell'utilizzo di soluzioni di Agricoltura 4.0 spiccano quelli legati all’efficienza, ossia all’ottimizzazione dei vari fattori produttivi, come input tecnici (63%), acqua (51%) e ore uomo (38%).

Sulla medesima linea, si trovano anche i benefici riscontrati dall’utilizzo delle soluzioni 4.0. Tra i principali vi sono proprio quelli legati alla riduzione dell’impiego di input tecnici, alla riduzione dei costi di produzione e al minor consumo di prodotti energetici. Quest’ultimo, cioè quello del risparmio energetico, è un fattore di grande importanza in relazione al forte aumento dei costi energetici a livello globale verificatosi durante l’anno.

Tuttavia, per soddisfare efficacemente un fabbisogno e raggiungere il massimo beneficio è spesso utile, se non necessario, implementare più soluzioni di Agricoltura 4.0. In media, infatti, vengono adottate 3 soluzioni per azienda, ossia +21% rispetto al 2021, e più della metà delle aziende agricole utilizzatrici implementa più di una soluzione.

Agricoltura 4.0 e PNRR, fondi e finanziamenti per il settore agroalimentare

Il PNRR (Piano Nazionale di Ripresa e Resilienza) per il settore agricolo ha stanziato complessivamente 5,2 miliardi di euro. L’Agricoltura 4.0 costituisce il settore trainante della meccanica agricola nel nostro Paese, ed è per questo motivo che gioca un ruolo fondamentale all’interno dei provvedimenti previsti dal Piano.

Il PNRR, infatti, prevede di accelerare l'innovazione dei mezzi e delle macchine agricole già in uso, come i sistemi di assistenza alla guida o di guida autonoma, i sensori per il monitoraggio della qualità dei raccolti, etc. Gli investimenti nell'ambito sono essenziali, in quanto il parco macchine attivo in Italia è ancora piuttosto datato. Tuttavia, il PNRR potrebbe costituire un’opportunità per tutta la filiera agroalimentare, poiché può contribuire a migliorare l’efficienza nei processi, come nel caso della tracciabilità alimentare dei prodotti.