F U N D A C I Ó N

F U N D A C I Ó N
Curso de Especialización
USO EFICIENTE DE INPUTS EN
HORTICULTURA PROTEGIDA
7 al 9 de febrero de 2012
ALMERIA
F U N D A C I Ó N
2 012
Curso de Especialización
USO EFICIENTE DE INPUTS EN
HORTOTICULTURA PROTEGIDA
© Coeditores: Fundación Cajamar
I.F.A.P.A.
EUPHOROS
Textos traducidos del inglés por Miguel Giménez Moolhuyzen
© Texto: Los autores.
I.S.B.N.: 978-84-938787-0-2
Diseño y edición digital:
P&V.
www.pacoveiga.com
CONTENIDOS
INTRODUCCIÓN......................................................................................................7
NUEVOS DESARROLLOS EN MATERIALES PLÁSTICOS
DE CUBIERTA PARA INVERNADEROS....................................................................9
Juan C. López - Esteban Baeza - Juan I. Montero
DESARROLLOS DEL PROYECTO PARA INVERNADEROS DE
CRISTAL CON CULTIVO DE ROSAS......................................................................39
Nieves García
ENERGIA Y VENTILACION....................................................................................77
Esteban Baeza - Juan I. Montero
ENRIQUECIMIENTO Y MANEJO DE CO2 EN INVERNADERO................................117
Cecilia Stanghellini
SISTEMAS CERRADOS EN CULTIVO HIDROPÓNICO...........................................145
Alberto Pardossi - Luca Incrocci
ANÁLISIS DE CICLO DE VIDA Y ECONÓMICO DE SISTEMAS.............................179
DE INVERNADERO
Assumpció Antón Vallejo - M. Torrellas Iglesias - M. Ruijs - Juan I. Montero Camacho
INTRODUCCIÓN
El proyecto EUPHOROS, acrónimo de Efficent Use of Inputs In Protected Horticulture (Uso Eficiente de Inputs en Horticultura Protegida) ha recibido financiación de la UE en su 7º Programa Marco y cuenta entre sus
impulsores con Universidades, Centros de Investigación y Empresas de reconocido prestigio que en Europa desarrollan su actividad en el ámbito de la
I+D+i en Horticultura Protegida.
Este proyecto pretende desarrollar un sistema productivo para la agricultura en invernadero que sea sostenible, en el que se elimine la necesidad
de energía fósil y la emisión al medio de agua y fertilizantes, se minimice la
huella del carbono, se reciclen los sustratos utilizados y se reduzca al mínimo
el uso de productos fitosanitarios, manteniendo alta productividad y eficiencia en el uso de recursos.
El contenido del curso incluye los desarrollos más relevantes alcanzados en las áreas de trabajo abordadas en el proyecto: evaluación económica
y ambiental del sistema invernadero; eficiencia en el uso de la energía; ciclos
cerrados en el uso del agua, fertilizantes y sustratos; reducción en el uso de
fitosanitarios e integración y evaluación de las distintas herramientas desarrolladas. Las clases serán impartidas por los investigadores expertos responsables de cada uno de los grupos de trabajo participantes en el proyecto.
Entre los objetivos del proyecto está transferir el conocimiento y los
desarrollos tecnológicos alcanzados durante su ejecución mediante actividades de divulgación y formación, como cursos y jornadas técnicas nacionales e internacionales. Así la Fundación Cajamar y el IFAPA de La Mojonera
organizan un curso sobre transferencia de los resultados del proyecto que se
realizará en Almería en las instalaciones de ambas entidades.
El curso va dirigido a estudiantes de doctorado y master de especialización en agricultura protegida, personal de centros de investigación, así
como profesionales y técnicos del sector agroalimentario.
NUEVOS DESARROLLOS EN MATERIALES PLÁSTICOS DE
CUBIERTA PARA INVERNADEROS
J.C. López¹ - E. Baeza² - J.I. Montero³
¹ Estación Experimental Las Palmerillas Fundación Cajamar
² Universidad de Almería
³ IRTA Centre de Cabrils
La elección de un material de cubierta se hace en función de
sus propiedades mecánicas y ópticas y del clima y la localización en
donde se sitúa el invernadero (Waaijenberg and Sonneveld, 2004). En
lo referente a sus propiedades ópticas las buenas prácticas agrícolas
obligan a que un plástico de invernadero debería tener transmisividad
solar máxima, de tal manera que el polvo no debe adherirse y debe ser
lavado con facilidad; además debería ser opaco a radiación de onda
larga para reducir las pérdidas nocturnas de calor.
Los plásticos de invernadero están compuestos de polímeros
y aditivos. Los polímeros son los componentes básicos del film mientras que los aditivos aportan distintas propiedades como la absorción/
reflexión infrarroja, la difusión de luz, etc. El espesor de los filmes de
cubierta oscila entre 80 y 200 micrones (μm). La anchura llega a 20
9
NUEVOS DESARROLLOS EN MATERIALES PLÁSTICOS DE CUBIERTA PARA INVERNADEROS.
m. Hoy en día los filmes monocapa o multicapa (normalmente tricapa)
son de uso generalizado en la producción comercial, siendo los multicapa los de mayor aceptación ya que combinan las propiedades positivas de sus componentes individuales (por ejemplo, buena resistencia
mecánica y transmisión de luz). La vida útil de un film de invernadero
ha pasado de 9 meses en los cincuenta a 45 meses hoy en día. El
deterioro depende de los fotoaditivos incorporados, de la localización
geográfica y de la exposición a tratamientos pesticidas (Cepla, 2006).
1.1 Polímeros y aditivos
Los polímeros son grandes moléculas que se forman por la
asociación de unidades más pequeñas llamadas monómeros. Los
polímeros más empleados en horticultura son el polietileno de baja
densidad (LDPE), el etilen vinil acetato (EVA) y el etilen butil acrilato
(EBA). Los tres polímeros cubren más del 80% del comercio mundial.
Hay otros materiales habituales como el PVC en Japón (PVC) o el
polietileno lineal de baja densidad (LLDP) en el resto del mundo. Con
respecto al cristal, los materiales plásticos comparten su baja densidad y su bajo peso (Tabla 1).
Tabla 1: Densidad de los distintos polímeros empleados en horticultura
Densidad (g cm-3)
Polietileno de baja densidad (LDPE)
Copolímero etilen vinil acetato (EVA)
Copolímero etilen butil acrilato (EBA)
Cloruro de Polivinilo (flexible) (PVC)
Polimetil de metacrilato (PMMA)
Poliester / Fibra de vidrio
Cristal
0,915 – 0,930
0,920 – 0,930
0,920 – 0,930
1,250 – 1,500
1,180
1,500 – 1,600
2,400
La baja densidad y espesor de los materiales plásticos es una
gran ventaja para los usos hortícolas ya que facilita el transporte, el
manejo y la instalación sobre la estructura del invernadero. Por ejemplo, 1 m2 de film LDPE con un espesor de 200 m pesa 184 g aproxi10
J.C. López - E. Baeza - J.I. Montero
madamente, el mismo film hecho de PVC pesa 260 g mientras que un
panel de cristal de 4 mm de espesor pesa 10 kg. La ligereza y flexibilidad del material de cubierta permite una reducción significativa del
tamaño y número de los elementos de soporte, siendo las estructuras
de invernaderos de plástico mucho más ligeras, y por tanto más baratas, que la de los invernaderos de cristal.
Los aditivos son una parte esencial de los materiales de cubierta. Estos se dispersan entre las cadenas poliméricas sin interaccionar químicamente con ellas. Los aditivos se emplean para facilitar
la fabricación del film y para mejorar su comportamiento e condiciones
de campo. En términos de Buenas Prácticas Agrícolas, pequeñas cantidades de aditivos cambian y mejoran propiedades relevantes de los
plásticos.
Tabla 2. Factores que afectan a la duración de un filme agrícola (Espí, E., 2011)
Factores intrínsecos
• Polímero base (LDPE, LLDPE, EVA)
• Tipo de filme (mono o multicapa)
• Espesor del filme
• Estabilización
• Otros aditivos (cargas, pigmentos, aditivos antigoteo...)
Factores externos previos a su utilización
• Condiciones de fabricación
• Condiciones de almacenamiento
• Colocación
Factores externos durante su utilización
• Estructura del invernadero (material de la estructura,
protección de la superficie de contacto, diseño, fijación
del filme)
• Condiciones climáticas (radiación, temperatura, viento,
lluvia, nieve...)
• Cultivo
• Agroquímicos
11
NUEVOS DESARROLLOS EN MATERIALES PLÁSTICOS DE CUBIERTA PARA INVERNADEROS.
Los dos aditivos más comunes en horticultura son los estabilizadores
de UV y lo absorbentes de IR. Los primeros hacen los filmes más estables frente a la radiación UV y también pueden proteger las moléculas
poliméricas. En consecuencia la degradación del plástico se retrasa.
La gran mayoría de los filmes plásticos en horticultura tienen más de
un año de duración e incluyen aditivos estabilizantes de UV.
De un buen film de invernadero se espera que bloquee la radiación infrarroja de onda larga (longitud de onda entre 7 y 14 µm)
para así reducir las pérdidas de calor por radiación. Los así llamados plásticos térmicos son particularmente efectivos en el aumento
de la temperatura de hoja en invernaderos pasivos, sin calefacción,
en noches claras. Los filmes de polietileno son muy transparentes a
la radiación IR de onda larga, por lo que es relativamente habitual el
empleo de aditivos absorbentes de IR para mejorar las propiedades
térmicas de los filmes.
1.2 Propiedades de los materiales plásticos de cubierta con
especial relevancia en Buenas Prácticas Agrícolas
1.2.1 Filmes claros y filmes difusores.
En zonas de cielos claros y alta radiación solar, la radiación
directa puede provocar quemaduras en hojas en días calurosos. Para
evitar este problema se han desarrollado nuevos plásticos que aumentan el porcentaje de radiación difusa en el invernadero. Se considera la radiación como difusa cuando se desvía más de 2,5º de la
radiación incidente directa. Las normas ISO 13468-2 y ASTM D 1003
sirven para medir cuál es la transmisión luminosa de los filmes, tanto
la global o TGLV como la difusa, que es la que se desvía más de 2,5º
respecto a la dirección del haz de luz incidente. Un filme se considera
difusor cuando su turbidez es igual o superior al 30% para espesores
entre 70 y 150 micras y al 35% para espesores iguales o superiores a
150 micras (EN 13206).
12
La turbidez es el porcentaje de radiación difusa que hay en la
J.C. López - E. Baeza - J.I. Montero
radiación global. Un incremento de la turbidez aumenta la uniformidad
de luz y provoca en invernaderos mediterráneos un aumento de la
producción (Castilla and Hernadez 2007, Cabrera et al, 2009). La luz
difusa tiene también efectos positivos en países del norte como los
Países Bajos. Hemming et al, (2008) compararon el efecto de cristales
difusos con el de cristales claros. La conclusión fue que había más
luz interceptada en el tratamiento difuso, especialmente en las hojas
de la capa intermedia, por lo que la tasa de asimilación era mayor y la
producción de pepino aumento aproximadamente en un 8%.
En zonas de clima mediterráneo (poca nubosidad, alta irradiación y escasez de lluvia) se recomienda emplear filmes difusores, debido a que la transmisión de luz no es excesivamente limitante y evitan
sombras dentro del invernadero y quemaduras en las plantas. En climas más húmedos se prefieren filmes lo más claros posible ya que, en
este caso, el factor limitante suele ser la transmisión de luz, la turbidez
del filme no es necesaria puesto que la componente mayoritaria de la
radiación global es ya difusa por la nubosidad.
Figura 7: Materiales de cubierta en invernaderofilms.
Izquieda, film claro, a la derecha, film difusor.
1.2.2 Filmes antipolvo.
La mayoría de los polímeros son malos conductores de la electricidad, por lo que tienden a acumular electricidad estática al frotar
una superficie con otra, o por fricciones originadas por el viento, etc. 13
NUEVOS DESARROLLOS EN MATERIALES PLÁSTICOS DE CUBIERTA PARA INVERNADEROS.
Como consecuencia la mayoría de los plásticos atraen en su
superficie a partículas de polvo. Con el fin de reducir la electricidad
estática se pueden incorporar en el interior del film ciertos aditivos que
aumentan la conductividad eléctrica. Montero et al. (2001) observaron
que la acumulación de suciedad podía reducir la transmisión de luz de
un film plástico de polietileno nuevo en un 6% tras estar sometido a la
intemperie durante un año en la España costera. Se conoce que los
filmes EVA tienden a perder más transmisividad por acumulación de
suciedad.
Figura 8: Invernadero cubierto con plásticos diferentes. Diferencias en los aditivos y
en las concentraciones EVA tienen un efecto sobre la acumulación de polvo.
En la actualidad se están introduciendo en el mercado materiales para cubierta de invernadero con propiedades autolimpiables
mediante la modificación del ángulo de contacto que el agua forma
sobre la superficie, presentando lo que se conoce como “efecto Loto”
o “autolimpiante”. El desarrollo de superficies sintéticas autolimpiantes
se basa en la particular estructura de la superficie de las hojas de la
planta de loto (Nelumbo nucífera), que es una combinación de dos
estructuras rugosas, una en la microescala y otra en la nanoescala. La
primera está formada por células superficiales que forman protuberan14
J.C. López - E. Baeza - J.I. Montero
cias, mientras que la segunda está formada por nanocristales de ceras
que recubren la superficie de esas células. Esta estructura imparte a
la superficie características superhidrofóbicas, haciendo que el ángulo
de contacto de las gotas de agua sea mayor de 150º facilitando así
que las gotas de agua rueden sobre las hojas arrastrando cualquier
partícula de suciedad.
1.2.3 Films antigoteo
El vapor de agua se condensa en la fría cara interior formando pequeñas gotitas de agua en estado líquido lo que afecta negativamente a
la transmisión de luz. Algunos estudios informan de pérdidas del la
transmisión PAR cercanas al 20% para ángulos de radiación incidente
superiores a 15ºC. Esta pérdida de la transmisión de luz varía con el
tamaño de gota: gotas mayores reducen menos la transmisión que
gotas más pequeñas por el distinto ángulo que la gota tiene con el
plástico (Castilla, 2005).
Figure 10. A la derecha de la foto, film antigoteo
Además, el agua condensada puede caer al cultivo, favoreciendo el
desarrollo de enfermedades fúngicas. Los aditivos anti-goteo modifican la tensión superficial del agua, eliminan las gotitas y forman en su
lugar una delgada capa de agua (Figuras 9 y 10).
15
NUEVOS DESARROLLOS EN MATERIALES PLÁSTICOS DE CUBIERTA PARA INVERNADEROS.
Figura 10: Efecto de la condensación sobre la transmisión de luz; a la izquierda, condensación en forma de gotas; a la derecha, condensación en película.
Hay distintos métodos para producir una capa continua de
agua condensada, por ejemplo el tratamiento de la superficie del film
o la oxidación de la superficie del polímero) pero el método más eficaz
consiste en la incorporación de aditivos durante su manufactura. Un
problema que debe ser resuelto es que este tipo de aditivos migran
hacia la superficie del plástico y son lavados por lluvia o condensación, así que normalmente las propiedades antigoteo se pierden antes
de que finalice la vida útil del plástico. Más recientemente y en plásticos multicapa se usa una de sus capas centrales como reservorio de
aditivos anti-goteo, permitiendo un reposición continua de los aditivos
que se pierden por lavado.
1.2.4 Materiales plásticos que bloquean el infrarrojo cercano (NIR)
Aproximadamente sólo la mitad de la energía en forma de
radiación solar que entra en un invernadero lo hace en el rango de
longitudes de onda útil para la fotosíntesis (PAR, Radiación Fotosintéticamente Activa). Prácticamente toda la fracción restante está en el
rango del Infrarrojo Cercano (NIR), calentando invernadero y cultivo
por tanto contribuyendo a la transpiración, procesos que no son siempre deseables (Figura 11).
Ciertos prototipos de filmes plásticos contienen pigmentos reflectantes de NIR a distintas concentraciones, consiguiéndose una reducción
16
J.C. López - E. Baeza - J.I. Montero
significativa de la fracción NIR de la energía solar sin disminuir mucho
en el rango PAR. La efectividad de los filmes NIR en la disminución de
la temperatura del aire y el cultivo en el interior del invernadero y sus
efectos en la producción y calidad dependen de una serie de factores
como son la cantidad de NIR filtrada por el cultivo, la capacidad de
ventilación del invernadero, la densidad del cultivo y la transpiración
del dosel vegetal. La revisión de Hemming et al. (2006) muestra como
en condiciones holandesas la temperatura media en un invernadero
tipo Venlo se puede reducir 1ºC en los meses de verano, si bien el
plástico NIR aumenta el consumo de energía para calefacción en los
meses de invierno. Ensayos de campo realizados en el sur de España
proporcionaron mejores resultados, observándose en los meses de
verano reducciones de temperatura de 4ºC. El film NIR aumento la
productividad y calidad de un cultivo de pimiento (García-Alonso et al.,
2006).
2000
Intensity [W m-2 um-1]
1600
PAR
45%
UV
5%
Near Infrared Radiation (NIR)
50%
UV
Purple
Blue
1200
Green
Yellow
800
Orange
Red
NIR
400
0
305
450
718
937
1442.5
2005
3317
Wavelenght [nm]
Figura 11. Propiedades de la radiación solar
Un material de cubierta con alta reflexión NIR reduciría la carga
de calor en un 50%, sin disminución de la asimilación. Los filtros selectivos de NIR disponibles comercialmente pueden ser aplicados de tres
17
NUEVOS DESARROLLOS EN MATERIALES PLÁSTICOS DE CUBIERTA PARA INVERNADEROS.
modos: como aditivos o revestimientos permanentes de la cubierta;
en forma de “blanqueo” estacional; y como pantallas móviles. Parece
razonable pensar que la combinación de condiciones climáticas en el
exterior y tipo de invernadero son las que determinan la forma más
apropiada de aplicación para una zona determinada. Kempkes et al.,
(2008) consideraron algunos de estos factores para cuantificar los
beneficios esperados en relación con el clima dentro del invernadero. Demostraron que es poco probable que la filtración a lo largo
del año de la componente NIR aumente la productividad, incluso en inviernos templados, a menos que se pueda utilizar la energía reflejada.
1.2.5. Bloqueo de la radiación UV para limitar la actividad de insectos
perjudiciales
La utilización de los plásticos conocidos como antiplagas (fotoselectivos), que bloquean parte de la radiación UV (Salmerón et al.,
2001) y eliminan la longitud de onda correspondiente al color más visible para los insectos, permite dificultar el desarrollo de los insectos plaga (Salmerón et al., 2001; Antignus et al., 2001; Lapidot, et al.,
2002), o de virus transmitidos por los insectos que son sensibles a la
disminución o ausencia de la radiación ultravioleta (Gonzalez et al.,
2003; Monci et al., 2003; Rapisarda, et al., 2006). Sin embargo, también pueden tener un efecto negativo sobre la actividad de los polinizadores, que se encuentran necesitados del espectro de la radiación
ultravioleta limitando su visión (Cabello et al., 2005, 2006; Soler et
al., 2005), ya que las condiciones de la luz ultravioleta puede cambiar
la percepción de los polinizadores, abeja (Apis mellifera) y abejorro
(Bombus terrestris), sobre los distintos colores de la flor, aumentando
así la dificultad para localizar las flores entre el cultivo. Sin embargo,
este efecto negativo puede ser atenuado por la capacidad de respuesta de los polinizadores, así los abejorros tienen una excelente y rápida
capacidad de aprendizaje y pueden llegar a adaptarse a la ausencia
de la luz ultravioleta (Dyer y Chittka, 2004). La limitación de la luz
ultravioleta reduce, disminuye, e incluso, evita el crecimiento y esporulación de hongos patógenos como Botrytis cinerea (Jarvis, 1997; Díaz
et al., 2001)
Hay estudios donde se comparan materiales de cubierta con
18
J.C. López - E. Baeza - J.I. Montero
diferentes niveles de absorción de radiación ultravioleta (1%, 10%,
23%, 55% y 65%, respectivamente) en cultivos de tomate, melón y
sandía mini, para evaluar la influencia de los filtros para la radiación
ultravioleta aditivados a los materiales plásticos, sobre la presencia de
Bemisia tabaci y Frankliniella occidentalis, así como sobre la actividad
de los polinizadores naturales (Bombus terrestris y Apis mellifera). En
relación a los insectos plaga (Fig. 12), los resultados obtenidos demuestran que los plásticos antiplagas que absorben la radiación ultravioleta que llega al invernadero, limitan la movilidad de los insectos, y
por tanto la reproducción, por lo que resulta una herramienta importante para el control de mosca blanca y trips en invernadero ya que en
los ensayos realizados se contabilizaron reducciones del 65% tanto de
Bemisia tabaci como de Frankliniella occidentalis bajo plástico antiplagas en relación al testigo (Pérez et al., 2009).
Figura 12. Evolución del número acumulado de Bemisia tabaci (a) y Frankliniella occidentalis (b), en placas cromotrópicas, bajo plásticos con una transmisividad del 1%
(Antiplagas) y 55% de la radiación UV (Testigo).
