Agro-urban sustainability through rooftop greenhouses, improving cities’ sustainability. Economic viability and sustainable business models

Abstract

Actualment, més de la meitat de la població mundial viu en àrees urbanes i aquesta tendència arribarà al 68 % l'any 2050. El desplegament de sistemes d'agricultura urbana (UA en anglès), i especialment les formes innovadores d'hivernacles en coberta amb integració de fluxos amb l'edifici (i-RTG en anglès), ofereix oportunitats per al desenvolupament sostenible a les ciutats en tres dimensions: ambiental, social i econòmica. No obstant això, la majoria dels estudis no han prestat prou atenció als aspectes econòmics en fer servir el cost del cicle de vida (LCCA o LCC en anglès). A més, la investigació sobre models de negoci sostenibles (SBMs en anglès) per al sector agroalimentari encara és limitada i, en particular, per als sistemes d'UA és molt escassa. L'objectiu d'aquesta tesi doctoral és analitzar la viabilitat econòmica dels i-RTG com a formes innovadores per contribuir al desenvolupament sostenible de les ciutats, amb tres objectius específics: (i) analitzar l'evolució de l'ús de LCC a UA durant 22 anys; (ii) avaluar la viabilitat econòmica de la producció de tomàquet en un i-RTG i (iii) presentar una caracterització i categorització integral de SBMs per a UA proporcionant recomanacions per a la seva selecció i posterior aplicació. S'apliquen les metodologies següents: i) revisió de literatura, ii) LCC, iii) estudi de cas, iv) punt mort (BEP en anglès), v) anàlisi bibliomètrica mitjançant l'ús de programari i vi) anàlisi d'impactes sobre els objectius de desenvolupament sostenible (SDGs en anglès). Les troballes de l'anàlisi de l'evolució de l'ús de LCC a UA són: i) l'horticultura urbana és la pràctica d'UA més estudiada entre les investigacions que van emprar LCC; ii) les quatre etapes principals de LCC no s'apliquen adequadament; iii) els costos essencials com la mà d'obra i la infraestructura s'exclouen dels càlculs i iv) l'ús d'eines financeres addicionals és molt escàs. La viabilitat econòmica del cultiu de tomàquet a i-RTG depèn de quatre costos (que contribueixen en un 61,8% del cost total): i) mà d'obra (24,7%), (ii) infraestructura de l'hivernacle a la coberta (en anglès RTG) (15%), iii) especialista extern en control de plagues (en anglès EPCS) (12,6%) i (iv) aigua de pluja (9,5%). La reducció d'aquests costos és un requisit bàsic per assolir la viabilitat econòmica. S'hi inclouen algunes propostes per a la seva reducció. Els resultats del càlcul del punt mort (BEP) van indicar que la combinació d'alts costos fixos juntament amb rendiments productius baixos podria ser un obstacle important per a la viabilitat econòmica i la rendibilitat. Per a la caracterització i categorització integral de SBMs per a UA, es va elaborar un llistat d'11 arquetips, incloent la seva relació amb els SDGs, que en el futur serà útil per a l'anàlisi i el desenvolupament de SBM per a UA (UA-SBM abreviatura en anglès). Dels 11 arquetips identificats, 4 resulten particularment rellevants per al desplegament de sistemes d'UA sostenibles a causa de la seva major presència i potencial sostenible. Les aportacions principals per a la investigació i pràctica d'UA, LCC i SBM són: i) recomanacions per millorar l'aplicació de LCC; ii) aplicació del LCC a la producció de tomàquet en i-RTG incloent costos essencials com la mà d'obra i la infraestructura, classificant costos fixos i variables; (iii) càlcul del nivell mínim de producció (BEP) i nivell màxim de costos fixos a diferents preus de venda; i iv) la caracterització i categorització integral dels UA-SBM, inclosa la seva relació amb els SDGS, per facilitar el desplegament de sistemes de producció d'aliments urbans més socialment responsables, econòmicament viables i ambientalment adequats a les àrees urbanes.