Respecto a los polinizadores, los resultados experimentales demuestran que existe una interacción especifica entre los plásticos antiplagas y la especie polinizadora, de forma que la actividad del abejorro
(Bombus terrestris) no se ve afectada por el uso de plásticos antiplagas, no afectando a la producción del cultivo, mientras que la actividad
de las abejas (Apis mellifera) sí se ve afectada (López et al., 2006; Pérez et al., 2007), registrándose una reducción del 46% en el número de
abejas que entran y salen de la colmena, lo que provocó reducciones
máximas de producción de hasta el 34% (Pérez et al., 2009).
19
NUEVOS DESARROLLOS EN MATERIALES PLÁSTICOS DE CUBIERTA PARA INVERNADEROS.
1. Proyecto Euphoros: Efectos de un plástico absorbente de NIR como material de cubierta de invernadero
con un cultivo de tomate en Almería.
1.1 Objetivo
Evaluar el clima y respuesta productiva de un cultivo de tomate
(ciclo largo) bajo dos materiales de cubierta: film absorbente de NIR
(con absorción parcial de la radiación NIR) y film control (material de
cubierta estándar en invernaderos de Almería)
1.2 Antecedentes
Las ventajas climáticas de la región mediterránea para el cultivo en invernadero están relacionadas con la buena disponibilidad de
luz en otoño e invierno, con la suavidad de las temperaturas y la estabilidad climática derivada de la proximidad del mar (Castilla y Hernández, 2005). En estas condiciones, las plantas se adaptan a unos
niveles climáticos subóptimos, mientras que en los invernaderos del
norte de Europa (zonas frías) se crean las condiciones climáticas óptimas que permite maximizar las producciones.
En el norte de Europa, los sistemas de cultivo en invernadero,
principalmente con cubierta de cristal, se caracterizan por un elevado
nivel tecnológico, muy equipado y costoso, resultando ser gran consumidor de energía. Por el contrario, en el área mediterránea el sistema
agrícola, principalmente con cubierta de plástico, es de bajo nivel tecnológico, poco equipado, más barato y con un limitado consumo energético (Castilla, 2007). En la elección del material de cubierta hay que
tener en cuenta, además de sus propiedades ópticas y mecánicas, la
climatología de la zona y localización del invernadero (Waaijenberg y
Sonneveld, 2004).
En algunas zonas la reducción de la transmisión de energía
térmica solar no luminosa (NIR=radiación infrarroja cercana, de 760
a 2500 nm aproximadamente) al interior del invernadero puede ser
20
J.C. López - E. Baeza - J.I. Montero
recomendable, al menos durante algunos periodos del ciclo de crecimiento. Para evitar el calentamiento excesivo del invernadero es
frecuente utilizar en su interior pantallas de sombreo o blanquear la
cubierta aplicando un producto en la cara externa de esta. Ambas soluciones presentan efectos negativos: disminuyen la transmisión NIR
pero también disminuyen la transmisión de radiación PAR (400-700
nm), precisamente la radiación que las plantas necesitan para la fotosíntesis y que debiera siempre mantenerse lo más alta posible. Existen distintas alternativas que pueden aplicarse para cubiertas plásticas
de invernadero y que implican el aporte de pigmentos interferentes a
las formulaciones de filmes para provocar reflexión o absorción de la
radiación NIR.
También se ha desarrollado un blanqueo NIR (von Elsner and
Xie, 2003; Blanchard and Runkle, 2010) que permite la regulación de
temperatura durante el día.
De los nuevos desarrollos más prometedores en plástico están
aquellos que incorporan aditivos para bloquear la radiación NIR. Solo
la mitad de energía que entra en el invernadero procedente de la radiación solar está en el rango de la radiación útil para la fotosíntesis
de las plantas (PAR, Photosynthetically Active Radiation). El resto de
energía está en el rango de la radiación infrarroja cercana (NIR) que
calienta el invernadero, el cultivo y contribuye a la transpiración, efectos a veces no son siempre deseables (Montero et al, 2008).
Este trabajo se enmarca en el proyecto europeo Euphoros.
Antes de realizar los ensayos de campo, el WUR llevó a cabo simulaciones con un software de simulación (Kaspro) alimentado con datos
meteorológicos de Almería (datos meteorológicos EEFC) y datos ópticos, suministrados por CIBA, para diferentes materiales absorbentes
de NIR. Las simulaciones demostraron que en principio los materiales
absorbentes de NIR eran capaces de excluir una parte de la radiación
solar incidente. Sin embargo su efecto parecía limitado dado que parte de la energía absorbida era transmitida al interior del invernadero
por convección, y en principio la reflexión parece una opción más favorable que la absorción. Un material con buena filtración NIR debe
poder excluir una alta proporción de NIR (45%) y debe afectar lo me21
NUEVOS DESARROLLOS EN MATERIALES PLÁSTICOS DE CUBIERTA PARA INVERNADEROS.
nos posible a la transmisividad en el rango PAR. De entre todos los
materiales testados se escogió el mejor prototipo (máxima absorción
NIR con la menor reducción PAR posible) que fue manufacturado para
ser testado en las instalaciones del EEFC.
1.3 Materiales y métodos
Durante la campaña 2010/2011 se realizó un ensayo de campo en
dos módulos de invernadero adyacentes e idénticos de 1200 m2 cada
uno. Cada compartimento (Figura 1) estaba compuesto de tres túneles asimétricos de estructura metálica, con una altura en cumbrera de
5,4 m y una altura a la canal de 3,4 m. La banda sur tiene una banda
enrollable y cada túnel cuenta con una ventana cenital orientada al
sur. La orientación de los túneles es este-oeste. Las ventanas estaban
dotadas de una malla antiinsectos de 20*10 hilos cm-1.
El cultivo se desarrolló en sacos de perlita (tercer año de uso),
de 40 l de capacidad, textura granulométrica B12 (partículas de 0-5
mm de Ø), dispuestas sobre canaletas de porespan. La orientación de
las líneas de cultivo era norte-sur.
Cada compartimento tenía 22 líneas, con 16 sacos de perlita
por línea y 4 plantas por saco.
22
J.C. López - E. Baeza - J.I. Montero
Figura 1.- Estructura y dimensiones de los compartimentos experimentales
La separación entre líneas era de 1,66 m de centro a centro
de saco 1,5 m. El cultivo de tomate se trasplantó el 6 de septiembre
de 2010, variedad Ventero, con una densidad de plantación de 1,6
plantas m-2. Antes del trasplante se blanquearon ambos compartimentos (10 agosto) para asegurar la supervivencia de las plántulas en las
duras condiciones que en Almería se corresponden con ese mes, utilizando exactamente la misma dosis en ambos invernaderos, lo que
supuso que al film absorbente de NIR se le añadió una reflexión NIR
extra. El blanqueo se lavó en ambos compartimentos, absorbente NIR
y control, los días 5 y 6 de octubre respectivamente.
Figura 2.Tomate de ramo (cv. Ventero).
El cultivo se polinizó con abejorros (Bombus terrestris).
23
NUEVOS DESARROLLOS EN MATERIALES PLÁSTICOS DE CUBIERTA PARA INVERNADEROS.
En cada invernadero se empleó una bandeja de demanda y
una bandeja de drenaje para controlar el riego. Cada bandeja tenía
dos sacos, con cuatro plantas cada una.
Diariamente se registraba el porcentaje de drenaje del cultivo,
el pH y la CE
Se establecieron dos tratamientos, uno por cada nave:
Film NIR: invernadero
cubierto con el prototipo
de film absorbente de
NIR.
NIR_Film
100
90
80
70
60
50
40
30
20
10
0
300
5300
10300
Transmission
15300
Reflection
20300
Absorption
Control_Film
100
90
80
70
60
50
40
30
20
10
0
300
5300
10300
Transmission
15300
Reflection
20300
Film control: invernadero cubierto con el típico
tricapa de Almería.
Los materiales de cubierta se instalaron en los dos
compartimentos durante
agosto 2010. La Figura
2 muestra las características ópticas de ambos
materiales, medidas en
un laboratorio en WUR
(Países Bajos) para distintas longitudes de onda.
Absorption
Figura 2. Espectros de transmisión, reflexión y absorciónde los dos
materials evaluados: film NIR y film control (datos de laboratorio medidos y proporcionados por WUR)
24
J.C. López - E. Baeza - J.I. Montero
El clima (apertura y cierre de las ventanas) se gestionó con un
controlador de clima en combinación con sensores localizados en el
interior y exterior de los invernaderos.
1.3.1
Determinaciones
En cada tratamiento se obtuvieron las siguientes medidas y determinaciones:
§
Temperatura ambiental y humedad relativa: cada compartimento dispone de dos aspiropsicrómetros (Pt-100, mod.1.1130;
Thies Clima, Göttingen, Germany) que miden la temperatura del
aire (temperaturas de bulbo húmedo y seco) a partir de la que se
calcula la humedad.
§
Radiación global y PAR: La radiación global en los invernaderos
se cuantificó con piranómetros (Kipp&Zonnen, CM6B), mientras
que el PAR se midió con un sensor cuántico (LI-190 Biosciencie,
Lincoln, NE, USA).
§
Radiación neta sobre la cubierta del invernadero. Se instaló
un radiómetro neto (CNR1, Kipp&Zonen, Delft, The Netherlands)
en cada uno de los invernaderos, en un punto representativo y
a una altura de 50 cm sobre la cubierta. La radiación neta se
calculó como la suma de los componentes de onda corta y onda
larga. Todos los sensores obtuvieron datos cada intervalo de 2
segundos, promediaron cada 5 min y registraron os datos en dispositivos de almacenamiento de datos (mod. CR1000 y CR3000,
Campbell Scientific Ltd., Leicestershire, UK).
§
Temperatura de la cubierta por medio de termopares (las medidas de la temperatura de la cubierta se corrigieron para evitar el
problema de radiación directa incidente sobre el sensor, de acuerdo al método recomendado por Abdel-Ghany et al (2006).
25
NUEVOS DESARROLLOS EN MATERIALES PLÁSTICOS DE CUBIERTA PARA INVERNADEROS.
§
Los datos de clima exterior se midieron en una estación meteorológica localizada en las cercanías de dos invernaderos experimentales (temperatura, humedad, radiación, velocidad del viento
y dirección).
§
Producción: 5 repeticiones por tratamiento y 8 plantas por repetición (4 sacos de cultivo). La producción comercial y no comercial se cuantificaron por separado.
1.4 Resultados
1.4.1
Clima
La temperatura del aire media en ambos invernaderos fue muy similar
a lo largo del ciclo (Tabla 1) con valores medios en 24 h de 17.5 ºC
y 17.4 ºC para el plástico NIR y control respectivamente. Tanto en el
periodo medio diurno como nocturno las temperaturas de aire fueron
semejantes al igual que para las máximas y mínimas (Tabla 1).
26
J.C. López - E. Baeza - J.I. Montero
Tabla 1. Temperatura diaria media (ºC) de 24 horas, diurna, nocturna,
máxima y mínima para el ciclo total del cultivo.
Temperatura del aire (ºC)
Tratamiento
24h
Diurna
Nocturna
Máxima
Mínima
NIR film
17.5
21.9
13.7
40.9
Exterior
15.5
17.8
13.5
30.2
4.7
5
3.3
Control film
17.4
21.5
13.8
40.5
La Figura 3 muestra la temperatura media ambiental (24 h) a lo
largo de todo el ciclo y de nuevo hay una gran similitud en los valores,
que obviamente fueron consistentemente más elevados que la temperatura exterior ambiental. Durante el periodo nocturno en invierno la
temperatura del aire, bajo el film NIR no fue inferior al film Control, tal
y como cabía esperar debido a una menor entrada de NIR durante el
día en el film NIR.
Tanto en el periodo cálido (primavera) como frío (invierno) las
temperaturas fueron semejantes en ambos tratamientos. En el periodo frío se podía esperar una similitud en temperatura del aire entre
ambos tratamientos debido a que, gran parte del tiempo la consigna
de ventilación permanecía superior a la temperatura de los invernaderos (sistema de ventilación suficiente para mantener la temperatura
de consigna). Sin embargo, en el periodo cálido, donde la temperatura
de consigna de ventilación era inferior a la del aire del invernadero,
durante gran parte del tiempo los invernaderos permanecían con las
ventanas abiertas siendo este el periodo más favorable para que se
mostraran diferencias entre plásticos, cosa que no ha sucedido.
27
NUEVOS DESARROLLOS EN MATERIALES PLÁSTICOS DE CUBIERTA PARA INVERNADEROS.
30
Air temperature mean 24h
25
ºC
20
15
NIR_film
Control_film
Outside
10
5
0
06/09/10 06/10/10
05/11/10 05/12/10 04/01/11 03/02/11 05/03/11 04/04/11 04/05/11
Date
Figura 3. Temperatura media 24 h diaria (ºC) en film NIR, film Control
y en el exterior.
La radiación neta medida sobre la cubierta del invernadero (Figura 4) fue ligeramente más alta en el caso de la cubierta NIR. Esto
puede justificar parcialmente la ausencia de la previsible bajada de temen el tratamiento NIR debido al efecto de absorción NIR(convección
de calor desde el plástico al interior del invernadero).
La radiación neta del tratamiento film NIR fue mayor (próxima al
10%) frente a la del Control film. La radiación de onda larga emitida
por el invernadero film NIR fue mayor frente al film Control en el periodo diurno. Sin embargo no fue suficiente para producir una menor
radiación neta debido a que la componente de la radiación global, procedente del invernadero (reflejada y transmitida desde el invernadero),
en el film Control fue superior.
28
J.C. López - E. Baeza - J.I. Montero
Mean Net Radiation (W m-2)
180
160
140
NIR_film
Control_film
120
100
80
60
40
20
0
10-ago-10 29-sep-10 18-nov-10 07-ene-11 26-feb-11 17-abr-11 06-jun-11
Date
Figura 4. Media diaria de radiación neta (Wm-2) para dos tratamientos:
NIR y Control.
La Figura 5 muestra la temperatura ambiente, la temperatura de la
cubierta y los datos de radiación a lo largo de un día del ciclo de cultivo (20/3/2011) en ambos tratamientos. La temperatura ambiente fue
similar bajo el plástico NIR y el control. La temperatura de la cubierta
fue mayor en el plástico NIR que en el Control, hasta 10ºC mayor por
la mayor absorción del material en el rango NIR.
La radiación solar y NIR fueron más bajas bajo el film NIR, tal y como
se podía esperar. Sin embargo también quedó afectada la radiación
PAR, que fue también más baja en el tratamiento NIR (15%), un efecto
colateral no deseado debido a su probable repercusión negativa en
el rendimiento productivo. Con respecto a la radiación de onda larga,
elinvernadero NIR emitió más, posiblemente por las mayores temperaturas alcanzadas por el material, tal y como se ha discutido anteriormente.
29
NUEVOS DESARROLLOS EN MATERIALES PLÁSTICOS DE CUBIERTA PARA INVERNADEROS.
Air temperature (ºC)
25
20
15
10
NIR_film
Control_film
Outside
5
0
20/03/201 20/03/201 20/03/201 20/03/201 21/03/201
1 00:00 1 06:00 1 12:00 1 18:00 1 00:00
Cover temperature (ºC)
40
30
35
30
25
20
15
10
NIR_film
5
Control_film
0
20/03/201 20/03/201 20/03/201 20/03/201 21/03/201
1 00:00
1 06:00
1 12:00
1 18:00
1 00:00
Hour
Hour
PAR radiation (W m-2)
Solar radiation (W m-2)
300
900
N IR _film
800
C o ntro l_film
Outs ide
700
600
500
400
300
200
100
0
20/03/2011 20/03/2011 20/03/2011 20/03/2011 21/03/2011
00:00
06:00
12:00
18:00
00:00
250
200
150
100
Hour
NIR_film
Control_film
400
300
200
100
0
20/03/201 20/03/201 20/03/201 20/03/201 21/03/201
1 00:00
1 06:00
1 12:00
1 18:00
1 00:00
Hour
Down long radiation (W m-2)
NIR radiation (W m-2)
500
50
0
20/03/2011 20/03/2011 20/03/2011 20/03/2011 21/03/2011
00:00
06:00
12:00
18:00
00:00
Hour
600
NIR _film
C ontrol_film
500
450
400
350
300
250
200
NIR _film
150
C ontrol_film
100
50
0
20/03/2011 20/03/2011 20/03/2011 20/03/2011 21/03/2011
00:00
06:00
12:00
18:00
00:00
Hour
Figura 5. Temperatura del aire, de la cubierta y radiación durante el
día (20/03/2011) en ambos tratamientos.
30
J.C. López - E. Baeza - J.I. Montero
1.4.2
Producción
Las producciones total y comercial se muestran en las Figuras 6 y 7.
La producción comercial fue mayor en el invernadero Control. La diferencia se observó en los frutos de primera calidad, .49 kg m-2 y 12.67
kg m-2 respectivamente. La producción de segunda fue significativamente más baja, y similar en ambos tratamientos.
NIR film 1ª
Control film 1ª
NIR film 2ª
Control film 2ª
16
14
Comercial Yield (g m-2)
12
10
8
6
4
2
0
0
50
100
150
200
250
300
Day after trasplant
Figura 6. Producción comercial acumulada de primera y segunda
categorías a lo largo del ciclo de cultivo para cada tratamiento.
Se observaron también diferencias en el número de ramos recolectados, siendo 16,4 y 15,1 para el film Control y NIR, respectivamente.
31
NUEVOS DESARROLLOS EN MATERIALES PLÁSTICOS DE CUBIERTA PARA INVERNADEROS.
NIR film
Control film
18
16
14
Nº trust
12
10
8
6
4
2
0
0
50
100
150
200
250
300
Day after trasplant.
Figura 7. Número de ramos acumulados recolectados para cada tratamiento a lo largo del ciclo de cultivo.
Además, a lo largo del ensayo se observó como la cara interna del
film NIR fue la que menos condensación mostraba temprano por la
mañana, lo que podría estar causado por las mayores temperaturas
alcanzadas por este plástico. Esto pudo modificar la transmisividad
medida en invernadero durante el periodo con condensación a favor
del film NIR.
32
J.C. López - E. Baeza - J.I. Montero
Sin condensación (film NIR)
Condensación (Film Control)
1.5 CONCLUSIONES
• El film NIR ensayado no redujo la temperatura del aire frente al
film Control.
• El balance neto de radiación fue ligeramente mayor en el film
NIR que en el film Control.
• El film NIR provocó una reducción en PAR próxima al 15% lo que
condujo a una menor producción de tomate, similar a las pérdidas de radiación PAR.
• El desarrollo de materiales plásticos para reducir la componente
NIR deben de encaminarse a utilizar aditivos que reflejen el NIR y
no que lo absorban (caso del ensayo).
• Para zonas cálidas es prioritario reducir temperatura del aire durante gran parte del tiempo, por lo que sería de interés profundizar en materiales que no absorbieran NIR sino que lo reflejasen y
que no modifiquen la transmisividad de la radiación PAR.
33
NUEVOS DESARROLLOS EN MATERIALES PLÁSTICOS DE CUBIERTA PARA INVERNADEROS.
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36
J.C. López - E. Baeza - J.I. Montero
37
DESARROLLOS DEL PROYECTO PARA
INVERNADEROS DE CRISTAL CON CULTIVO DE ROSAS
Nieves García
Wageningen U. R.
El objetivo principal del proyecto EUPHOROS es el desarrollo
de sistemas para una horticultura de invernadero Europea más sostenible invernadero que minimice el uso de “inputs” y de emisiones
al medio ambiente, pero altamente productiva y con un uso muy eficiente de recursos. Investigadores de varias universidades y centros
de investigación hortícola europeos, así como representantes de la
industria (industria de suministros, e industrias de reciclado de desechos) trabajan en tres paquetes de trabajo (PT) basados en materias
primas en el desarrollo de varios instrumentos y sistemas innovadores
capaces de reducir el consumo de energía, agua, fertilizantes, pesticidas y de reducir los productos de desecho en la industria hortícola
en Europa. Otro PT optimiza el entorno de crecimiento, desarrollando
instrumentos de medida innovadores y robustos para la evaluación del
39
DESARROLLOS DEL PROYECTO PARA INVERNADEROS DE CRISTAL CON CULTIVO DE ROSAS
rendimiento, la detección precoz de plagas y estrés y el manejo de las
acciones derivadas de esa detección. El equilibrio entre el sistema, el
medio ambiente y la economía son estudiados en un paquete de trabajo aparte.
Pero… ¿Cómo se define la “Horticultura Europea”? Uno sólo
tiene que conducir por distintas regiones geográficas en Europa dedicadas a la horticultura o volar por encima de ellas para darse cuenta
de que existen notables diferencias regionales, y de que desde luego,
no todos los invernaderos son iguales. La industria de la horticultura
europea no obedece a un modelo único. Cada uno de los países europeos tiene su propia forma de proteger sus cultivos bajo invernaderos.
La estructura y el equipo interno del invernadero han evolucionado en
cada sitio de acuerdo con las circunstancias específicas de cada sitio.
Estas circunstancias pueden ser medioambientales (clima, disponibilidad y calidad del agua, el tipo y la calidad del suelo), culturales (el nivel
educacional del cultivador, la organización empresarial, la concienciación medioambiental del propietario, las tradiciones que desembocan
en los métodos de cultivos actuales….) económicas (cuánto puede invertir un cultivador en la estructura, el equipamiento y los instrumentos
del invernadero, a qué mercado se dirige, y qué espera el mercado del
cultivador).
Es por esta gran diversidad que el ensayo en una situación semi-comercial y la implementación de los materiales, métodos e instrumentos desarrollados en el seno del proyecto EUPHOROS, han sido
abordados desde un punto de vista local. Un paquete de trabajo ha
sido dedicado a este ensayo en condiciones semi-comerciales y a la
implementación de los instrumentos desarrollados en combinaciones
aplicables a tres situaciones locales. La situaciones locales determinadas inicialmente fueron : Almería (España), Morahalom (Hungría), y
Bleiswijk (Holanda). Como se puede apreciar, las situaciones elegidas
representan la Europa del norte, la Europa del sur, y la Europa del
este. Cada localidad de ensayo se caracteriza por un clima, una cultura y un mercado específico. Todas ellas distintas entre sí.
40
Nieves García
El cultivo de rosas:
una actividad hortícola significativa en Holanda.
A diferencia de las otras dos localidades escogidas para la implementación de los desarrollos e instrumentos del proyecto Euphoros, donde el cultivo designado para la realización de ensayos semicomerciales ha sido el tomate, sin denegar la importancia indiscutible
de este cultivo en el panorama hortícola (1.400 hectáreas de tomate se
cultivaban en Holanda en el 2005 aumentando imparablemente en los
años siguientes hasta 1.700 en el 2011), en Holanda se decidió concentrar los esfuerzos en otro producto hortícola significativo. La rosa
es una decisión lógica, ya que el cultivo de flor cortada, con la rosa
como su exponente principal, ocupa un lugar importante en cuanto a
superficie cultivada, importancia económica y como luego veremos,
también en cuanto al impacto ambiental. La tabla 1 muestra la superficie dedicada al cultivo de diferentes productos hortícolas en Holanda. De la superficie total cultivada bajo invernadero, 10.250 hectáreas,
casi la mitad se dedica al cultivo de ornamentales (flores y plantas).
Holanda encabeza la lista mundial del consumo anual per cápita de
flores y plantas. A los holandeses, en efecto les encanta comprar, regalar y recibir flores y plantas en cualquier ocasión. Decoran con ellas
sus casas, oficinas, centros comerciales, hoteles y restaurantes. Las
compran en el mercado o en el supermercado junto con los productos
de primera necesidad. Las compran para obsequiar al anfitrión en una
cena amistosa, al visitar a un enfermo en el hospital, en la entrega de
títulos, la inauguración de una casa, un cambio de trabajo. Los productos ornamentales ocupan un lugar destacado en la economía del país,
siendo un producto de exportación. Es un sector altamente mecanizado e innovador. Un proyecto dedicado a la horticultura en Holanda no
puede pasar por alto esta realidad.
Dentro de la superficie dedicada al cultivo de ornamentales,
algo más de la mitad (2.430 Ha) se refiere a la producción de flor
cortada. Entre la gran diversidad de flores cultivadas, la rosa ocupó
durante muchísimos años el número uno, incluido el año en que pla41
DESARROLLOS DEL PROYECTO PARA INVERNADEROS DE CRISTAL CON CULTIVO DE ROSAS
neábamos EUPHOROS. La superficie que en Holanda se dedicaba al
cultivo de rosas en el 2011 (460 ha) es menos de la mitad de la que
había al inicio de este milenio, cuando empezó a decrecer. En 2001
se dedicaban más de 950 hectáreas al cultivo de rosas. En el 2011 la
rosa representa el 19% del total de flor cortada en cuanto a superficie.
Todavía ocupa el segundo lugar en cuanto a superficie cultivada después del crisantemo. En lo que respecta al valor económico, todavía
encabeza la lista de las flores cortadas y representa el 23% del valor
total vendido por las subastas de flores holandesas (Tabla 2).
Tabla 1. Holanda. Superficie cultivada por producto hortícola.
Superficie cultivada
Horticultura de invernadero
Hortalizas de invernadero
Tomate
Pimiento
Pepino
Ornamentales (flor y planta)
Planta de maceta
Flor cortada
Crisantemo
Rosas
Fuente: www.statline.cbs.nl
42
Hectáreas
(2005)
10.539
4.445
1.396
1.236
631
5.616
1.377
3.244
598
780
Hectáreas
(2007)
10.374
4.571
1.545
1.187
616
5.327
1.397
3.003
566
652
Hectáreas
(2011)
10.250
4.990
1.700
1.360
660
4.700
1.360
2.430
510
460
Nieves García
Tabla 2. Holanda. Facturación productos ornamentales subastas holandesas.
Facturación (2009)
(en millones de €)
Flores de corte total1)
Producción holandesa total
Rosas total1)
Rosas, producción holandesa
1)
2.200
1.600
696
362
(23% del valor de producción de
la flor cortada. holandesa)
incluye importaciones
Fuente: VBN, 2010
Energía y mano de obra: los suministros más importantes en el
cultivo de rosas.
Un análisis económico y medioambiental de los sistemas de
cultivo del tomate en Hungría y en España, así como de los sistemas de cultivo de rosas en Holanda (la situación de referencia fue
calculada con datos de los años 2007 y 2008) fue realizado al inicio
del proyecto EUPHOROS por un equipo multidisciplinario de investigadores de varios países Europeos. Este trabajo, parte del cual será
presentado en el capítulo 6 de esta publicación, fue un importante
instrumento para las personas encargadas de integrar los desarrollos
de EUPHOROS, al fundamentar la decisión sobre en qué desarrollos
había que concentrar los esfuerzos (siempre con el apoyo de los diversos actores implicados). Además, el análisis pronosticó el potencial
impacto económico (ambos: el ahorro realizable y la capacidad inversora resultante, ver Tabla 3) derivado de la reducción de un suministro
en un 10% y un 50% con respecto a la referencia.
El análisis económico mostró que en el coste de los componentes de una plantación de rosas en Holanda (figura 1), el coste total
43
DESARROLLOS DEL PROYECTO PARA INVERNADEROS DE CRISTAL CON CULTIVO DE ROSAS
viene determinado principalmente, al igual que en la producción del
tomate, por tres componentes principales: energía, activos tangibles, y
mano de obra. Estos tres componentes juntos representan el 80% del
coste total de producción. El apartado energía representa en el cultivo
de rosas en Holanda el 36%!!! del coste total (y no deja de aumentar,
tal como veremos a continuación). Esto coloca al suministro “energía”
a la cabeza de los suministros en los que concentrarse en un proyecto
que busca una reducción de suministros económicamente viable. El
coste por mano de obra contratada comparte el segundo puesto con
los activos tangibles (tales como maquinaria e instrumentos de producción), cada uno de ellos siendo responsable de un equitativo 22% del
coste total. Por ello, cualquier desarrollo capaz de realizar una reducción por pequeña que sea en los costes por mano de obra, contribuirá
a una mejora económicamente interesante del sistema de producción.
Figura 1 costes de producción de una plantación de rosas en invernadero Venlo (Holanda). Fuente: Euphoros Deliverable 5.
44
Nieves García
Más del 90% de la energía utilizada en la producción de rosas es eléctrica.
En el seno del proyecto EUPHOROS, un paquete de trabajo se
dedicó a la exploración de diferentes métodos para almacenar la energía solar gratuíta, de forma que se pueda utilizar en períodos fríos.
Estos métodos (capítulo 3) ofrecen serias opciones para el ahorro en
la energía utilizada para la calefacción del invernadero.
Lamentablemente, un análisis de las necesidades energéticas
del cultivo de rosas en Holanda (Tabla 4) muestra que más del 90% del
gas natural utilizado en el cultivo de rosas se emplea en la generación
de electricidad para la iluminación fotosintética. Si ella, no sería posible cultivar rosas de buena calidad durante todo el año en Holanda,
ya que en la semanas invernales la luz que entra al invernadero es
insuficiente (figura 2). La luz suministrada por la instalación eléctrica
puede llegar a suponer en días muy oscuros hasta un 80% de la luz
total recibida en el invernadero.
La generación de electridad a partir del gas natural es posible
gracias a las llamadas “plantas combinadas de calor y electricidad”.
La combustión del gas produce electricidad como producto principal,
y agua a alta temperatura y CO2 como productos residuales. Ambos
productos residuales son almacenados y utilizados en el invernadero:
el agua caliente para calefacción, el CO2 para “fertilizar” el aire del
invernadero (el dióxido de carbono suministrado mejora la fotosíntesis
por parte de las plantas y por tanto, estimula el crecimiento). Las lámparas fotosintéticas (1000 Watt) producen mucho calor, por lo que en
el cultivo de rosas una buena parte del año el calor se encuentra antes
en exceso que en defecto para mantener temperaturas de crecimiento
óptimas. Esta situación se ilustra con el dato de que a parte del gas
utilizado para generar electricidad, sólo 8,8 m3/m2/año de gas natural
extra son utilizados para generar calor y/o CO2 en momentos en los
que las lámparas no estan encendidas.
45
DESARROLLOS DEL PROYECTO PARA INVERNADEROS DE CRISTAL CON CULTIVO DE ROSAS
Habiendo explicado ésto, no estaría dentro de los límites de la realidad
el esperar a corto plazo una seria reducción del orden del 40-50% de
la energía de origen fósil en el cultivo de rosas con los desarrollos actuales. Una reducción del 10% de la electricidad necesaria ya tendría
un importante impacto económico, ya que reduciría el coste energético
con 4 €/m2 año, generando una capacidad inversora de 23 € (Tabla 3).
Figura 2. La radiación global (exterior, izquierda)y la suma de radiación fotosintéticamente activa(PAR) dentro del invernadero en Holanda a lo largo del año, con y sin la
contribución de la iluminación artificial. Ésta puede llegar a representar hasta el 80%
de la suma total de PAR en los días de menos luz del año.
El impacto ambiental del cultivo de rosas se explica en su 95%
por la energía
Los resultados del análisis medioambiental (ver capítulo 6) muestran
que el sistema de control climático era el contribuyente principal en
todas las categorías de impacto seleccionadas (categorías de impacto:
AD, agotamiento abiótico; AA, acidificación del aire; EU, eutrofización;
GW, efecto invernadero; PO, oxidación fotoquímica; CED, demanda
energética acumulada) con porcentajes entre el 95.4% y el 98.9% del
total.
La estructura del invernadero fue el segundo contribuyente a las categorías de impacto con valores oscilando entre el 0.53% y el 2.43%.
46
Nieves García
Fertilizantes y productos para la protección de cultivos:
contribuyentes menores
El coste de otros suministros entre aquellos en los que se centran las actividades del proyecto EUPHOROS (fertilizantes y productos para la protección de cultivos) tiene un impacto muy reducido en
el coste total de producción. El coste por fertilizantes, por ejemplo,
representa sólo el 1% del coste total de producción; por su parte, el
coste de los productos de protección vegetal, sólo asciende a un 3%
del coste total. La recirculación de soluciones nutritivas sobrantes es
en Holanda una práctica común (por obligatoria) desde hace muchos
años por regulaciones medioambientales. Se estima que alrededor del
30% del agua con fertilizantes utilizada en el cultivo de rosas se desecha, siendo prácticamente el 100% de ellos cultivos sin suelo (substrato). En el momento de escribir este texto se investigan métodos
para hacer posible la recirculación del 100% del agua de drenaje en
el cultivo de rosas holandés (van der Maas et al., WUR Horticultura de
Invernadero). En ciertos casos el cultivador decide desechar parte de
su solución de drenaje (sobrante). La causa suele ser una inhibición
del crecimiento por razones desconocidas si se recircula por largos
períodos de tiempo. En cualquier caso, se trata de causas muy distintas de aquéllas para la que la Universidad de Pisa, UNIPI (véase
capítulo 5) ha desarrollado métodos de seguimiento. Los esfuerzos
de UNIPI tienen como objetivo posibilitar una recirculación del 100%
en áreas con agua salina y/o de baja calidad. La calidad del agua en
Holanda es buena, la acumulación de sodio es poco frecuente y la de
Boro no es probable. Aun suponiendo que los sistemas de monitoreo
fuesen aplicables a la situación holandesa, y permitieran el cierre total
del sistema y recirculación al 100%, contribuirían a un beneficio económico de sólo 0,12 €/m2 al año.
La protección del cultivo y el manejo de plagas se hacen en
Holanda de forma principalmente integrada. En este sistema de control de plagas, los enemigos naturales de las plagas principales desempeñan un papel muy importante y son introducidos en el cultivo. Los
47
DESARROLLOS DEL PROYECTO PARA INVERNADEROS DE CRISTAL CON CULTIVO DE ROSAS
enemigos naturales mantienen la plaga a un bajo nivel de infección. Si
el equilibrio se altera, y de repente la presencia de la plaga aumenta
y se hace demasiado alta, pesticidas llamados “de corrección”, a menudo compatibles (no dañan los predadores, sólo la plaga) se aplican
para atacar los focos o núcleos. El coste mencionado por la protección
del cultivo en rosas (3% del total) incluye ambos: los costes en productos químicos y biológicos (enemigos naturales).
Cálculos realizados en el marco del antes mencionado análisis
económico y medioambiental (capítulo 6) muestran que un instrumento que gracias a una forma de detección precoz de plagas y enfermedades sea capaz de reducir el uso de pesticidas en un 10% en la
situación holandesa contribuiría a ahorrar 0,3 €/m2 año; en términos
de capacidad inversora, eso significaría 1,5 €/m2 .
Como vemos, la reducción del coste apenas motivaría al cultivador de rosas holandés para invertir en desarrollos que, en potencia,
contribuirían a ahorrar fertilizantes o productos de protección vegetal.
El impacto medioambiental de estos componentes de costes también
es bastante pequeño, puesto que los componentes equipo auxiliar,
fertilizantes, pesticidas y manejo de residuos juntos suman contribuciones inferiores al 2% del total en todas las categorías de impacto
seleccionadas.
Indiscutiblemente, la protección del cultivo mediante el manejo
integrado de plagas requiere bastante mano de obra. El cultivador necesita inspeccionar frecuentemente el cultivo a la búsqueda de plagas
y predadores. Esta actividad requiere un íntimo conocimiento de las
especies de plaga y predador, entender la dinámica de poblaciones
y de la lucha contra las plagas. Y en vista de que el coste de mano
de obra contratada representa el 22% de los costes de producción,
un instrumento que ayude a ahorrar un tiempo precioso en la inspección de las plantas tiene en potencia un claro impacto económico. Si
coincidimos en que un sistema de inspección electrónica (mediante
técnicas ópticas (visión) o de detección de sustancias volátiles) puede
48
Nieves García
ahorrar 0,25 horas en mano de obra por m2 y año en tiempo de inspección, éste aumentaría la capacidad inversora en aproximadamente 5
€/m2.
Tabla 3. Reducción de costes (en €/m2año) y capacidad inversora (en €/m2) 1en el
supuesto de reducción de un suministro en un 10% con respecto a la situación de
referencia: Rosa en invernadero Venlo en Holanda
Componente coste
Reducción en costes Capacidad inversora
energía
Reducción 10%
reducción 10%
0.12
0.60
fertilizantes
pesticidas
Fuente: Euphoros Deliverable 5.
4.13
23.6
0.30
1.50
Tabel 4. La energía requerida por un cultivo de rosas, para una instalación de 11.800
lux on la luz encendida durante 5751 horas, y reduciendo el número de horas para
ahorrar 10% en electricidad.
Luz fotosintética suplementaria
Intensidad
PAR
(lux)
W/m 2
μmol /m2/s
11.800
11.800
148
148
107
107
Número de horas/año luz encendida
hours/año
5751
4919
Gas combi calor-electricidad (0,6 MWe/ha)
m /m /año
92,9
79,4
3
2
Gas caldera
2
m /m /año
8,8
12
Gas total
m3/m2/ año
101,7
91,5
Electricidad requerida para luz
kWh/m2/año
615
526
Electricidad adquirida de red pública
kWh/m /año
270
231
Electricidad vendida
kWh/m2/año
0
0
Consumo neto de energía excl generación
MJ/m /año
4191
3724
Consumo neto de energía incl. generación.
3
2
2
2
MJ/m / año
5533
4873
tallos/m2/ año
250,8
249,0
Energía utilizada
MJ/stem
22,1
Fuente: Vermeulen y García Victoria, 2008, datos 2007, variedad Passion.
19,6
Producción
49
DESARROLLOS DEL PROYECTO PARA INVERNADEROS DE CRISTAL CON CULTIVO DE ROSAS
EUPHOROS desarrollos ensayados en invernaderos en un cultivo
de rosas (Holanda).
Una vez analizada la situación de referencia (el cultivo comercial de rosas en Holanda) y las opciones con un potencial destacable
de reducir suministros (inputs), y en consulta con diversas partes interesadas, se hizo una selección de los desarrollos a ensayar a escala semi-comercial (ver Tabla 5). El más prometedor de ellos era un
nuevo material de cubierta (el vidrio difuso con capa o revestimiento
Anti Reflejo), ya que tenía la potencia de incrementar la transmisividad
de la luz en el invernadero y mejorar la distribución luminosa, y por
tanto potencialmente capaz de mejorar la productividad con idéntica
aportación energética, o incluso posibilitando la reducción del aporte
energético en forma de electricidad. La gran importancia de la energía
como suministro, está claro que éste se convirtió en el ensayo principal en dos invernaderos de 144 m2 cada uno, en los que se estudiaron
al mismo tiempo otros desarrollos con potencial (aún cuando limitado)
de ahorrar en suministros. Cada instrumento se estudió siguiendo un
método apropiado.
El diseño experimental y los resultados de este ensayo principal con el vidrio difuso con capa AR son presentados y discutidos a
continuación. Un resumen de las actividades y resultados de ensayos
con los demás desarrollos son presentados después.
50
Nieves García
Tabla 5. Desarrollos ensayados a escala dee invernadero con un cultivo de rosas en
Bleiswijk, Holanda
Instrumento
/ desarrollo
Especificación
Material de
cubierta de
Invernadero
Vidrio difuso
con capa AR
(GroGlass)
Ahorro de
Impacto económico
Energía
10% menos energía para iluminación suplementaria (de 5700
h a 5130 h.) ahorra 4,13 €/m2
=> 23,6 € capacidad inversora
Reducción de 10% uso pesticidas ahorra 0,30 € /m2 => 1,5 €
capacidad inversora
0,25 h/m2 año mano de obra
ahorrada=> 5 € capacidad
inversora
Detección
precoz de
plagas /
enfermedades
La nariz
electrónica
(Warwick HRI)
Irrigación
precisa
Combinación
sensor-modelo
de transpiración
(WUR PRI)
Agua
Supuestamente 5% de ahorro
en agua por mejora del riego
y detección precoz del estrés
hídrico.
Rockwool
plug en
baldosa
SPU (Grodan)
menos sustrato
Reducción del substrato en un
20% ahorra 0,10 € /m2 año.
Pesticidas
Mano de obra
51
DESARROLLOS DEL PROYECTO PARA INVERNADEROS DE CRISTAL CON CULTIVO DE ROSAS
Incremento de producción gracias al vidrio difuiso con paca R
(6,5%)
El vidrio difuso (figura 3) dispersa la luz directa en el invernadero convirtiéndola en difusa, como por ejemplo en un día nublado.
Este tipo de material contiene macro- o microestructuras, capaces de
transformar una fracción de la luz directa en luz difusa; esta fracción se
llama “el factor haze” y cuantifica el efecto difusor del material. Figura
4 muestra 3 invernaderos con haze de 0%, 30% y 70% respectivamente. Dependiendo de la estructura que dispersa la luz entrante cambia
el ángulo de incidencia. Las estructuras eficientes difunden la luz sin
reducir significativamente la trasmisión de luz a través del material. La
pequeña pérdida de transmisividad causada por la estructura que difunde, puede ser recuperada mediante un revestimiento anti-reflejos.
Figura 3. El vidrio difuso dispersa la luz que entra en el invernadero.
En los últimos seis años Wageningen UR Horticultura en Invernadero ha investigado el potencial de materiales de cubierta difusos
utilizados en invernaderos holandeses (Hemming at al., 2005A; Hemming at al., 2008B). La idoneidad de ciertos materiales de cubierta
de invernadero y sus propiedades ópticas (transmisión PAR: τ–directa
y τ–difusa, haze) se estudió tanto en laboratorio como en la práctica.
Tanto en pepino como en plantas de maceta (Hemming at al., 2005B;
Hemming at al., 2008A) las cubiertas difusas resultaron en una foto52
Nieves García
síntesis más eficiente y en mejor calidad. Los muchos efectos positivos vistos con otros cultivos daban buenas razones para ensayar este
material con el cultivo ornamental más importante y más exigente en
cuanto a energía en Holanda: rosas.
Figura 4. El factor “haze”cuantifica el efecto difusor del material, en este caso vidrio.
De izauierda a derecha: sin haze (0% haze), bajo haze (30% haze) y alto haze (haze
70%). Fotos por Wageningen UR Horticultura en Invernadero .