Actualmente, más de la mitad de la población mundial vive en áreas urbanas y esta tendencia alcanzará el 68 % en el año 2050. El despliegue de sistemas de agricultura urbana (UA en inglés), y especialmente sus formas innovadoras de invernaderos en cubierta con integración de flujos con el edificio (i-RTG en inglés), brinda oportunidades para el desarrollo sostenible en las ciudades en tres dimensiones: ambiental, social y económica. Sin embargo, la mayoría de los estudios no ha prestado suficiente atención a los aspectos económicos al usar el coste del ciclo de vida (LCCA o LCC en inglés). Además, la investigación sobre modelos de negocio sostenibles (SBMs en inglés) para el sector agroalimentario es todavía limitada y, en particular, para los sistemas de UA es muy escasa. El objetivo de esta tesis doctoral es analizar la viabilidad económica de los i-RTG como formas innovadoras para contribuir al desarrollo sostenible de las ciudades, con tres objetivos específicos: (i) analizar la evolución del uso de LCC en UA durante 22 años; (ii) evaluar la viabilidad económica de la producción de tomate en un i-RTG y (iii) presentar una caracterización y categorización integral de SBMs para UA proporcionando recomendaciones para su selección y posterior aplicación. Se aplican las siguientes metodologías: i) revisión de literatura, ii) LCC, iii) estudio de caso, iv) punto de muerto (BEP en inglés), v) análisis bibliométrico mediante el uso de software y vi) análisis de impactos sobre los objetivos de desarrollo sostenible (SDGs en inglés). Los hallazgos del análisis de la evolución del uso de LCC en UA son: i) la horticultura urbana es la práctica de UA más estudiada entre las investigaciones que usaron LCC; ii) las cuatro etapas principales de LCC no se aplican adecuadamente; iii) los costes esenciales como la mano de obra y la infraestructura se excluyen de los cálculos y iv) el uso de herramientas financieras adicionales es muy escaso. La viabilidad económica del cultivo de tomate en i-RTG depende de cuatro costes (que contribuyen en un 61,8% del coste total): i) mano de obra (24,7%), (ii) infraestructura del invernadero en la cubierta (en inglés RTG) (15%), iii) especialista externo en control de plagas (en inglés EPCS) (12,6%) y (iv) agua de lluvia (9,5%). La reducción de estos costes es un requisito básico para lograr la viabilidad económica. Se incluyen algunas propuestas para su reducción. Los resultados del cálculo del punto muerto (BEP) indicaron que la combinación de altos costes fijos junto con bajos rendimientos productivos podría ser un obstáculo importante para la viabilidad económica y la rentabilidad. Para la caracterización y categorización integral de SBMs para UA, se elaboró un listado de 11 arquetipos, incluyendo su relación con los SDGs, que en el futuro será útil para el análisis y desarrollo de SBM para UA (UA-SBM abreviatura en inglés). De los 11 arquetipos identificados, 4 de ellos resultan particularmente relevantes para el despliegue de sistemas de UA sostenibles debido a su mayor presencia y potencial sostenible. Las principales aportaciones para la investigación y práctica de UA, LCC y SBMs son: i) recomendaciones para mejorar la aplicación de LCC; ii) aplicación del LCC a la producción de tomate en i-RTG incluyendo costes esenciales como la mano de obra y la infraestructura, clasificando costes fijos y variables; (iii) cálculo del nivel mínimo de producción (BEP) y nivel máximo de costes fijos a diferentes precios de venta; y iv) la caracterización y categorización integral de los UA-SBM, incluida su relación con los SDGS, para facilitar el despliegue de sistemas de producción de alimentos urbanos más socialmente responsables, económicamente viables y ambientalmente adecuados en las áreas urbanas.

Currently, more than half of the world population lives in urban areas and this trend will reach 68% in the year 2050. The expansion of urban agriculture (UA) systems, and especially their innovative forms of roof greenhouses with integration of flows with the building (i-RTG in English), provides opportunities for sustainable development in cities in three dimensions: environmental, social, and economic. However, most studies have not paid enough attention to the economic aspects when using life cycle costing (LCCA). In addition, research on sustainable business models (SBMs) for the agri-food sector is still limited and for UA systems it is very scarce. The objective of this doctoral thesis is to analyse the economic viability of i-RTGs as innovative ways to contribute to the sustainable development of cities, with the following three specific objectives: (i) analyse the evolution of the use of LCC in UA during 22 years; (ii) evaluate the economic viability of tomato production in an i-RTG and (iii) present a comprehensive characterization and categorization of SBMs for UA, providing recommendations for their selection and subsequent application. The following methodologies are applied: i) literature review, ii) LCC, iii) case study, iv) break-even point (BEP), v) bibliometric analysis using software, and vi) impact analysis on sustainable development goals (SDGs). The findings of the analysis of the evolution of the use of LCC in UA are: i) urban horticulture is the most studied UA practice among the investigations that used LCC; ii) the four main stages of LCC are not properly applied; iii) essential costs such as labour and infrastructure are excluded from the calculations and iv) the use of additional financial tools is very low. The economic viability of tomato cultivation in i-RTG depends on four costs (which contribute 61.8% of the total cost): i) labour (24.7%), (ii) greenhouse infrastructure on the roof ( RTG) (15%), iii) external pest control specialist (EPCS) (12.6%) and (iv) rainwater (9.5%). The reduction of these costs is a basic requirement to achieve economic viability. Some proposals for its reduction are included. The results of the calculation of the breakeven point (BEP) indicated that the combination of high fixed costs together with low production yields could be a significant obstacle to economic viability and profitability. For the comprehensive characterization and categorization of SBMs for UA, a list of 11 archetypes was drawn up, including their relationship with the SDGs, which in the future will be useful for the analysis and development of SBMs for UA (UA-SBM abbreviation in English). Of the 11 identified archetypes, 4 of them are particularly relevant for the deployment of sustainable UA systems due to their greater presence and sustainable potential. The main contributions for the research and practice of UA, LCC and SBMs are: i) recommendations to improve the application of LCC; ii) application of the LCC to tomato production in i-RTG including essential costs such as labour and infrastructure, classifying fixed and variable costs; (iii) calculation of the minimum level of production (BEP) and maximum level of fixed costs at different sales prices; and iv) the comprehensive characterization and categorization of UA-SBMs, including their relationship with the SDGS, to facilitate the expansion of more socially responsible, economically viable and environmentally sound urban food production systems in urban areas.