La cubierta de invernadero con vidrio difuso con revestimiento Anti Reflejo en ambas caras del vidrio fue ensayada durante
un año (ver cuadro para el diseño experimental) con la variedad
Red Naomi! La variedad ocupa el tercer puesto en el Top-5 de variedades más cultivadas (ver Tabla 7) y se caracteriza por su alta
sensibilidad a altas intensidades de luz. Las propiedades del vidrio
utilizado se muestran en la Tabla 6. Después de un año de cultivo,
pudimos concluir que tal como esperado, el vidrio difuso tiene una
influencia positiva en la producción de la rosa cultivada cv. Red
Naomi!: Comparado con el invernadero de referencia (vidrio estándar transparente), en el invernadero con vidrio difuso se registró un
aumento de la producción de 5.2 más flores cosechadas, representando 6.1% más peso fresco. (Este buen resultado es sin embargo
inferior a lo esperado, lo que discutiremos luego). La longitud media
del tallo, el peso unitario, la longitud del botón, así como la vida en
jarrón de las flores después de la cosecha no fueron influenciadas
53
DESARROLLOS DEL PROYECTO PARA INVERNADEROS DE CRISTAL CON CULTIVO DE ROSAS
por el tipo de vidrio utilizado en la cubierta.
El invernadero con cubierta de vidrio difuso con capa AR
modificaba y hacía más regular la luz dentro del invernadero, como
puede verse en la figura 5. En este invernadero se registraban menos picos con valores extremos. En un experimento comparable
que se hizo con tomates también en 2011 (empezó apenas 3 meses después que el de rosas) se hicieron medidas que muestran
que también la distribución horizontal de la luz en el invernadero
con vidrio difuso era más regular y con menos variaciones extremas (ver figura 6).
Figura 5, La luz PAR medida en ambos invernaderos en un día soleado en marzo
2010. El eje x expresa la hora del día, el eje –y indica la intensidad luminosa medida
a lo largo del día. La línea azul es la luz PAR dentro del invernadero cubierto con vidrio normal (referencia) medida con un sensor PAR interior (in mol/m2s). La línea roja
muestra la luz PAR medida por el sensor en el invernadero con cristal difuso. Ambos
54
Nieves García
invernaderos dejaron pasar de media la misma cantidad de luz, pero en el invernadero
con cristal difuso ésta llegó al sensor de forma mucho más constante y regular.
Los productores de esta variedad conocen el fenómeno de que
intensidades luminosas a nivel del botón por encima de 1000 µmol/
m2.s, los botones se calientan demasiado (figura 7), lo que daña la
calidad de la flor. El daño consiste en la quemazón de las puntas de
la hoja y en la aparición de bordes azulados en los pétalos (ver figura
8). Estos problemas de calidad reducen el valor comercial de las rosas y por eso, en los invernaderos comerciales se usan pantallas de
sombreo que reducen la radiación. Una lástima, porque la reducción
de la luz en el invernadero va inevitablemente acompañada de una
reducción del valor comercial.
En nuestro invernadero de referencia, y de acuerdo con los
productores involucrados como asesores del proyecto, adoptamos el
umbral de luz utilizado en la práctica para el cierre de las pantallas
55
DESARROLLOS DEL PROYECTO PARA INVERNADEROS DE CRISTAL CON CULTIVO DE ROSAS
de sombreo, siendo éste 600 W/m2 de radiación externa. En la figura
5 se puede apreciar que con la misma radiación exterior, dentro del
invernadero con vidrio difuso, la PAR máxima medida se sitúa en 200
µmol/m2s por debajo del nivel máximo registrado en el invernadero
con cubierta de cristal estándar o normal. Como consecuencia de esta
diferencia en nivel máximo, el material de cubierta difuso redujo la diferencia entre la temperatura del botón (medido con un termómetro infrarojo manual) y la temperatura del aire (medido con un sensor térmico) (figura 9) en días soleados, así como también redujo el número de
hojas con bordes quemados en el invernadero (datos no mostrados).
Lamentablemente esta reducción no fue suficiente para evitar totalmente el sobrecalientamiento del botón, por lo que el uso de pantallas
sombreadoras seguía siendo necesario. Las propiedades del material
difuso permitieron sin embargo, sombrear menos: En el invernadero
con la cubierta de vidrio difuso con revestimiento AR las pantallas pudieron cerrarse cuando la radiación exterior alcanzó los 700 W/m2,
un umbral 100 W/m2 más alto que en el invernadero de referencia. En
consecuencia, en el invernadero con vidrio difuso, la pantalla solar se
utilizó unas 150 horas menos que en el invernadero de referencia con
el vidrio transparente (0% haze).
Figura 6. Distribución horizontal de la luz en un invernadero con vidrio normal (0%
haze), gráfica superior, y en un invernadero con el vidrio difuso (71% haze) con capa
AR, gráfica inferior, en 2 días soleados consecutivos.
56
Nieves García
Fuente: Dueck, Jansen, Thao, 2011.
Del mes de abril en adelante, las diferencias en el régimen de
sombreo dieron lugar a una diferencia en la integral luminosa acumulada entre ambos invernaderos. Este variaba a nivel diario entre 0 y
1.5 Mol/m2. Hasta el fin del experimento en septiembre, el invernadero
difuso había recibido en total 2,7% más luz que el invernadero de referencia. Si se considera la “regla de la luz” por la cual 1% más de luz =
1% más producción, entonces la luz extra acumulada podría explicar
casi la mitad de la producción extra conseguida en el invernadero con
vidrio difuso con capa AR
.
Figura 7. Imagen térmica de un tallo de rosa a punto de ser cosechado en el invernadero de referencia a las 14:52 en un día soleado. Los colores en el circulo (circle)indican una temperatura media de 30.9 ∘C, (más o menos el mismo color que las hojas
superiores, de color rojizo). Las hojas verdes son capaces de mantener mediante la
transpiración una temperatura (punto- spot) de 22∘C, algunos grados por debajo de
la temperatura ambiente.
57
DESARROLLOS DEL PROYECTO PARA INVERNADEROS DE CRISTAL CON CULTIVO DE ROSAS
Tabla 6. Transmisividad (perpendicular y hemisférica) y haze de los dos materiales de
cubierta utilizados y la transmisividad de luz de los invernaderos cubiertos con cada
material.
Material
τ Perpendicular τ Hemisférica
Haze τ invernadero
Referencia (normal)
90
83
0
59
Difuso con capa AR
93
83
72
60
La obligación de controlar la temperatura del botón y de la hoja
mediante pantallas solares implica un desperdicio de luz natural (gratuíta). Un método alternativo que en combinación con el vidrio difuso
permitiese un mejor control de la temperatura del botón sería preferible. Por ello, a nivel de planta (que no a nivel de todo el cultivo en el
invernadero) estuvimos experimentando con ventilación alrededor del
botón. Con un ventilador manual que suministraba una corriente de
58
Nieves García
aire de 1 m/s, después de 4 minutos de ventilación, pudimos ver que
la temperatura del botón disminuía con 4 a 5 ∘C con respecto a la temperatura de antes de mover el aire.
En nuestro experimento con rosas bajo una cubierta de vidrio
difuso con capa AR en ambos lados del cristal no pudimos medir diferencias en la velocidad de fotosíntesis entre ambos invernaderos
en ninguno de los tres momentos en que se hicieron determinaciones
(Noviembre, Enero y Mayo). La fotosíntesis fue determinada en ambos
tipos de tallos, los verticales (tallos de cosecha) y los horizontales (la
“fábrica”, “agobio” o “pulmón”) (figura 10). En días con muy alta radiación ha sido demostrado (Dueck, Janssen and Thao, 2011) que bajo el
vidrio difuso (haze 71%), el efecto fotoinhibidor de las altas intensidades luminosas es considerablemente inferior al observado bajo vidrio
normal (haze 0%).
Figura 8. Daños causados al cultivo como consecuencia del sobrecalentamiento (local). Izquierda, puntas de hojas quemadas. Derecha: bordes azulados aparecen en
los pétalos. El uso de pantallas de sombreo a altos niveles de radiación ayuda a controlar el daño. El vidrio difuso con capa AR ayudó a controlar su incidencia permitiendo
por tanto el sombreo a intensidad más elevada.
59
DESARROLLOS DEL PROYECTO PARA INVERNADEROS DE CRISTAL CON CULTIVO DE ROSAS
Figura 9. El vidrio difuso redujo durante el período soleado la diferencia entre la temperatura del botón (medido con un termómetro IR manual) y la temperatura del aire
(medida con un sensor de temperatura).
El vidrio difuso con capa AR en el cultivo de rosas: económicamente viable y un desarrollo que reduce el impacto ambiental.
Con el aumento obtenido en producción de rosas (5.2 % más
tallos de igual o algo mejor calidad) el vidrio estudiado (Vetrasol 503
templado, con un revestimiento Anti Reflejo en ambos lados del vidrio, aplicado mediante tecnología especial por GroGlass, partner de
EUPHOROS) es económicamente viable (Ruijs et al., 2011), según
calculado, ya que un aumento en la producción del 1,5 % ya permite financiar la inversión necesaria para la adquisición de este tipo de
vidrio y recuperarla en un periodo de 4 años (Cálculos realizados en
base a la estimación de precio suministrada por los proveedores).
A pesar de que la producción del vidrio difuso con capa AR requiere un
consumo de electricidad extra, el análisis medioambiental (Torellas et
al, 2011, ver capítulo 6) permite observar que con el aumento de producción obtenido (los cálculos se hicieron con un 5%) este desarrollo
60
Nieves García
conlleva un obvio beneficio en la reducción del impacto medioambiental del sistema de producción. En términos de impacto medioambiental
el aumento de producción compensa la energía extra necesaria para
la producción del vidrio difuso comparado con el standard. El impacto
medioambiental se redujo en un 4.6% en todas las categorías de impacto consideradas.
Figura 10. La estructura de las plantas de rosas montrando los dos niveles de cultivo
en los que se determinó la fotosíntesis.
Tacos de lana de roca y bloques más pequeños reducen volume
de substrato.
Las plantas de rosa (Rosa hybrida cultivar ‘Red Naomi!’) para
el ensayo principal EUPHOROS en Bleiswijk (el experimento anteriormente descrito con los dos tipos de vidrio de cubierta, normal y difuso
con capa AR) se propagaron mediante esquejes usando el método de
Sincronización (Van Telgen et al., 2003) de Wageningen UR Horticultura en Invernadero. Como sustrato se usaron pequeños tacos de lana
de roca (Grodan). Una vez que las plántulas enraizaron, fueron transferidas a unos “ladrillos” de lana de roca perforados (en los que cabe
61
DESARROLLOS DEL PROYECTO PARA INVERNADEROS DE CRISTAL CON CULTIVO DE ROSAS
justo el taco con la planta enraízada) llamados SPU (single production
units, o unidad de producción individual, Grodan) de 24x20x7,5 cm
con 2 plantas por bloque o ladrillo (Figura 11, izquierda). La situación
de referencia (práctica comercial normal, figura 11, derecha) consiste
en +/- 4 bloques de lana de roca de 10x10x10 o 7,5x10x10 usados
durante la propagación, que se sitúa sobre una plancha de sustrato
(100x12x7,5 cm) también de lana de roca (Grodan). El sistema utilizado ahorra 20% de substrato comparado con el sistema comercial (la
referencia).
El tamaño reducido de la unidad con dos plantas también permite el precultivo (o propagación prolongada) de las plantas a una mayor densidad de plantación y el transporte de las plantas en estadio
casi productivo plantas (figura 12) al invernadero experimental.
Figura 11 Izquierda. plantas enraízadas después de plantarlas en los SPU (Grodan);
derecha: el sistema de referencia (traditional).
62
Nieves García
Figura 12: plantas casi productivas después de la propagación prolongada a alta densidad, son trasladadas a los invernaderos donde se realizará el ensayo.
La evaluación económica (Ruijs et al., 2011) muestra que la reducción del volumen de substrato mediante taco+ SPU redunda en un
beneficio económico de sólo 0,10-0,16 €/m2 dependiendo del tamaño
escogido. Un análisis de la sensibilidad del precio del substrato revela
que el ahorro total (diferencia entre el coste anual entre ambos métodos) no se ve muy afectado debido a que las rosas se suelen plantar
por un período de 4 años.
El análisis del impacto medioambiental (Torrellas et al., 2011,
capítulo 6) confirma que el ahorro en el volumen del susstrato conlleva
una significante reducción del impacto causado por los equipos auxiliares (20.6% en demanda de energía acumulada) pero su impacto
es muy limitado en el sistema de producción total (4.8%). Este tipo de
resultados no contribuirán a la motivación del agricultor para implementar con menor impacto ambiental, especialmente en el caso de
que la implementación de las misma implican un esfuerzo adicional en
su compleja práctica agrícola. Sin embargo, la reducción del volumen
de substrato debe ser estimulada como uno de los muchos esfuerzos
necesarios para la consecución de una horticultura europea respetuosa con el medio ambiente.
63
DESARROLLOS DEL PROYECTO PARA INVERNADEROS DE CRISTAL CON CULTIVO DE ROSAS
El seguimiento de la transpiración mediante una combinación
modelo-sensor requiere una mejor adaptación del modelo.
En el experimento con rosas en Bleiswijk se instalaron en cada
invernadero dos bandejas de cultivo conectadas a sendas balanzas
de precisión, de 2 m de longitud cada una con el objeto de hacer un
seguimiento continuo (el peso se registraba cada 2 minutos) de la
transpiración. Los datos de transpiración pueden compararse con un
modelo de transpiración y las desviaciones reales con respecto al modelo pueden ayudar al cultivador a detectar estrés hídrico accidental.
La transpiración en ambos invernaderos (uno con vidrio difuso y el otro
con vidrio normal) fue durante todo el período muy similar. Las diferencias parecen deberse a diferencias en el manejo del sombreo más que
a diferencias en el material de cubierta.
Experimentos previos realizados por Steven Driever dentro del
marco de Euphoros (2010-2011) demostraron que el modelo de transpiración de tomate de Stanghellini y los datos recogidos por bandejas
de pesaje diferían bastante, como puede apreciarse en la figura 13.
Había una seria desviación entre la transpiración calculada y la medida en la mayoría de los días, mayor de lo que cabría esperar.
Rose, June 9th, 0:00 hour -June 16th, 23.59 hour, LAI=2, �=0.6, rb=150, MA=30 min.
600
Model CS
ProDrain
Transpiration (gm-2h-1)
500
400
300
200
100
0
64
0
20
40
60
80
100
Time (hours)
120
140
160
180
200
Nieves García
Figura 13. Transpiración de un cultivo de rosa en un invernadero comercial, calculada
con el modelo Stanghellini (Model CS, línea azul) y medida con el sistema de pesaje
(Pro Drain, línea roja) en el período 9 al 16 de junio de 2010. Fuente: Driever et al.
2011. Euphoros deliverable 18.
La hipótesis para explicar la discrepancia observada era que
la resistencia estomática de las rosas se comporta de forma diferente
a la radiación que la de tomates. De la figura 13 se deduce que la
transpiración calculada reacciona mucho más rápido al incremento o
el decrecimiento de la radiación que la transpiración registrada. Por
tanto, la resistencia estomática (rs ) de las rosas debería ser función de
la radiación neta con una recta mucho menos inclinada, por ejemplo
como la mostrada en la figura 14.
Stomatal resistance rose
1000
rs , standard
rs , modified
900
800
700
rs
600
500
400
300
200
100
0
50
100
150
200
Net radiation (Wm-2)
250
300
350
400
Figura 14. Relación entre la radiación y la resistencia estomática (rs) como utilizada
previamente (rs, estandar, línea azul) y tras su modificación (rs, modificada, línea roja)
Fuente: Driever et al. 2011. Euphoros deliverable 18..
65
DESARROLLOS DEL PROYECTO PARA INVERNADEROS DE CRISTAL CON CULTIVO DE ROSAS
Esto altera la función de la resistencia estomatal a la radiación
y por tanto la transpiración calculada resultante. Cuando esta nueva
función de la resistencia estomatal fue aplicada, la resistencia calculada mostraba valores mucho más similares al compararlo con la transpiración medida, como se puede apreciar en la figura 15. Con esta
nueva función para la resistencia estomatal, la combinación modelosensor para registrar la transpiración podría usarse en ambos cultivos,
tomate y rosas, auque tiene a sobreestimar la transpiración de rosas.
Tomatoe, June 9th, 0:00 hour -June 16th, 23.59 hour, LAI=2, �=0.6, rb=200, MA=30 min, Rs modified.
500
Model CS
450
ProDrain
400
Transpiration (gm-2h-1)
350
300
250
200
150
100
50
0
0
20
40
60
80
100
Time (hours)
120
140
160
180
200
Figura 15. Transpiración de un cultivo de rosas en un invernadero comercial, calculada con el modelo Stanghellini después de modificar la relación radiación -resistencia
estomática (Modelo CS, línea azul) y registrado con el sistema de bandejas de pesaje
(Pro Drain, línea roja) en el período 9 al 16 de junio de 2010. Fuente: Driever et al.
2011. Euphoros deliverable 18.
En el momento de escribir este capítulo, un estudiante post-doc trabaja, de acuerdo con los resultados preliminares obtenidos por Driever
y monstrados en las líneas anteriores, en una versión adaptada del
modelo de transpiración de tomate Stanghellini para rosas. La principal
adaptación es el uso de valores empíricos para la conductividad esto-
66
Nieves García
matal y el índice de área foliar obtenidos durante determinaciones de
fotosíntesis en el ensayo de rosas.
Detección electrónica de plagas/enfermedades en rosas: prometedor pero no implementable aún.
Varias técnicas para la detección electrónica de plagas y enfermedades en invernaderos han sido consideradas por Warwick HRI y
estudiadas, en un espectro que iba desde métodos moleculares indirectos en laboratorio hasta métodos directos y en tiempo real de imágenes y detección de sustancias volátiles. En base a estudios preliminares en Inglaterra, los estudios en invernaderos comerciales y semi
comerciales en rosas se centraron en dos técnicas para la detección
de sustancias volátiles: la nariz electrónica, (figura 16) y el FAIMS (figura 17). Ambos fueron ensayados en condiciones de laboratorio, en
invernaderos comerciales y también en el invernadero con el ensayo
de rosas en Bleiswijk. A nivel de laboratorio se obtuvo un alto nivel de
detección de enfermedades, pero en el ambiente comercial los instrumentos no llegaron a alcanzar más de un 86% de precisión a la
hora de distinguir muestras de plantas infectadas o con plagas. Los
ensayos en el laboratorio prueban la validez de la tecnología en condiciones estrictamente controladas; sin embargo, los instrumentos no
son lo suficientemente fiables todavía en el mundo real. El ambiente
de cultivo real presenta aún demasiados factores variables por lo que
el paso del laboratorio a la práctica aún no es posible.
67
DESARROLLOS DEL PROYECTO PARA INVERNADEROS DE CRISTAL CON CULTIVO DE ROSAS
Figura 16. Nariz electrónica (Cyranose 320), conectada a un PC para procesamiento
contínuo de datos en el cultivo de rosas. El aparato necesita 5 minutos para analizar
una muestra y tiene una autonomía (batería) de sólo una hora. Aunque muestra una
precisión aceptable en la detección de plagas, la velocidad y la autonomía necesitan
ser mejoradas para su implementación.
Para suministrar un sistema de alerta de plagas y enfermedades a la indrustria de cultivo de rosas basado en biosensores se necesita desarrollar los sistemas disponibles en varios puntos; por nombrar
algunos de ellos: integración del instrumento con un software inteligente que ayude a interpretar los datos, y mejora de los protocolos de
muestreo para obtener muestras rápidas y consistentes. El tiempo por
muestra actual, de aproximadamente 1 minuto, es demasiado largo
para la industria. Una reducción del tiempo de muestreo sólo podría
ser factible mediante el FAIMS, utilizando valores patrón. Tales desarrollos son mejoras normales llevadas a cabo por los fabricantes
una vez que éstos introducen un producto en la industria. El sector
hortícola y la industria pueden complementase para impulsar estos
desarrollos en un futuro próximo.
68
Nieves García
Figura 17. FAIMS Lonestar con procesado de datos no simultáneo. Aunque la precisión en la discriminación entre plantas sanas e infectadas era bastante alta (96%), su
tamaño real y el tiepo necesario para el análisis (5 minutos) lo hacen inadecuado para
la detecci on electrónica de plagas en un invernadero comercial. Ambos necesitan ser
mejorados para permitir su implementación en la práctica.
69
DESARROLLOS DEL PROYECTO PARA INVERNADEROS DE CRISTAL CON CULTIVO DE ROSAS
Agradecimientos
Gracias a todos los que habeis contribuído en una forma u otra a la
evaluación de desarrollos Euphoros con aplicación en el cultivo de
rosas en Holanda.
• Compañeros en WUR horticultura de invernaderos
• Cecilia Stanghellini
• Frank Kempkes
• Tom Dueck
• Peter van Weel
• Nico van Mourik
• Peter Lagas
• Yafei Zhao
• Mary Warmenhoven
• Vida Mohammadkhani
• Rozemarijn de Vries
• Barbara Eveleens
• Jan Willem de Vries
• Peter Schrama
• Gerard Van der Broek
• Rob Pret
• Hugo Godron
• Jan Janse
• Peter Lagas
• Vida Mohammadkhani
• Li Thao
• Johan van der Eijk
• Margreet Bruins
• Steven Driever
• Marc Ruijs
• Eric Poot
• Silke Hemming
• Juliette Pijnakker
• Ada Leman
70
Nieves García
Organismos financiadores y proveedores
• Ministery EL&I
• Asociación holandesa de Productores hortícolas PT
• GroGlas, Glascom, HoGla, Guardian, Grodan
• Cultivadores y otras partes involucradas.
• Marc van der Drift
• André van Marrewijk
• Richard van der Lans
• Edwin van der Knaap
• Ad Schapendonk
Partners en el proyecto Euphoros
• Marta Torrellas
• Juan Ignacio Montero
• Assumpció Antón
• Esteban Baeza
• Juan Carlos López
• Daciana Ilescu
• Richard Napier
• Sacha White
• Ad de Koning
• Alberto Pardossi
• Luca Incrocci
• Juris Oleiniks
• Áron Balint
71
DESARROLLOS DEL PROYECTO PARA INVERNADEROS DE CRISTAL CON CULTIVO DE ROSAS
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75
ENERGIA Y VENTILACION
Esteban Baeza
Universidad de Almería
Juan Ignacio Montero
IRTA, Cabrils, Barcelona
PARTE 1.
POSIBILIDADES DE UTILIZACIÓN DEL
ALMACENAMIENTO TÉRMICO
1.1. Introducción
En las últimas décadas se ha producido una escalada en la
dependencia de productos de invernaderos de hortaliza (y ornamentales). Esto ha dado lugar a un enorme aumento de la producción que ha
sido lograda mediante la intensificación (productividad por unidad de
área) en los Países Bajos [Centro/Norte de Europa] y a un aumento de
la superficie de producción en climas templados como los de la región
mediterránea. Como ejemplo, la productividad en Holanda de tomate
tipo suelto ha aumentado alrededor de un 2% anual, desde 42 kg/m2
en 1990 (Ruijs et al., 2001) hasta 64 kg/m2 in 2010 (Vermeulen, 2010)
77
ENERGIA Y VENTILACIÓN
en una superficie que se ha mantenido prácticamente constante en las
11000 ha. Por otra parte en España la superficie de invernaderos ha
pasado de las 28000 ha. en 1990 hasta las más de 45000 ha. en 2007,
concentradas fundamentalmente en el sur de España. En la región
mediterránea el aumento del área productiva y no de la productividad
se explica por la limitación de medios en el control del ambiente en los
invernaderos de bajo coste y nivel tecnológico propios de la zona.
Sin embargo los dos desarrollos son insostenibles: el sector de
invernaderos en los Países Bajos depende de enormes cantidades de
energía para garantizar ese clima perfecto que asegura esas producciones (1/3 de los costes de producción para el típico productor, y el
7% del consumo total nacional de gas (Euphoros consortium, 2010),
mientras que el plástico cubre más del 33% de la extensión de 4 municipios en la provincia de Almería y más del 20% de la superficie total
provincial (Fernandez Sierra & Perez Parra, 2004). El gobierno neerlandés ha exigido al sector de invernaderos que reduzcan el uso de
energía en un 2% anual, mientras que en España la productividad deberá aumentar, sin aumentar la dependencia de recursos. Hay un amplio margen para aumentar la productividad. La exigencia consiste en
encontrar un buen compromiso financiero entre las altas inversiones
a realizar en estructuras de invernadero y equipos y su rendimiento
económico, sin que ello requiera de un aumento notable en el uso de
inputs, especialmente la energía, lo que constituye la principal ventaja
de la mayoría de los invernaderos de la zona mediterránea (Castilla,
2003).
A pesar de lo que parece, las soluciones que se buscan tanto
para los invernaderos del norte como para los del sur se basan en un
mismo principio que es hace un mucho mejor uso de la energía solar. El invernadero es por definición un colector solar (i.e. Garzoli and
Shell, 1984), en el que solamente una pequeña fracción de la energía
interceptada por el invernadero (radiación solar) se transforma por el
proceso fotosintético en materia seca. A lo largo del año el invernadero
capta de dos a tres veces la energía necesaria para calentarlo durante
78
Esteban Baeza - Juan I. Montero
el invierno (Heuvelink et al., 2008; Bot, 1994). El exceso de energía
almacenado en el invernadero en forma de calor sensible y latente
(vapor de agua transpirado por las plantas) se pierde por ventilación
(normalmente ventilación natural) que es la manera más barata y fácil de enfriar el invernadero, tanto en latitudes septentrionales como
meridionales. Por lo tanto toda la energía evacuada a través de las
ventanas del invernadero no se almacena y no está disponible para
calentar el invernadero cuando sea necesario durante el invierno.
En los invernaderos mediterráneos la mejora del manejo de la temperatura durante el invierno se puede conseguir con distintos métodos.
Técnicas pasivas como mejorar la capacidad del suelo para almacenar calor durante el día (por ejemplo acolchado), y el empleo de distintos tipo de pantallas térmicas fijas o móviles para reducir las pérdidas
de calor, son adoptadas con frecuencia en invernaderos del norte y
mediterráneos, siendo hoy en día la combinación óptima y manejo de
estas técnicas objeto de investigación.
Si el exceso de energía pudiera almacenarse (almacenamiento
térmico), habría menos o no habría necesidad de ventilación natural,
y la energía recuperada podría ser utilizada cuando fuese necesario
(concepto de invernadero cerrado). Algunas tecnologías sugeridas
para el almacenamiento de calor son los tanques de agua, acuíferos subterráneos (Heuvelink et al., 2008; Opdam et al., 2005), el suelo (Mavroyanopoulos & Kyritsis, 1986), o materiales cambio de fase
Öztürk, 2005; Kürklü, 1998). Dado que la entrada anual de radiación
solar excede con mucho la necesidad de calefacción, un invernadero
completamente cerrado (sin ningún tipo de ventilación) con almacenamiento estacional produciría un exceso de calor que podría ser utilizado en otros edificios (Bakker et al., 2008).
Cerrar el ciclo del aire en un invernadero (reducir ventilación)
añade otros beneficios desde un punto de vista ambiental. Una ventilación reducida permite incrementar la concentración de CO2 hasta 1000
ppm, lo que puede aumentar el rendimiento productivo en un 22% (De
Gelder et al., 2005). Además, esa limitación de la ventilación reduce la
79
ENERGIA Y VENTILACIÓN
necesidad de control químico por la disminución del riesgo de contaminación desde el exterior. Van Os et al. (1994) calcularon que el 30-50%
de los pesticidas aplicados salen del invernadero vía ventilación. Otra
gran ventaja de limitar la ventilación es el menor consumo de agua,
que puede reducirse hasta en un factor 10.
En los Países Bajos ya existen invernaderos comerciales que
utilizan los acuíferos como depósitos de calor (depósito frío y caliente)
combinados con el uso en el interior del invernadero de bombas de
calor, torres de enfriamiento e intercambiadores de calor de alta eficiencia. En los veranos mediterráneos, un invernadero cerrado supondría altas necesidades de enfriamiento y por tanto un elevado coste
en caso de tener que dimensionar un sistema de enfriamiento. Es por
ello por lo que se introduce el concepto de invernadero semi-cerrado.
El porcentaje de tiempo en el que la ventilación no es necesaria sería
un indicador de la tasa de cierre. La diferencia entre un invernadero
cerrado y uno semicerrado es que el primero tiene una tasa de cierre
del 100%, mientras que el segundo presenta una tasa menor.
El reto que se nos plantea consiste en desarrollar un método
que permita el cálculo y el diseño de un sistema viable tecnológicamente que basado en el uso de almacenamiento térmico del agua en
el mediterráneo optimice el uso de la energía y permita mantener el
invernadero cerrado durante la mayor parte del ciclo productivo. Por
ello, el primer paso que se ha dado consiste en desarrollar un modelo
de invernadero en una hoja de calculo que sea capaz de estimar las
necesidades de calentamiento y enfriamiento y en el diseño del sistema de almacenamiento térmico.
1.2 HortiAlmeria: un modelo de energía y clima en invernadero
El modelo está basado en el modelo de energía en invernadero Horticem, desarrollado por Jolliet et al. (1991) e incluye el tratamiento que
se hace a la humedad y transpiración en el modelo Hortitrans (Jolliet,
1994). Predice la temperatura del aire y la humedad, estima las ne-
80
Esteban Baeza - Juan I. Montero
cesidades de calefacción y ventilación mecánica, y el agua consumida por enfriamiento evaporativo. La transpiración de un cultivo de
tomate se puede estimar utilizando tanto un modelo desarrollado en
la Estación Experimental de la Fundación Cajamar o utilizando el modelo Hortitrans. El modelo incluye el almacenamiento a corto plazo de
energía evacuado por enfriamiento mecánico para el posterior calentamiento. El modelo también incluye módulos que estiman la energía
disponible a partir del viento incluyendo el almacenamiento de calor y
la energía solar (fotovoltaica). Se incluye un modelo fotosintético para
tomate que permite valorar la rentabilidad del enriquecimiento carbónico. A pesar de que el modelo es de estado estacionario, se incluyen
predicciones de la transferencia de calor a y desde el suelo en base
a las medidas realizadas en la Estación Experimental de la Fundación
Cajamar. El modelo calcula los valores horarios de las condiciones
del invernadero y de los inputs de control en función de los valores
horarios de temperatura del aire, humedad relativa, radiación solar y
velocidad del viento externas, y un valor para la temperatura de cuerpo negro del cielo. El modelo está implementado en Excel.
La estructura del modelo se muestra en la Fig. 1. El modelo
ambiental precisa de datos meteorológicos y datos para caracterizar
el invernadero, el cultivo y los ajustes del control ambiental El modelo
interacciona con módulos que determinan la calefacción o enfriamiento necesario para crear el ambiente deseado. La energía retirada por
enfriamiento mecánico puede ser almacenada y utilizada para calefacción. Juntos forman un modelo completo que predice las entradas en
el invernadero y el ambiente creado.
Los módulos externos para la energía del viento, la electricidad
fotovoltaica y el enriquecimiento carbónico están ligados al modelo
principal únicamente para obtener los datos de entada que cada uno
de ellos precisa. Los parámetros que cada módulo necesita se introducen en la zona de la hoja de cálculo en donde el módulo está localizado y donde se muestran los resultados. El modelo principal está
en el archivo Excel HortiAlmeria.xls y las aplicaciones en el archivo
81
ENERGIA Y VENTILACIÓN
Applications.xls.
Heating
Weather data
Greenhouse parameters
Control set point values
Crop data
Environment
Model
Heat storage
Mechanical cooling
Ventilation
Evaporative cooling
Wind energy & heat store
Photovoltaic electricity
CO2 enrichment
Fig. 1. Estructura del modelo de invernadero
1.3 Invernadero semicerrado: comentarios sobre el diseño y estimaciones de comportamiento de un sistema de almacenamiento
térmico de agua.
El análisis se hizo con el modelo de invernaderos HortiAlmeria
y con las siguientes condiciones:
Datos meteorológicos de Almería del 1 agosto 2004 a 31 Mayo 2005
(semanas 1 a 44).
Invernadero con 6 túneles de 8 m. de 20 m. de longitud, 4 m. a la canal, ángulo de cubierta 30º.
Cultivo de tomate con LAI=3, se asume en estado estacionario.
Intervalo del modelo 1 hora
Transferencia perfecta de energía entre el invernadero y el depósito
de energía, no hay restricciones a los coeficientes de transferencia de
energía y no hay pérdidas desde el depósito.
82
Esteban Baeza - Juan I. Montero
Concentración de CO2 en el invernadero 1000 vpm durante el día, excepto cuando se precisa ventilación 380 vpm.
Temperatura de calefacción12ºC, temperatura de ventilación 27ºC.
Transmisión de luz del invernadero 75%.
Pantallas de sombreo del 30% (cuando se emplea)
Precios: propano 0,8 €/kg, electricidad 0,2 €/kWh, CO2 0,18 €/kg, tomates 0,6 €/kg, producción 15 kg/m2.
1.3.1 Uso durante el invierno
1.3.1.1 Un depósito de energía sin bomba de calor
Utiliza un único depósito de calor que proporciona agua para
enfriar el invernadero. Durante el día la temperatura del invernadero
aumenta y se reduce la tasa de enfriamiento. Por la noche el agua
caliente se utiliza para calentar el invernadero lo que reduce la temperatura del agua de tal manera que el depósito podrá enfriar al día
siguiente. El sistema de enfriamiento en el invernadero actúa tanto
para enfriar como para calentar.
a) Depósito de energía. La influencia de la capacidad del depósito de
energía sobre la energía disponible para calefacción se muestra en la
Fig.5. El tamaño óptimo del depósito es de 3 a 4 MJ/m2, que proporcionan del 83 al 87% de la energía necesaria para calentar un cultivo
de tomate de ciclo largo en la campaña 2004/05.
Residual heat demand, MJ/m2
300
250
200
150
100
50
0
0
1
2
3
4
5
6
7
Energy store capacity, MJ/m2
Fig 5. Influencia de la capacidad de almacenamiento de energía sobre la demanda de
calor de un invernadero experimental.
83
ENERGIA Y VENTILACIÓN
El invernadero cubre una superficie de 960 m2, por lo que la capacidad del depósito de energía será de 3,5 x 960 = 3360 MJ. Utilizando agua como medio para el almacenamiento de calor y asumiendo
una diferencia de temperatura entre el depósito lleno y vacío de 15 ºC,
se necesita un depósito con un volumen de 46 m3. Para un depósito
cilíndrico las dimensiones podrían ser:
Altura2 m.
Diámetro
5,8 m.
En el inicio solo se calentará y enfriará un compartimento del
invernadero. En un tanque de este diámetro la profundidad de agua
necesaria para un invernadero será de 0,33 m.
b) Aislamiento del depósito de calor
La transferencia de calor desde la superficie del tanque estando lleno será aproximadamente 100 W/K, asumiendo que el tanque no
esté expuesto al sol. Habrá ganancia de calor cuando la temperatura
del depósito sea menor que la del aire y viceversa. Las simulaciones
han mostrado que el aislamiento del tanque puede reducir las necesidades de calor de 108.5 a 99.8 MJ/m2 (reducción del 6%) pero también
reducen el beneficio del enriquecimiento carbónico de 0.54 a 0.52 €/
m2 (reducción del 3%).
1.3.1.2 Bomba de calor con depósitos de energía frío y caliente.
Este sistema usa un depósito frío para absorber la energía de
enfriamiento del invernadero y un depósito caliente para la calefacción. La energía se transfiere del frío al caliente con una bomba de calor que trabaja siempre que el depósito frío no esté vacío y el depósito
caliente no esté lleno.
a) Bomba de calor
La potencia necesaria (Qp) necesaria para el funcionamiento de la
84
Esteban Baeza - Juan I. Montero
bomba de calor es:
Qp = Qd/COP
(1)
en donde Qd is la energía distribuida al depósito caliente y COP es el
coeficiente de funcionamiento de la bomba de calor
(2)
En la práctica COP se puede expresar como:
COP = η 0.5 (Th + Tc) / (Th + ΔTh – (Tc - ΔTc))(3)
en donde η es un factor de eficiencia, Th y Tc son las temperaturas absolutas de los depósitos frío y caliente, y ΔTh y ΔTc son las diferencias
de temperatura asociadas al condensador de la bomba de calor y a
los evaporadores de los intercambiadores de calor. COP alcanzará su
máximo cuando el denominador de la ecuación se haga tan pequeño
como sea posible. El coste de operación de la bomba de calor está
directamente relacionado con su consumo de energía (Qp).
b) Capacidad del depósito de calor
La Fig. 6 muestra el efecto de la capacidad del depósito de
energía sobre el consumo de energía del invernadero, incluyendo la
energía de funcionamiento de la bomba de calor y la que es necesaria
para cubrir los déficits de la energía disponible en el depósito.
Las dos curvas son para dos tamaños diferentes de la bomba
de calor, que transferirán calor entre el depósito frío y caliente a distintas velocidades. La energía empleada en el funcionamiento de la
bomba de calor se obtuvo utilizando la Ec (1) con valores COP de 4
y 8. El segundo es más elevado de lo habitualmente empleado en el
calentamiento de espacios pero así se adoptó por las pequeñas posibles diferencias de temperatura co las unidades intercambiadoras de
calor. La Ecuación (1) muestra que el producto COP x Qp es la energía
distribuida al depósito caliente. Para las condiciones de este análisis la
última es una constante (igual a 32 W/m2) definida por las condiciones.
Si COP es 6 la potencia necesaria será 32/6 = 5,3 W/m2.
85
ENERGIA Y VENTILACIÓN
300
Energy, MJ/m2
250
200
150
100
50
0
0
1
2
3
4
5
6
7
Energy store capacity, MJ/m2
COP4, HPpower 8W/m2
COP8, HPpower 4W/m2
Fig. 6. Efecto de la capacidad del depósito de energía sobre la demanda de calor del
invernadero experimental
El coste de la energía con el sistema de bomba de calor es
el coste de la electricidad que se emplea en el funcionamiento de la
bomba de calor más el coste del gas que proporciona el calor que no
puede aportar el depósito caliente. La Fig. 7 muestra los costes de
energía para:
• Invernadero de referencia-con una calefacción convencional de propano
• Invernadero con un depósito de energía de 3,5 MJ/m2
• Invernadero con las dos diferentes bombas de calor
La tasa de fuga de aire se calculó en 0.5 + 0,25w renovaciones por
hora. Los costes de energía no incluyen los costes de operación de
ventiladores y bombas necesarios para la captación de calor y reutilización en (ii) e (iii). Es probable que ambos costes sean similares para
ambas opciones.
86
Esteban Baeza - Juan I. Montero
7
6
Cost, Euro/m2
5
4
3
2
1
0
0
5
10
15
20
Heat pump power, W/m2
Reference
Tot COP4
Tot COP8
Single store
Fig.7. Coste de energía para calefacción
1.4. Enriquecimiento carbónico
El enriquecimiento carbónico será ampliamente tratado por
otros docentes de este curso por lo que sólo será brevemente mencionado en este capítulo.
Cuando el sistema de enfriamiento proporciona suficiente enfriamient
o y ventilación no es necesario aumentar la concentración de CO2 a
1000 vpm. Si la necesidad de enfriamiento supera la capacidad del
enfriador, entonces la ventilación proporciona todo el enfriamiento y el
nivel de CO2 se igualará a la concentración exterior de 380 vpm.
La Fig. 8 muestra el efecto de la capacidad del depósito de
energía (opción depósito único de energía) en la cantidad de fotosíntesis neta durante todo el periodo. Se asume que la producción de
tomate será igual a la fotosíntesis neta total lo que sugiere un aumento
del rendimiento potencial de aproximadamente el 8%.
87
ENERGIA Y VENTILACIÓN
14.6
Net CO2 assimilated, kg/m2
14.4
14.2
14.0
13.8
13.6
13.4
13.2
0
1
2
3
4
5
6
7
Energy store capacity, MJ/m2
Fig. 8. Aumento de la asimilación neta de CO2 al incrementarse la capacidad del
depósito de energía
El enriquecimiento de CO2 está muy fuertemente influenciado
por la tasa de fuga de aire y también por la transmisión de radiación
solar. Las tasas de renovación mostradas resultan de tasas de fuga de,
respectivamente, cero, 0.125+0.0625w, 0.25+0.125w, 0.375+0.1875w
y 0.5+0.25w en donde w = velocidad del viento. Para tasas de fuga
mayores que 0.25+0.125w intercambios por hora el aporte de CO2 no
parece rentable con los precios actuales de CO2 y tomate. Este diagrama pretende únicamente mostrar los cambios asociados al enriquecimiento cuando el invernadero está cerrado en periodos en los que la
energía puede ser recogida y evacuada del invernadero y por tanto
eliminar la ventilación. La condición de referencia es un invernadero
sin captación de calor para el que el enriquecimiento carbónico es sólo
posible en las horas del día cuando la ventilación no es necesaria. A
este respecto hay pocas diferencias entre invernaderos con un 65%
(0,65) y un 75% (0,75) de transmisión de luz. Cuando se utiliza la recuperación de calor, el mayor beneficio se obtiene en el invernadero con
un 65% de transmisividad, consecuencia de las mayores necesidades de enfriamiento del invernadero con mayor transmisividad de luz.
Dado que el calor recuperado es fijado por la demanda de calefacción
88
Esteban Baeza - Juan I. Montero
del invernadero, el tiempo de enriquecimiento se reduce en el invernadero con mayor transmisividad de luz.
80
60
Profit, cts/m2
40
20
0
-20
0
10000
20000
30000
40000
-40
-60
-80
-100
Total leakage, m3/m2
0.75 no store
0.65 no store
0.75 storage
0.65 storage
Fig. 9. Efecto de la transmisividad de luz y estanqueidad sobre el beneficio asociado a enriquecimiento carbónico
1.5 Parámetros de diseño:
Unidades de intercambio de calor enfriamiento/calefacción
1.5.1 Número de intercambiadores de calor necesarios
La información obtenida sobre el funcionamiento de los intercambiadores de calor fueron las tasas de transferencia de calor (W/K)
para máximo enfriamiento y calefacción (400 W potencia ventilador) y
75% de los caudales máximos (150 W potencia ventilador). En funcionamiento, la velocidad de los ventiladores y el caudal de agua desde
los depósitos de energía se varían para ajustar el resultado a las necesidades de enfriamiento y calefacción.
89
ENERGIA Y VENTILACIÓN
Net heat required, kWh/m2 .
12
10
8
6
4
2
0
0
2
4
6
8
10
12
Energy store, MJ/m2
1 Fiwihex
2 Fiwihex
3 Fiwihex
4 Fiwihex
5 Fiwihex
Fig.10. Número de intercambiadores de calor necesarios en 160 m2 en el invernadero
experimental. Por tener información limitada el análisis se redujo a determinar el número de unidades necesarias en el invernadero.
La Figura 10 muestra como la energía adicional de calefacción
que necesita el invernadero depende del número de intercambiadores
de calor por túnel (160 m2). La mayor parte del beneficio potencial se
obtiene empleando tres unidades. La figura también muestra que el
tamaño óptimo del depósito de calor debe ser superior que el valor de
3.5 MJ/m2 deducido de la Fig. 5.
Durante el verano, la energía recuperada del invernadero en
el día y que no se necesita para calentar de noche debe ser disipada
para permitir que el depósito de energía admita más energía al día
siguiente. Durante el verano no se precisa calefacción así que toda la
energía recolectada ha de ser evacuada del depósito de energía.
1.5.2. Depósitos de energía fríos y calientes con bomba de calor.
El depósito frío proporciona agua para enfriar el invernadero y
la bomba de calor transfiere la energía al depósito caliente para mantener la temperatura del depósito frío. El calor transferido al depósito
caliente debe ser transferido al exterior durante la noche.
90
Esteban Baeza - Juan I. Montero
Energy store capacity, m3/m2
0.30
0.25
0.20
0.15
0.10
0.05
0.00
0
50
100
150
200
250
300
350
400
Day number
Cold store
Hot store
Fig. 11. Dimensión de los depósitos de agua caliente y fría necesarios para el enfriamiento de los invernaderos.
La Figura 11 muestra como la capacidad del depósito depende
de la integral diaria de la radiación solar incidente. El depósito caliente tiene mayor capacidad que el frío porque debe también acomodar
la energía empleada en el funcionamiento de la bomba de calor la
capacidad del depósito caliente se basó en una bomba de calor con
un COP para el calentamiento de 4. La Figura 11 se puede utilizar
para determinar la capacidad necesaria del depósito. Es el día con la
mayor radiación solar en el periodo en el que el invernadero debe ser
enfriado el que se utiliza para identificar las capacidades de los depósitos caliente y frío. En la curvas las bajadas bruscas (días con nubes)
deberían ser ignoradas y deben ser tomados los valores obtenidos a
partir de los máximos, relacionados con la radiación en días claros.
1.6 Invernadero experimental semi-cerrado en la Estación Experimental Las Palmerillas
Los resultados presentados en esta sección se refieren a un
invernadero con una superficie de 1000 m2.
91
ENERGIA Y VENTILACIÓN
1.6.1 Almacenamiento de energía
Los valores diarios de la energía recuperada al enfriar el invernadero, consumida por la bomba de calor y transferida al exterior sin
y con un 30% de sombreo se muestran en la Fig. 12, y las tasas de
transferencia de calor en la Fig. 13.
Los depósitos de energía deben aceptar la energía del refrigerador del invernadero que está al máximo a mediodía mientras que la
tasa de disipación de calor con la bomba de calor es constante durante
las 24 h. Las capacidades de los depósitos de energía para su funcionamiento en pleno verano se muestran en la tabla 5.
12
12
No shade
30% shade
8
8
Energy, MWh
10
Energy, MWh
10
6
4
2
6
4
2
0
0
0
100
200
300
400
0
100
Day number
Dissipation
Cooling
200
300
400
Day number
Heat pump
Dissipation
Cooling
Heat pump
(a)(b)
Fig. 12. Energía captada por el invernadero, consumida por la bomba de calor (COP
4) y disipada al exterior desde un invernadero de 1000 m2 (a) sin sombreo y (b) con
un 30% de sombreo.
92
Esteban Baeza - Juan I. Montero
1400
1400
No shade
30% shade
1200
Energy transfer rate, kW
Energy transfer rate, kW
1200
1000
800
600
400
200
1000
800
600
400
200
0
0
100
200
300
400
Day number
Dissipation
Cooling
0
0
100
200
300
400
Day number
Heat pump
(a)
Dissipation
Cooling
(b)
Heat pump
Fig. 13. Tasas medias de energía captada por el invernadero, consumida por la bomba
de calor (COP 4)y disipada al exterior desde un invernadero de 1000 m2 (a) si sombreo
y (b) con un 30% de sombreo.
Tabla 5. Capacidad de los depósitos de energía para 1000 m2 de invernadero en
pleno verano
Sin sombreo
MWh
m
Depósito frío
5.2
Depósito caliente
6.4
30% sombreo
MWh
m3
300
4.6
265
365
5.2
300
3
Las tasas de transferencia de calor del enfriamiento y la disipación se obtuvieron utilizando la duración del día y la noche; la bomba
de calor trabajaba de un modo continuo siempre que los depósitos
permitieran la transferencia de energía.
Estos depósitos eran capaces de aceptar toda la energía de
enfriamiento producida durante un día de verano siempre que esta
energía y la energía empleada en el funcionamiento de la bomba de
calor pudieran disiparse durante la siguiente noche.
93
ENERGIA Y VENTILACIÓN
1.6.2 Bomba de calor
Durante el verano la bomba de calor debe transferir del depósito frío al caliente toda la energía captada en la refrigeración del invernadero y de esta manera la capacidad de la bomba de calor queda
determinada por la radiación solar diaria total captada por el invernadero.
Cuando la bomba de calor trabaja de modo continuo su capacidad se minimiza. La Tabla 3 muestra la cantidad de energía que debe
ser transferida del depósito frío al caliente durante un día en pleno
verano para un invernadero de 1000 m2 y la tasa de reparto de calor
por parte de la bomba de calor (COP = 4) al depósito caliente cuando
este está funcionando continuamente.
Tabla 6. Energía transferida por una bomba de calor en 1000 m2 de
invernadero en verano
Energía maxima a asignar, MWh/day
Tasa de transferencia de la bomba de
calor, kW
Sin sombra
30% sombra
110
75
8.0
5.5
De esta tabla se deduce que la capacidad de la bomba de calor
para un invernadero de 1000 m2 debe ser 110 kW si no hay sombreo,
y 74 kW con un 30% de sombreo.
1.6.3 Disipando energía del depósito caliente utilizando una torre
de enfriamiento.
Una torre de enfriamiento transfiere energía del agua al ambiente al hacer pasar el aire a través de la torre con un ventilador.
Algunas torres de enfriamiento pueden funcionar tanto en modo seco
como en modo húmedo. En el segundo se pulveriza agua sobre los
serpentines de refrigeración para aumentar la tasa de transferencia de
calor y así mejorar la tasa de enfriamiento, aunque se evapore parte
94
Esteban Baeza - Juan I. Montero
de esta agua. La torre funciona normalmente en modo seco y cambia
al modo húmedo cuando el rendimiento se vuelve bajo; de esta manera se hace un uso eficiente del agua. El enfriamiento adicional que se
obtiene en modo húmedo está relacionado con la temperatura de bulbo húmedo del aire. La Figura 14 muestra las temperaturas de bulbo
seco y bulbo húmedo del aire en Almería e indica que la utilización de
una torre húmeda de enfriamiento proporciona de 4 a 5ºC adicionales
de enfriamiento.
30
Temperature, C
25
20
15
10
5
0
0
50
100
150
200
250
300
350
400
Day number
.
Tdb
Twb
10 per. Mov. Avg. (Twb)
10 per. Mov. Avg. (Tdb)
Fig. 14. Medias de temperaturas de bulbo húmedo y seco durante la noche (Datos
meteorológicos Almería 2005)
Con datos meteorológicos de 2005 se realizo una estimación
de la cantidad de energía que debe ser rechazada para un invernadero de 1000 m2 sin sombreo o con un sombreo del 30%. La radiación
solar captada en el interior del invernadero (transmisión de luz del 75%
sin sombreo y sombreo del 30%) durante el día se utilizó para determinar la energía total a rechazar (Fig.15) y la tasa media de rechazo
de energía (Fig.16) durante la noche. El COP de la bomba de calor
era 4. Las capacidades de almacenamiento para periodos específicos
pueden ser obtenidas a partir de la Fig. 13.
95
ENERGIA Y VENTILACIÓN
8
800
Cooling rate, kW
1000
Heat load per night, MWh
10
6
4
2
600
400
200
0
0
0
100
200
300
400
Day number
no shade
30% shade
Fig. 15. Energía a disipar de noche para
un invernadero de 1000 m2 con y sin pantalla de sombreo del 30% (datos meteo
2005)
0
100
200
300
400
Day number
no shade
30% shade
Fig. 16. Tasas de enfriamiento nocturno
para un invernadero de 1000 m2 con y
sin pantalla de sombreo del 30% (datos
meteo 2005)
1.4.7. Conclusiones
Enfriamiento y calentamiento de un compartimento experimental de 160 m2 durante el invierno.
Se estima que son necesarios 3 intercambiadores de calor en
un compartimento de 160 m2 si se utiliza un solo depósito de energía.
Los lugares más adecuados para la colocación de los intercambiadores de calor son: bajo la cumbrera en un extremo del invernadero y con
la corriente de aire dirigida a lo largo del eje del invernadero, los otros
dos en el extremo opuesto del invernadero, a 2 m de los laterales y
con un ángulo que permita la descarga de aire a 5-6º con respecto al
eje del invernadero.
Dado que en el compartimento experimental hay limitación de
espacio sobre el cultivo y entre los intercambiadores de calor se sugiere que las unidades deberían montarse de tal forma que sus salidas
pudieran ajustarse 5º en los planos vertical y horizontal para permitir
ajustes necesarios en función de los flujos de aire conseguidos en la
96
Esteban Baeza - Juan I. Montero
práctica.
Enfriamiento y calentamiento de un invernadero de 1000
2
m en invierno.
El uso de un sólo depósito de energía que proporcione refrigeración y calefacción parece más rentable que utilizar dos depósitos de
energía y una bomba de calor.
La capacidad óptima del depósito de energía es de 3500 MJ,
proporcionado por 56 m3 de agua (tanque con 2 m de altura y 6,0 m de
diámetro).
Con este tamaño de depósito, la refrigeración del invernadero
durante la estación de calefacción reduce la duración de la ventilación
de 1480 a 930 horas, una disminución de 550 horas.
El incremento estimado del valor de la cosecha tras aumentar
la concentración de CO2 a 1000 vpm cuando el invernadero no precisa
de ventilación es 300 €.
La rentabilidad del enriquecimiento carbónico depende mucho
de la estanqueidad del invernadero.
La reducción de los costes de calefacción se estima en 3800
€, si bien el coste de la electricidad empleada en la captación y reutilización de la energía no ha sido incluida.
Enfriamiento de un invernadero de 1000 m2 en verano
La capacidad del depósito frío de energía es de 5,2 MWh (300
3
m agua) si el invernadero carece de sombreo, y de 4,6 MWh (265 m3
agua) con un 30% de sombreo.
La capacidad del depósito caliente de energía es de 6,4 MWh
3
(300 m agua) si el invernadero carece de sombreo, y de 5,2 MWh
(265 m3 agua) con un 30% de sombreo.
La salida de la bomba de calor es de 110 kW sin sombreo y 75
kW con un 30% de sombreo
La tasa de transferencia de calor de la torre de enfriamiento es
1100kW sin sombreo y 750 kW con un 30% de sombreo.
97
ENERGIA Y VENTILACIÓN
PARTE 2. SISTEMA DE APOYO A TOMA DE DECISIONES PARA
MANEJO ÓPTIMO DE LA VENTILACIÓN
El objeto de esta tarea consiste en desarrollar un sistema experto de apoyo a la toma de decisiones que permita minimizar la necesidad de ventilación (manejo de la energía y plagas) y mejore la
productividad del cultivo, también con el uso de fertilización carbónica.
2.1 Desarrollo de un método para determinar la capacidad requerida de ventilación natural a la vista de las condiciones climáticas
locales y las propiedades de la cubierta.
2.1.1. Introducción.
Los invernaderos precisan frecuentemente ventilación para
evitar sobrecalentamiento durante el día y reducir la humedad. La mayoría de los invernaderos emplean la ventilación natural, en la que el
flujo de aire se establece a través de ventanas en techo y bandas. El
flujo de aire se crea por la diferencia entre las temperaturas interior
y exterior, y por el viento. Las características fundamentales de un
sistema de ventilación natural en invernadero son el área total de las
ventanas, su posición en el invernadero, por ejemplo sólo en el techo o
en techo y bandas, y su posición en relación con la dirección del viento. Este sistema experto pretende ayudar en la toma de las siguientes
decisiones:
• ¿Qué área de ventanas es necesaria para las condiciones locales
de clima y las temperaturas de ventilación necesarias?
• ¿Qué beneficio sobre la reducción de las necesidades de ventilación se obtiene al sombrear?
• ¿Durante qué meses se consiguen temperaturas aceptables?
Se emplea un modelo de balance de energía con datos climáticos locales para determinar el caudal de ventilación necesario para
mantener un invernadero a las temperaturas de ventilación elegidas. 98
Esteban Baeza - Juan I. Montero
Para ello se utilizan modelos de ventilación que relacionan el
caudal de aire a través de las ventanas del invernadero con las temperaturas interior y exterior y la velocidad del viento, y con la geometría
de las ventanas, para determinar el área de ventana necesario para
suministrar el caudal requerido.
También se incluye el efecto de la aplicación de sombreo durante el verano con el fin de reducir las necesidades de enfriamiento y
por tanto mejorar la efectividad de la ventilación. Se presenta información sobre la superficie de ventilación necesaria como el número de
horas (por mes de calendario y por año) en el que la temperatura del
invernadero supera la temperatura de ventilación consignada.
2.1.2 Necesidad de ventilación
El modelo de balance de energía en invernadero se basa en
los modelos HortiCern y HortiTrans descritos por Jolliet et al. (1991) y
Jolliet (1994) y se ejecuta en una hoja de cálculo. El balance de energía de de un invernadero se expresa como:
Qsolar + Qconducción + Qsuelo + Qventilación = 0
en donde Qsolar es la energía solar transmitida al invernadero,
Qconducción es la energía conducida a través de la cubierta del invernadero, Qsuelo es la energía transferida a/desde el suelo y Qventilación es la energía eliminada por ventilación.
Qsolar se calcula utilizando la radiación solar global exterior,
un valor de transmisividad para la radiación solar que depende del
material de cubierta del invernadero y la fracción de energía solar que
es absorbida por la cubierta.
Qconducción se calcula a partir de los intercambios de energía
entre la cubierta y el cielo, la cubierta y el aire exterior y la cubierta y el
aire interior.
99
ENERGIA Y VENTILACIÓN
Qsuelo se obtiene a partir de los datos recogidos en un invernadero sin cultivo que se encuentra en la Estación Experimental de la
Fundación Cajamar.
Qventilación se obtiene a partir de los balances de energía y
vapor de agua del aire de ventilación.
Qventilación = Qcalor sensible + Qcalor latente, y
Qtranspiración = Qcalor latente + Qcondensación
en donde Qsensible y Qlatente son el calor latente y sensible
transferidos por la ventilación. Qtranspiración es la energía presente
en el vapor de agua transpirado por las plantas, y Qcondensación es la
energía transferida a la cubierta del invernadero por la condensación
de agua en su cara interna. La transpiración se calculó empleando un
modelo desarrollado en la Estación Experimental de la Fundaciόn Cajamar para un cultivo de tomate. La condensación se estimó utilizando
el método desarrollado por Jolliet (1994) en el que la temperatura de
la cubierta se calcula asumiendo que el aire interior está saturado,
aplicándose entonces un factor de corrección basado en la presión
de vapor interna real. La condensación se produce cuando la presión
de vapor interna supera en la cubierta la presión de vapor saturada.
Cuando la temperatura exterior excedía la temperatura de ventilación
la temperatura del invernadero se calculaba utilizando un valor máximo del coeficiente de ventana de transferencia de calor de 100 W m-2
K-1 (equivalente a una tasa de ventilación de 0,82 m3 m-2 s-1).
El efecto del sombreo se incluye a través de la modificación de
la transmisión de la radiación solar de la cubierta del invernadero.
El modelo utiliza datos meteorológicos consistentes en valores
horarios de la temperatura del aire, radiación solar, humedad relativa y
velocidad del viento para calcular los valores horarios de la temperatura y del caudal de ventilación necesario para mantener el invernadero
a las temperaturas de ventilación seleccionadas. Los caudales de ven-
100
Esteban Baeza - Juan I. Montero
tilación se expresan por m2 de superficie de invernadero.
2.1.3 Modelos de ventilación
Se han desarrollado numerosos modelos que predicen el caudal de aire a través de distintos diseños de ventana, posiciones y tipos y tamaños de invernadero. Algunos incluyen tanto el efecto de la
diferencia de temperaturas y velocidad del viento creando el caudal
de ventilación, otros sólo incluyen el efecto del viento. Se han creado
modelos para ventanas abatibles y enrollables en cubiertas curvas y
a dos aguas, y también para bandas. Se han empleado tres modelos
para desarrollar este sistema experto. Estos modelos abarcan ventanas abatibles en cubiertas y bandas, cubiertas curvas y a dos aguas,
y el uso de la diferencia de temperaturas en combinación con la velocidad del viento o simplemente la velocidad del viento.
El modelo de Boulard y Baille (1995) se desarrolló para un invernadero de 416 m2, de dos naves, con cubierta plástica y ventanas
corridas a un lado de cada túnel. Utiliza tanto la diferencia de temperaturas como la velocidad del viento para predecir los caudales de ventilación. La dirección primaria de viento era paralela a los lados mayores
del invernadero.
Kittas et al (1997) crearon un modelo para ese invernadero
pero incluyeron el caudal a través de las ventanas cenitales y ventanas corridas abatibles en las dos bandas de 32 m. Este modelo incluía
además los efectos de diferencia de temperaturas y viento.
El modelo de Bailey et al. (2004) se desarrolló empleando una
maqueta a escala 1/3 de un invernadero Venlo con ventanas individuales espaciadas a lo largo de ambos lados de cada cumbrera para
después validarse para invernaderos Venlo de 200, 5200 y 37800 m2.
No se incluyen las ventanas laterales y el modelo utiliza sólo la velocidad del viento para estimar el caudal de aire.
101
ENERGIA Y VENTILACIÓN
Las tasas de ventilación predichas por cada modelo quedaban
expresadas por m2 de la superficie de ventanas.
2.1.4 Resultados
Los modelos de balance de energía y de ventilación se utilizaron con los datos meteorológicos horarios de 2007 recogidos en la
Estación Experimental de la Fundaciόn Cajamar en el Sur de España
y también con datos meteorológicos de los Países Bajos también para
2007. Dividiendo la tasa de ventilación (m3 / mg2 s) calculada por el modelo de balance de energía entre la tasa de ventilación calculada por
los modelos de ventilación para la misma temperatura y velocidades
de viento (m3 / mv2 s), se obtiene la superficie de ventanas necesarias
para proporcionar el caudal de ventilación (mv2 / mg2) necesario.
Se tomó un valor de la transmisividad de la cubierta a la radiación solar del 90%, aplicable a cristal y a filmes de cubierta estándar.
Esto resulta en una transmisividad del invernadero del 65%. Cuando
se sombrea en forma de blanqueo aplicado sobre la cubierta, la transmisividad de la cubierta era del 28%, lo que supuso una transmisividad
del invernadero del 25%.
1.00
Ventilator area / Greenhouse area
0.90
Kittas et al (1997)
Boulard & Baille (1995)
Bailey et al (2004)
Average
0.80
0.70
0.60
0.50
0.40
0.30
0.20
0.10
0.00
1000
1050
1100
1150
1200
1250
Hours
1300
1350
1400
1450
1500
Fig.17. Superficie de ventanas necesaria para conseguir 26ºC en un invernadero en
Sur de España en 2007
102
Esteban Baeza - Juan I. Montero
La Figura 17 muestra como el número total de horas al año en
que la temperatura del invernadero supera a la temperatura de ventilación (en este caso 26ºC) se reduce a medida que se aumenta la
superficie total de ventilación. Muestra una igualdad razonable entre
los resultados de los distintos modelos de ventilación de tal manera
que se muestra la media de los tres valores.
Los resultados, incluidos en el Apéndice, se presentan en tablas y se agrupan de acuerdo a:
• localización, por ejemplo datos meteorológicos
• ventilación temperatura
• sombreo/no sombreo
La Tabla 7 es un ejemplo de una de esas tablas. Se muestra
el número de horas en las que la temperatura en cada mes excede la
temperatura de ventilación para los valores específicos de temperatura de ventilación, localización, configuración del sombreo y rango entre 0 y 1 de la relación superficie de ventanas/superficie de invernadero. Se muestra el número de horas en las que la temperatura externa
excede la temperatura de ventilación en cada mes por mes en la parte
superior de la tabla. Los valores de la última columna son el número
de horas durante el año en las que la temperatura del invernadero excede la temperatura de ventilación para cada relación de superficie de
ventanas.
103
ENERGIA Y VENTILACIÓN
Tabla 7. Típica tabla de valores producto del modelo, permitiendo
valoración de las superficies de ventanas.
Temperatura ventilación
26 C
Almeria 2007 clima
No sombreo
En
Feb Mar
Abr May
Jun
Jul Ago Sep
Oct
Nov
Dic
Horas con temperatura de invernadero superior a temperatura de ventilación
0
0
0
0
52
138
324
373
140
9
0
0
area vent /
area inv
Horas con temperatura de invernadero superior a temperatura de ventilación
0,000
209
211
287
306
378
386
403
397
321
284
228
212
0,005
154
172
235
247
341
363
397
371
292
238
188
140
0,010
96
146
197
201
306
348
391
357
274
210
149
99
0,025
17
89
99
126
267
313
362
342
240
162
74
25
0,050
0
45
33
64
222
301
349
334
226
133
14
2
0,075
0
18
9
37
196
280
341
327
210
103
4
0
0,100
0
5
4
21
175
268
337
323
199
76
0
0
0,120
0
2
3
14
164
256
337
320
189
68
0
0
0,140
0
0
2
4
148
247
335
312
187
61
0
0
0,160
0
0
0
2
139
243
332
310
183
55
0
0
0,180
0
0
0
2
135
239
331
307
180
54
0
0
0,200
0
0
0
0
131
235
328
301
178
51
0
0
0,225
0
0
0
0
129
230
327
295
169
45
0
0
0,250
0
0
0
0
128
227
325
290
164
42
0
0
0,275
0
0
0
0
128
220
323
284
159
41
0
0
0,300
0
0
0
0
124
216
321
277
156
39
0
0
0,333
0
0
0
0
123
215
316
275
153
38
0
0
0,367
0
0
0
0
120
214
308
269
150
38
0
0
0,400
0
0
0
0
118
214
305
264
148
38
0
0
0,450
0
0
0
0
117
212
301
258
146
38
0
0
0,500
0
0
0
0
115
211
298
253
145
36
0
0
0,550
0
0
0
0
115
211
293
247
144
36
0
0
0,600
0
0
0
0
115
209
290
241
142
36
0
0
0,700
0
0
0
0
114
207
284
237
141
36
0
0
0,800
0
0
0
0
114
207
281
234
141
36
0
0
0,900
0
0
0
0
113
207
280
232
141
36
0
0
0
0
0
0
113
207
277
232
141
36
0
0
1,000
Año
1036
3622
3138
2774
2116
1723
1525
1408
1353
1296
1264
1248
1224
1195
1176
1155
1133
1120
1099
1087
1072
1058
1046
1033
1019
1013
1009
1006
��������������������������������������������������������������
Existen tablas similares para un rango de temperaturas de ventilación tanto para el sur de España como para los Países Bajos, con y
sin sombreo en los meses de verano. Algunos se muestran en el Apéndice al final de este capítulo. Estas tablas proporcionan información
que apoyan la toma de decisiones sobre:
104
Esteban Baeza - Juan I. Montero
¿Qué superficie de ventanas es necesaria en un invernadero nuevo?
¿Qué temperaturas se pueden alcanzar en un invernadero ya construido con sus ventanas?
¿Durante qué meses se puede utilizar el invernadero para cultivar
plantas con una tolerancia conocida a temperaturas elevadas?
2.1.5 Efecto del tamaño del invernadero y de la posición de las
ventanas
Lo anteriormente expuesto trata únicamente de la determinación del área total que puede ser abierta para proporcionar ventilación, sin considerar la posición de los ventiladores. En invernaderos
con superficies de unos pocos miles de m2 se sabe que la presencia
de ventanas en las bandas y en la cubierta mejora la ventilación. La
Fig. 18 muestra como las superficies relativas de ventanas cenitales y
laterales tienen un efecto sobre la tasa de ventilación (observe que la
superficie total de las ventanas permanece constante). Está claro que
la mayor ventilación se da cuando ambas ventanas tienen la misma
superficie (Kittas et al, 1997).
0.03
3
Ventilation rate m /m2 s
0.04
0.02
0.01
0
0
1
2
3
4
5
6
7
8
Area roof vent / Area side vent
Fig. 18. Efecto de la superficie de ventanas cenitales y laterales sobre la tasa de
ventilación. La superficie total es constante.
105
ENERGIA Y VENTILACIÓN
Por lo tanto en el diseño de sistemas de ventilación natural
para invernaderos pequeños la intención debería ser que el área de
las ventanas laterales y cenitales fuera igual. Sin embargo a medida
que el tamaño del invernadero aumenta esto ya no es posible. El área
total de las ventanas cenitales aumenta y el de las laterales disminuye
proporcionalmente con respecto a la superficie total de ventilación. La
Fig. 19 muestra como la relación entre superficies de ventanas cenitales/laterales influencia el rendimiento de ventilación. Cuando está relación es superior a 10 no hay un beneficio asociado a colocar ventanas
en las bandas.
1.0
Total ventilator area / Greenhouse area
0.9
Ar / As = 1
Ar / As = 5
Ar / As = 20
0.8
0.7
0.6
0.5
0.4
0.3
0.2
0.1
0.0
1000
1050
1100
1150
1200
1250
1300
1350
1400
1450
1500
Hours
Fig. 19. Superficies de ventilación necesarias para llegar a 26ºC en un invernadero del Sur de España en 2007 con distintos ratios de superficie de ventanas
cenitales(Ar)/laterales(As)
Sin embargo las ventanas laterales pueden ejercer una fuerte
influencia sobre la ventilación cuando expuestas a los vientos dominantes el aire entrante puede tener un efecto de control sobre el caudal de aire en el invernadero. Esta situación puede tener un efecto
adverso sobre plantas adyacentes a la banda, especialmente cuando
existen importantes diferencias de la temperatura y humedad entre el
interior y exterior del invernadero. Se pueden emplear deflectores para
dirigir el aire hacia arriba y así crear una zona en la que el aire entrante
106
Esteban Baeza - Juan I. Montero
se mezcla con el del interior del invernadero antes de incidir sobre el
cultivo. Se ha sugerido que los efectos de la ventilación lateral pueden
extenderse 20-40 m. al interior del invernadero, aunque sin embargo
esta distancia puede verse reducida en presencia de cultivos altos.
2.1.6 Ventilación a barlovento y sotavento
Los invernaderos cuentan normalmente con ventanas a ambos
lados de la cubierta en cada túnel. Esto puede proporcionar ventilación
a sotavento, a barlovento o a una combinación de ambos. Sin embargo los invernaderos de cubierta curvada tienen con frecuencia ventanas continuas que dan a la misma dirección cuando están abiertas.
Dependiendo de la dirección del viento, estas proporcionaran ventilación a sotavento o a barlovento.
1.00
Parral l'wd
Venlo 1 l'wd
Parral w'wd
Venlo 1 w'wd
Average l'wd + w'wd
Ventilator area / Greenhouse area
0.90
0.80
0.70
Mtunnel l'wd
Venlo 2 l'wd
Mtunnel w'wd
Venlo 2 w'wd
0.60
0.50
0.40
0.30
0.20
0.10
0.00
750
1250
1750
2250
2750
3250
3750
Hours
Fig. 20. Comparación en el rendimiento de ventilación a sotavento, barlovento o a
una combinación de ambas.
La Figura 20 muestra que la combinación de ventilación a
barlovento y sotavento ofrece los mejores resultados ya que requiere
las menores superficies de ventanas. La ventilación a sotavento es
107
ENERGIA Y VENTILACIÓN
la menos efectiva, a barlovento es mejor pero no tan efectiva como
la combinada sotavento/barlovento. Está claro que existen grandes
diferencias en las predicciones de los distintos modelos, tanto para la
ventilación a sotavento como a barlovento. Por tanto la única posible
conclusión es que para la misma superficie de ventilación la combinación de ventanas a sotavento y barlovento proporciona las mayores
tasas de ventilación, seguida por ventilación a barlovento, siendo la
ventilación a sotavento la que proporciona las tasas más bajas.
Cuando se active la ventilación en un invernadero la práctica
más común es que sean las ventanas a sotavento las que se abran
en primer lugar, mientras que las de barlovento se abren cuando las
de sotavento no proporcionan enfriamiento suficiente. Con ventilación
a sotavento la distribución de presiones creada por el viento sobre la
superficie del invernadero fuerza al aire a entrar por la sección de sotavento del invernadero, y a salir por las ventanas de barlovento. El flujo
de aire dentro del invernadero es por tanto opuesto al del exterior. Con
velocidades bajas de viento no hay en el interior del invernadero zonas
con velocidad alta de viento. Cuando aumenta la velocidad del viento
aumenta el flujo en el interior de tal manera que en invernaderos de
5 o más túneles, la recirculación del aire entrante puede ocurrir en el
túnel más a sotavento. Esto reduce la efectividad de la ventilación ya
que crea una zona de aire estancado entre el flujo recirculante y el flujo
en el resto del invernadero que está en la dirección opuesta. Cuando
el tamaño del invernadero aumenta a 12, 18 y 24 túneles, esta región
sin flujo positivo de aire se desplaza desde la parte más a sotavento
del invernadero hacia el centro del invernadero (Kacira et al 2004). El
lento movimiento de aire en estas zonas “estancadas” puede dar lugar
a aumento de temperaturas.
Apéndice – Tablas mostrando el número de horas en que las
temperaturas de ventilación del invernadero son superadas para un
rango de superficies de ventana. El sombreo consiste en blanqueo
aplicado sobre la cubierta del invernadero y reduce la transmisividad
al 25% durante el periodo Julio a Septiembre, inclusive.
108
Esteban Baeza - Juan I. Montero
Tabla
Localización
invernadero
Temperatura
ventilación
Sombreo /
no sombreo
8
Sur España
22 oC
No sombreo
9
“
24 oC
“
10
“
26 C
“
o
11
“
22 C
75% Sombreo
12
“
24 oC
“
13
“
26 C
“
14
Países Bajos
20 C
No sombreo
15
“
22 oC
“
16
“
24 C
“
17
“
26 C
“
o
o
o
o
o
109
ENERGIA Y VENTILACIÓN
Tabla 8
Temperature ventilación
22 C
Almeria 2007 meteo
No sombreo
Ene
Feb Mar
Abr May
Jun
Jul Ago Sep Oct Nov
Horas temperatura en invernadero superior a temperatura ventilación
0
3
5
19 214 372 584 663 420 151
3
Area vent /
area inv
Horas temperatura en invernadero superior a temperatura ventilación
0,000 244 227 322 328 396 394 425 420 346 306 248
0,005 183 193 266 281 369 387 407 400 321 278 213
0,010 149 176 240 256 354 383 406 390 310 263 197
0,025
85 146 195 203 323 367 399 372 297 237 157
0,050
30 110 127 158 302 351 388 366 284 220 111
0,075
6
82
82 126 290 344 386 364 278 201
79
0,100
1
71
59 104 286 341 383 363 277 192
65
0,120
0
60
49
96 281 339 380 362 268 189
49
0,140
0
54
39
91 276 337 380 360 263 188
43
0,160
0
47
31
91 273 334 378 359 260 185
37
0,180
0
42
25
89 265 331 376 358 259 185
34
0,200
0
38
24
84 263 326 373 357 258 183
34
0,225
0
32
20
79 259 324 372 352 258 181
30
0,250
0
31
20
76 259 322 370 347 253 175
29
0,275
0
29
20
75 256 318 368 344 251 173
29
0,300
0
29
19
73 255 316 367 339 251 171
29
0,333
0
27
19
71 255 313 365 334 245 168
29
0,367
0
27
18
71 253 309 362 329 238 167
29
0,400
0
27
18
70 250 305 361 321 233 163
29
0,450
0
27
18
70 249 304 356 317 230 160
29
0,500
0
27
18
70 249 303 352 312 226 160
29
0,550
0
27
18
70 248 300 347 309 222 159
29
0,600
0
27
18
70 248 296 342 304 220 158
29
0,700
0
27
18
70 247 290 333 294 218 157
29
0,800
0
27
18
70 247 290 328 287 215 157
29
0,900
0
27
18
70 247 288 326 285 214 156
29
29
1,000
0
27
18
70 242 286 317 280 212 156
Dic
Año
2
2436
230
180
146
93
39
20
11
7
5
5
5
4
4
4
4
4
4
4
3
3
3
3
3
3
3
3
3
3886
3478
3270
2874
2486
2258
2153
2080
2036
2000
1969
1944
1911
1886
1867
1853
1830
1807
1780
1763
1749
1732
1715
1686
1671
1663
1640
NOTA: los lectores estarán interesados en conocer la información contenida
en el párrafo 2.3: Identificación de periodos con ventilación nula en invernadero, Deliverable 14 del Proyecto Euphoros
http://www.euphoros.wur.nl/UK/Deliverables/
110
Esteban Baeza - Juan I. Montero
2.2 Sistema experto para el cálculo de la tasa de ventilación en
invernaderos obstruidos y no obstruidos
En último lugar se presenta un sistema experto basado en una hoja de
cálculo Excel para el cálculo práctico de la ventilación.
2.2.1. Ventilación en invernaderos obstruidos.
La ventilación en un invernadero puede verse muy afectada
por la presencia de obstrucciones a barlovento, que pueden provocar cambios significativos en el patrón de movimiento del aire y en el
campo de presiones alrededor del invernadero. Esta es una situación
típica en zonas de ocupación muy densa en donde los invernaderos
están muy cerca unos de otros.
Una de las tareas del proyecto Euphoros es “Desarrollo de
indicadores de distancia para ventilación óptima en presencia de invernaderos vecinos”. Para acometer esta tarea se han realizad las
siguientes acciones:
• Uso de un modelo simplificado para el cálculo de la tasa
de ventilación de invernaderos no obstruidos
• Correr simulaciones CFD (Computer Fluid Dynamics)
para determinar un conjunto de “funciones de ajuste”
que relaciones la tasa de ventilación de los invernaderos
obstruidos/no obstruidos con la distancia entre ellos.
• Aplicar las “funciones de ajuste” a la tasa de ventilación
obtenida con el modelo simplificado. Esto permite conocer
la ventilación del invernadero obstruido.
• Desarrollar una hoja de cálculo amigable con el modelo
simplificado de la ventilación y las funciones de ajuste.
111
ENERGIA Y VENTILACIÓN
2.2.2 Modelo de ventilación
El flujo de aire se crea por la diferencia entre las temperaturas del interior y exterior y por el viento en el exterior. En muchas
ocasiones la ventilación por viento domina la ventilación inducida por
temperaturas, por lo que los modelos más simplificados solo tienen en
cuenta la ventilación por viento. De Jong (1990), entre otros, proporciona una ecuación general para calcular la tasa de ventilación (Ec. 1)
para la que se asume que la mitad de las ventanas dejan entrar el aire
y la otra mitad lo dejan salir.
S
Φ = C d C1w2 u
2
Ec. 1
En donde ф es el flujo total de entrada/salida de aire (m3/s). S
es el área total de las ventanas (m2), Cd es el coeficiente d descarga de
los ventiladores (adimensional), Cw es el coeficiente global de presión
por viento (adimensional) y u es la velocidad exterior del viento (m/s).
En la bibliografía (Perez-Parra et al, 2004) se pueden encontrar valores adecuados para los coeficientes de descarga de las ventanas en
función de su relación de aspecto (longitud dividida por altura).
En muchas ocasiones los invernaderos en zonas cálidas disponen de mallas antiinsecto que protegen a los cultivos del ataque de
plagas. Estas mallas crean una depresión que conduce a una reducción significativa de la ventilación, lo que se asocia a un alto riesgo
por temperatura. Pérez-Parra el al (2004) proporciona una ecuación
simplificada que expresa la reducción de la ventilación en función de
la porosidad de la malla.
фsc/ф = e (2-e)
Ec 2
en donde фs es el flujo de ventilación de invernaderos con malla, ф es el de un invernadero sin malla y e es la porosidad de la malla.
112
Esteban Baeza - Juan I. Montero
Las ecuaciones 1 y 2 se han empleado para calcular la tasa de
ventilación de invernaderos no obstruidos.
2.2.3. Funciones de ajuste
Esta tarea se acometió corriendo un análisis CFD sobre dos
grupos de invernaderos multicapilla. La distancia entre ambos invernaderos se aumentó de D=2m a D=60m (Figura 21). En este trabajo
llamaremos invernadero A al invernadero de barlovento (no obstruido)
y B al invernadero de sotavento (invernadero obstruido)
A
B
Figura 21. Esquema de los invernaderos A y B separados por una distancia D
2.2.4. Hoja de cálculo amigable
Tras una corta introducción el archivo Excel incluye 3 hojas. La
primera pide la introducción de los siguientes datos:
• Geometría del invernadero: número de naves, ancho y
largo de cada nave, altura de canal y cumbrera.
• Características de apertura: número de ventanas cenitales, número de ventanas laterales, dimensiones de ventanas cenitales y laterales, porosidad de la malla antiinsecto
• Velocidad y dirección del viento (dirección barlovento y
sotavento. No se consideran otros casos)
• Distancia entre los invernaderos.
113
ENERGIA Y VENTILACIÓN
En primer lugar se calcula la ventilación de un invernadero no
obstruido. Después se considera la ventilación del invernadero obstruido aplicando un factor de corrección que depende de la distancia
entre los dos invernaderos.
El usuario al cambiar el tamaño de las ventanas y los parámetros de ventilación puede encontrar la combinación óptima de ventanas que pueden compensar el efecto de la obstrucción a barlovento.
El resultado principal del modelo es el número de renovaciones de
aire por hora. Si se siguen buenas prácticas de ingeniería es deseable
mantener la tasa de ventilación por encima de las 30 renovaciones por
hora en condiciones soleadas. Si la tasa de renovación está por debajo de este valor se emite un mensaje de advertencia, de tal manera
que la hoja puede detectar situaciones potenciales d excesivo calor.
Esta herramienta de cálculo puede ser descargada desde la página web del proyecto Euphoros.
http://www.euphoros.wur.nl/UK/Deliverables/
Por favor, busque Deliverable 14, DSS for Optimum Ventilation, thermal storage and available sustainable energy sources.
Actualmente la hoja está disponible en inglés e italiano y se espera
que esté próximamente disponible en español.
114
Esteban Baeza - Juan I. Montero
115
ENRIQUECIMIENTO Y MANEJO DE CO2 EN INVERNADERO
Cecilia Stanghellini
Wageningen UR Greenhouse Horticulture
Resumen
En un invernadero sin fertilización carbónica, el CO2 absorbido
en el proceso fotosintético debe en último término entrar a través de
las ventanas desde el exterior. La ventilación del invernadero implica un compromiso entre asegurar la entrada de dióxido de carbono
y mantener una temperatura adecuada en su interior, especialmente
en días soleados y fríos. Se sabe que la producción aumenta con la
concentración de dióxido de carbono y con la temperatura [media]. Por
ello, el manejo de la ventilación en estas condiciones debe pretender
“el menor de los males”.
Primero mostraremos que ventilando lo menos posible mientras se mantiene al menos la concentración exterior de CO2 mediante
fertilización carbónica es la forma más segura y barata de aumentar
la productividad en días fríos pero soleados. Después trataremos la
117
ENRIQUECIMIENTO Y MANEJO DE CO2 EN INVERNADERO
optimización de la fertilización en presencia de ventilación natural. El
mantener una concentración superior a la externa reduce obviamente
la eficiencia en el aporte, pero no necesariamente reduce el beneficio.
Aplicando un poco de economía a un modelo simple de asimilación,
demostramos que en muchas condiciones-especialmente con radiaciones relativamente altas-el mantener concentraciones más altas que
las atmosféricas tiene sentido económico, siempre con tasas de ventilación por debajo de 10 renovaciones por hora.
Finalmente desarrollamos un algoritmo para un manejo óptimo
del aporte de CO2, con el fin de asegurar el máximo retorno neto de la
inversión en dióxido de carbono y aumento de la cosecha. La concentración óptima depende de muchos factores: el aumento esperado del
rendimiento por el aporte de dióxido de carbono bajo ciertas condiciones meteorológicas; la tasa real de ventilación; el valor de la producción y el coste del dióxido de carbono. Se combinó el cálculo del “valor” del aporte de dióxido de carbono con un algoritmo para determinar
la tasa de ventilación, y se integró en un sistema de cálculo on-line de
la tasa óptima de aporte. El algoritmo se implementó y evaluó en un
controlador comercial de clima.
Introducción: la concentración de dióxido de carbono en el interior de un invernadero
El proceso fotosintético está en la base del crecimiento y producción vegetal. Durante la fotosíntesis la energía de la luz se utiliza
para formar carbohidratos a partir del (CO2) tomado del aire y del agua
presente en el tejido vegetal. La velocidad a la que se forman los carbohidratos (la tasa del proceso) es dependiente en primer lugar de la
cantidad de luz y la concentración de CO2. Tanto la temperatura como
el contenido hídrico del tejido vegetal (turgor) juegan un papel secundario que no será considerado en este contexto.
La respuesta fotosintética tanto a la luz como a la concentración de
CO2 es de tipo saturante, lo que significa que aumenta con cada uno
de los factores en incrementos cada vez menores hasta alcanzar un
118
Cecilia Stanghellini
valor por encima del cual cualquier incremento de los factores no tiene
ningún efecto (ley de rendimientos decrecientes). Realizando un gran
número de mediciones en cultivos comerciales de tomate en invernaderos del Westland neerlandés, Nederhoff (1994) determinó un modelo dependiente de 5 parámetros que describe la asimilación neta de un
cultivo plenamente desarrollado de tomate en función de la concentración de CO2 y la luz. Para este trabajo hemos seleccionado un modelo
más simple que reproduce la tendencia y nivel del modelo original:
Anet = 2.2
1
[1 − exp(− 0.0015 I )]
230
1+
CO2
mg m–2 s–1 (1)
en donde CO2 expresa la concentración ambiental de dióxido de carbono en vpm y Isun es la densidad de flujo fotónico de Radiación Fotosintéticamente Activa (PAR), mmol m–2 s–1. Para la radiación solar, la
Isun se puede estimar como el doble del valor de la radiación solar en W
m–2, mientras que la ley de Avogadro (caso particular de la ley de gases) proporción la conversión de volumen a masa; en el caso del CO2,
1 vpm @ 2 mg m–3. 2.2 mg m–2 s–1 es la “máxima” tasa de asimilación
de un cultivo de tomate, de acuerdo a las mediciones de Nederhoff en
cultivos comerciales, que puede verse reducida en caso de valores
subóptimos de radiación y/o dióxido de carbono. Ambos factores son
siempre menores a la unidad en la Ec. 1. La tendencia de la Ec. 1, tal
y como se muestra en la Figura 1, es asintótica con respecto a la radiación y el CO2. El nivel de la asíntota depende de la otra variable de
tal manera que ambos factores pueden limitar la asimilación, sea cual
sea el valor asumido por el otro factor.
119
ENRIQUECIMIENTO Y MANEJO DE CO2 EN INVERNADERO
assimilation
-2
-1
(mg m s )
2
1.8
1.6
1.4
1.2
1
0.8
0.6
0.4
0.2
0
1.4-1.6
1.2-1.4
1-1.2
0.8-1
0.6-0.8
0.4-0.6
0.2-0.4
0-0.2
1000
700
900
400
600
2
sun radiation (W/m )
300
100
CO2 (vpm)
0
Figura 1. Respuesta de la asimilación neta de un cultivo de tomate totalmente
desarrollado a la radiación neta y a la concentración de dióxido de carbono tal
y como describe la Eq. 1, simplificación del modelo propuesto por Nederhoff
(1994).
En el ambiente semicerrado de un invernadero sin inyección de CO2,
el CO2 absorbido debe ser repuesto por el CO2 que entra desde el exterior a través de las ventanas. La ecuación de conservación de masa
se expresa como sigue:
out in
mg m–2 s–1 (2)
Anet = gV CCO
− CCO
2
2
(
)
en donde gV es el volumen de intercambio de la ventilación por unidad de superficie del invernadero, m3m–2 s–1, esto es: m s–1, i la C es
la concentración de CO2, mg m–3, exterior e interior respectivamente.
Obviamente, sin fuentes adicionales de de dióxido de carbono y en
120
Cecilia Stanghellini
el caso de que haya asimilación, la concentración en el invernadero
debe ser inferior a la que hay en el exterior. Esto se muestra cuando
modificamos la Ec(2):
in
out
CCO
= CCO
− Anet gV
2
2
mg m–3 (3)
En el caso de que se prefiera expresar la Ec(3) en unidades utilizadas
comúnmente en gestión de invernaderos, se ha indicado anteriormente la conversión de volumen a masa. Además y dado que el volumen n
de renovaciones por hora expresa cambiar en una hora tantos metros
cúbicos como la altura media, h, del invernadero n = 3600 gV / h. Por
tanto:
CO2in = CO2out −
1800 Anet
h
n
vpm (4)
en donde CO2 expresa la concentración de dióxido de carbono en vpm.
Por ejemplo, la concentración de CO2 en un invernadero con una altura
media de 4 m., con una tasa de ventilación de 4,5 h-1, y con un cultivo
asimilando 1 mg m–2 s–1 es 100 vpm más bajo qe la concentración en
el exterior. Con una concentración exterior de 370 vpm, esto supone
una pérdida de producción del 20%, de acuerdo a la regla aproximada
que Nederhoff obtuvo de sus medidas. La regla se explica cómo sigue:
el aumento porcentual de producción causada por un incremento de la
concentración de CO2 de 100 vpm a partir de un valor medio determinado (en este ejemplo 270 vpm) es:
ganancia producción = 1,5 (1000/CO2)2
% (5)
La estrategia de fertilización carbónica que hoy en día se emplea en
los controladores de clima de invernadero holandeses se basa en la
contraposición de los beneficios asociados al aumento de la concentración y de los costes de CO2, tanto en forma de gases de combustión
121
ENRIQUECIMIENTO Y MANEJO DE CO2 EN INVERNADERO
como embotellado o entubado desde plantas industriales.
Agotamiento de dióxido de carbono:
¿cuánta producción se pierde?
Con el fin de determinar el agotamiento de CO2 en zonas donde la fertilización carbónica no sea habitual y tratar cuales son las opciones disponibles para un productor en zonas de invierno templado,
hemos empleado dos conjuntos de datos de noviembre 2006, uno de
un invernadero de 3 túneles en la Estación Experimental Las Palmerillas (El Ejido, Almería, España, 36º48’N; 2º43’W; 151 m. altitud) y otro
de un invernadero de 14 túneles de la productora comercial Azienda
Fratelli Dezio (Gaspanella, Ragusa, Italia, 36º57’N; 14º26’E; 104 m.
altitud). El invernadero en España tiene 3 naves de 7,5 por 28 m (630
m2 en total), orientación E-O, altura a la canal 3 m. y altura máxima 4,5
m., con ventanas laterales en los lados S y N, y una apertura cenital en
cada módulo (Figura 2, izquierda). El invernadero comercial en Italia
constaba de 8 naves de 8 por 120 metros (superficie total 1,34 has.)
orientadas SE-NO, altura a la canal 4 m. y a cumbrera 5,6 m. No existían aperturas en banda, sólo una cenital en cada túnel (Figura 2, derecha). En ambos casos las aperturas quedaban protegidas mediante
mallas anti-insecto 20/10 y eran activadas por un controlador de clima.
En ninguno de los dos casos el sistema de calefacción fue activado en
el mes de noviembre.
En España se cultivó un tomate suelto, cv Colby, plantado el
4 de agosto 2006 con una densidad de 2 m–2 mientras que en Sicilia
se cultivó tomate cherry, cv Shiren, plantado el 18 de agosto también
con una densidad de 2 m–2. En ambos casos se registraron la temperatura, humedad y concentración de CO2 en el interior del invernadero,
además de las condiciones en el exterior (radiación, temperatura y
humedad, velocidad y dirección del viento). El intervalo entre registros
fue de 5 minutos en Almería, 10 en Sicilia. El registro de noviembre
en el caso de Italia está completo (escogido por la similitud de las
122
Cecilia Stanghellini
condiciones meteorológicas, tabla 1) mientras que en España sólo se
registraron el 88% de los valores. Desafortunadamente no se registró
el CO2 exterior y sólo en el invernadero italiano se registró la apertura
de las ventanas.
Figura 2. Invernaderos en los que se recogieron los datos empleados: a la izquierda
en invernadero de Almería, a la derecha el de Sicilia, Italia).
Día
Noche
Almeria
Ragusa
Almeria
Ragusa
19.4
18.2
15.3
13.0
MJ m
255.80
250.96
Velocidad de viento
ms
1.6
2.0
0.8
0.9
Temperatura interior
ºC
22.0
18.8
14.9
13.6
320.6
372.9
384.6
431.5
Temperatura externa
Radiación total
CO2 interior
ºC
–2
–1
vpm
Asimilación estimada
g m month
471.1
499.6
Asimilación potencial
g m month
513.3
508.7
–2
–2
–1
–1
Tabla 1. Medias diarias y nocturnas de valores meteorológicos medidos en el exterior
e interior de dos invernaderos en noviembre 2006, y estimación de la asimilación real
y potencial (ver texto).
123
ENRIQUECIMIENTO Y MANEJO DE CO2 EN INVERNADERO
Dado que la media de los valores medidos de concentración
de CO2 en el invernadero vacío de Italia fue de 378 vpm, hemos tomado ese valor como el de referencia, válido en ambos casos. La tasa
real de asimilación se estimó a partir de la Ec(2) mientras que la tasa
potencial (es decir, no limitada por el agotamiento de CO2) se estimó
asumiendo un valor constante de 378 vpm para la concentración de
CO2 en ambas localidades. Para “rellenar” los huecos de los registros
de Almería se mantuvo la relación existente en los registros de Ragusa
entre el total de los días perdidos y el total mensual. Obviamente este
procedimiento sólo permite una grosera estimación de la asimilación
total (Tabla 1). Resulta tranquilizante comprobar que aplicando una
distribución a la fracción fruto de 2/3 y un contenido en materia seca
del 6%, la producción estimada de tomate en Almería sería 5,06 kg -2,
comparable a los 4,95 kg m–2 que fueron realmente recolectados entre
el 3 de noviembre y el 5 de diciembre. En Sicilia la primera recolección
se realizó el 18 de diciembre y no hay registros del crecimiento vegetativo.
El valor de 1 kg de CO2 asimilado se puede calcular como sigue (Stanghellini y Heuvelink, 2007): la eficiencia en la conversión de
CO2 fijado en materia seca es aproximadamente del 70%, y la relación
de pesos moleculares entre CH2O y CO2 es del 68%, lo que implica
que cada kg de CO2 asimilado resulta en 500 g de materia seca. Con
un índice de cosecha del 65% y un contenido en materia seca del
producto del 6% (en el caso del tomate), este es aproximadamente el
peso fresco de 5 kg de tomate. Para asignarle un valor, por ejemplo el
del precio a productores por tomate, Ptom en noviembre y en Almería
desde el año 2003 a 2006 osciló entre 0,55 y 1,15 €/kg (Fundación
Cajamar, 2006 y 2007). Con todo, el valor de 1 kg asimilado de CO2
habría oscilado entre 2,75 y 5,90 €.
124
Cecilia Stanghellini
W m-2 vpm
500
Ragusa: radiation
CO2
400
300
Almeria: CO2
200
radiation
100
0
27
19-11-06 0:00
22
oC
19-11-06 6:00
19-11-06 12:00
Almeria, in
19-11-06 18:00
22
Ragusa, in
17
17
Ragusa, out
Almeria, out
12
12
7
19-11-06 0:00
27
20-11-06 0:00
Figura 4. Radiación medida
y concentración de CO2 (arriba); temperaturas en interior
y exterior (abajo) en ambas
localidades el 19 de noviembre 2006.
19-11-06 6:00
19-11-06 12:00
19-11-06 18:00
7
19-11-06
20-11-06
0:00 0:00
19-11-06 6:00
19-11-06 12:00
19-11-06 18:00
Las diferencias en la concentración de CO2 y la asimilación
estimada observadas en la Tabla 1 entre los dos lugares se explican
en la Figura 3, en donde se expresa un día soleado como ejemplo.
Aparte de las noches en este ejemplo concreto –que eran más frías
en Almería- el tiempo en ambas localidades fue similar. Pero mientras
que la temperatura del invernadero en Ragusa coincidía con la exterior
en Almería, la temperatura en el interior del invernadero estuvo 5ºC
por encima de la exterior.
20-11-06 0:00
Esto solo se explica con el hecho de que el invernadero italiano
estaba mucho más ventilado que el español, lo que explica también
la concentración diurna más elevada de CO2. De hecho los valores
medios diurnos mostrados en la Tabla 2 para todo el mes muestran
que mientras el invernadero italiano tenía una temperatura 0,6ºC mayor que el exterior, en el español excedía la temperatura ambiental en
2,6ºC. El reverso de la moneda fue que la concentración media diurna
de CO2 en el invernadero español estaba 50 vpm por debajo del otro.
125
ENRIQUECIMIENTO Y MANEJO DE CO2 EN INVERNADERO
Almeria
Ragusa
CO2 (vpm)
321
373
Isun (MJ/m2·d)
8.5
8.4
ΔT (in – out)
2.6
0.6
Tabla 2. Valores medios diurnos de la concentración de
dióxido de carbono; radiación
solar total diaria y diferencia
de temperatura entre interior y
exterior, en ambos invernaderos,
noviembre 2006.
¿Cuál es el menor de ambos males?
Un productor, en estas condiciones, tiene que decidir entre
ventilar para asegurar una entrada suficiente de dióxido de carbono,
o limitar la ventilación para mantener una temperatura relativamente
alta. Los dos productores claramente adoptaron estrategias diferentes
que resultaron en condiciones climáticas distintas a pesar de la similitud del ambiente exterior. De acuerdo a la asimilación estimada en la
parte inferior de la tabla 1, una tasa alta de ventilación sería la mejor
elección. Por supuesto que esto sólo expresa parte de la historia, dado
que nuestro modelo, Ec.(1) no favorece las temperaturas más altas.
1.5
trusses per week
1.25
Almeria
1
Ragusa
0.75
0.5
0.25
7.5
10
12.5 15 17.5 20
22.5 25 27.5
o
mean temperature ( C)
126
Figura 4. Efecto de la temperatura media del invernadero
sobre el número de ramilletes
formados semanalmente en tomate, determinado experimentalmente por De Koning (1994).
En variedades comerciales. Las
medidas de De Koning’s ser
realizaron entre los 16-24ºC y
la línea discontinua es una extrapolación realizada para este
trabajo
Cecilia Stanghellini
Efectivamente, es conocido que la fotosíntesis en tomate se ve sólo
ligeramente afectada por temperaturas en el rango de 17 y 24ºC (Heuvelink and Dorais, 2005), aunque el resto de procesos relacionados
con el crecimiento sí lo están. Para empezar, la redistribución de asimilados se reduce con temperaturas bajas. La acumulación en hojas
resultante limita su expansión, tanto en nuevas variedades comerciales de tomate (Heuvelink, 1989) como en sus parientes salvajes
(Venema et al.,1999). Especialmente en plantas jóvenes esto limita
la intercepción de luz, por tanto la actividad fotosintética y el crecimiento del cultivo. Además, se sabe que el desarrollo vegetativo (la
diferenciación entre hojas nuevas y ramilletes) responde linealmente a
la temperatura media en un amplio rango.
Se muestra una regla no escrita muy empleada por los productores holandeses en la Figura 4. Según ella un productor de Almería
podría recolectar 3,8 ramilletes en el mes de noviembre, mientras que
uno en Ragusa recolectaría casi 3,4. Obviamente esto es pura especulación, dado que los dos productores no utilizan siquiera la misma
variedad. Sin embargo, De Koning (1994) observó que, a pesar de que
la pendiente puede cambiar entre variedades, la respuesta a la temperatura de la formación de ramilletes permanece lineal. Con todo, el 8%
de reducción de la producción en Almería (Tabla 1) por agotamiento de
CO2 era comparable a la pérdida de producción por bajas temperaturas asociada a ventilación en el invernadero de Ragusa. Obviamente
el hecho de que la temperatura media exterior fuese 1,5ºC más baja
en Ragusa hubiera requerido de tasas de ventilación más bajas (y
agotamientos mayores) para conseguir temperaturas medias similares
a las de Almería.
Ambos productores han adoptado sin embargo el mejor manejo para sus condiciones, a menos de que consideremos la opción de
compensar el agotamiento mediante fertilización carbónica, especialmente durante los meses relativamente fríos, con precios altos para el
producto y en los que la ventilación resultaría en un enfriamiento no
deseado del invernadero
127
ENRIQUECIMIENTO Y MANEJO DE CO2 EN INVERNADERO
Aporte de dióxido de carbono
Efectivamente, la fertilización carbónica –posibilitada por la
aplicación directa de los gases de calefacción- es uno de los factores
que ha dado lugar a las altas productividades de la horticultura de invernadero en los Países Bajos. El ahorro de energía y la aplicación de
energías renovables aseguran que haya menor emisión de gases, una
reducción posibilitada por el uso de CO2 embotellado o entubado. El
CO2 se comercializa cada vez más a precios competitivos también en
invernaderos no calefactados de la región mediterránea. Gracias a la
implementación del protocolo de Kyoto en un sistema de intercambio
de derechos de emisión, los precios actuales de CO2 embotellado o
entubado, PCO2, están entre 0.1 y 0.2 €/kg de dióxido de carbono, lo
que es comparable al coste de producción de dióxido de carbono quemando gas (tal y como solía hacerse en los invernaderos de Europa
del Norte incluso sin necesidad de calefacción). Por ello y a la vista de
la fuerte relación entre temperatura y producción, la elección más ventajosa para un productor consiste en ventilar lo menos posible (bajo
los requerimientos de humedad y temperatura control) y en aportar
CO2 embotellado hasta al menos la concentración exterior. Dado que
en este caso no hay salida de CO2, este nivel asegura que todo el
CO2 que se aporta es asimilado. Kläring et al. (2007) han descrito un
método de control de CO2 que permite mantener en el invernadero la
misma concentración que en el exterior.
sun radiation on crop (W/m2)
800
S9
S7
400
S5
0.5
0.5
11
22
3
3
44
55
77
S1
10 20
20 0.5
10
0.5
S7
S7
120-150
90-120
60-90
30-60
0-30
-30-0
120-150
S5
S3
0
S9
S9
90-120
60-90
30-60
0-30
-30-0
S5
S3
S3
11
22
3
3
44
55
77
ventilation rate (n/h)
S1
10
0.5
10 20
20 0.5
11
22
33
4
4
5
5
77
10
10
S1
20
20
Fig. 5. Retorno neto d tasas fijas de aporte de CO2 (de izquierda a derecha: 36, 108
y 180 kg/h·ha), en función de la radiación solar en la parte superior del dosel, y de
128
120-150
90-120
60-90
30-60
0-30
-30-0
Cecilia Stanghellini
la tasa de renovación de aire en un invernadero de 4 m de altura media y para un
precio de CO2 embotellado de 0,20 €/kg y de tomate a 0.55 €/kg. El oscurecimiento
representa beneficios entre 0 y 30; 30 y 60; 60 y 90; 90 y 120 €/h·ha, respectivamente
La zona rallada representa pérdidas netas, en todos los casos entre 0 y 30 €/h·ha.
180 kg/h·ha es la capacidad estándar de los sistemas de aporte en los invernaderos
neerlandeses.
. 180 kg/h·ha is the standard capacity of supply systems in Dutch glasshouses.
El mantenimiento de una concentración más alta que en el exterior resultaría obviamente en una menor eficiencia de la fertilización
carbónica ya que parte del CO2 se escaparía a través de las ventilaciones, aún así seguiría teniendo sentido económico. El aporte (S)
de CO2 debería equilibrar la asimilación neta (A) y las pérdidas por
ventilación (V).
(
)(
)
(
)
0.5P d .m. A − PCO2 S = 0.5P d .m. − PCO2 f I sun , CO2, in − PCO2 g V CO2,in − CO2, out ⇒ MAX
mg m−2 s−1 (6)
en donde gV es el volumen de intercambio por ventilación y por unidad
de superficie del invernadero, m3m–2 s–1, que equivale a: m s–1, y CO2
es la concentración de CO2, mg m–3, dentro y fuera respectivamente.
La Ec(1) es una función aproximativa de la asimilación neta.
La Fig.5 muestra el beneficio neto de aportar dióxido de carbono con una capacidad fija, para una serie de combinaciones de radiación solar en la parte superior de las plantas, y las necesidades de
ventilación del invernadero. Obviamente no todas las combinaciones
son posibles en un invernadero ventilado de forma natural, dado que
normalmente radiaciones solares elevadas implican altas necesidades
de ventilación. Por ello las combinaciones que se den de una manera
natural tenderán a acumularse a lo largo de la diagonal de abajo a la
izquierda hacia arriba a la derecha. Aún así, la Fig. 5 aclara que hay
campo para un manejo inteligente de la fertilización carbónica.
129
ENRIQUECIMIENTO Y MANEJO DE CO2 EN INVERNADERO
Manejo económico de la fertilización con dióxido de carbono
La gestión económica debe tener en cuenta costes y beneficios, esto es el coste del aporte (el precio de 1 kg de CO2) y del valor
de 1 kg de CO2 asimilado. Hemos visto como 1 kg de CO2 asimilado
equivale a 0,5 kg de materia seca. El valor de cada kg de materia seca
depende obviamente del cultivo, de su valor y del índice de cosecha
(la fracción de materia seca que va a los órganos que serán vendidos).
Esto será expresado como Pd.m y sus unidades son €/kg de materia
seca.
La concentración óptima de dióxido de carbono es aquella que
maximiza el beneficio, o sea el valor del CO2 asimilado menos el coste
del aporte. La maximización del beneficio implica una modulación del
aporte para mantener una concentración interna de dióxido de carbono que asegure que el valor de A menos el coste de sea máximo en
todo momento:
(
)(
)
(
)
0.5P d .m. A − PCO2 S = 0.5P d .m. − PCO2 f I sun , CO2, in − PCO2 g V CO2,in − CO2, out ⇒ MAX
€ m−2 (7)
En donde obviamente A y S están expresados en mg m−2 s−1, los precios están expresados en €/mg y el CO2 se debe expresar en mg m–3.
La búsqueda de un máximo implica que la derivada de la parte izquierda de la ec(7) en función de la concentración de CO2 debe ser igual a
cero (Fig. 6). Teniendo en cuenta que 230 vpm = aprox. 460 mg m-3 y
definiendo:
130
Cecilia Stanghellini
Figura 6. Ejemplo esquemático del cálculo de la concentración optima de dióxido de
carbono, esto es la concentración que asegura que la diferencia entre el rendimiento
productivo y el coste de aportar CO2 es máxima. La tendencia de la producción con la
concentración de CO2 es la misma que la de la asimilación. El coste de aporte de CO2
depende de los costes de capital (la instalación), que no depende del aporte, y del precio de cada kg de CO2 que se aporta. La figura muestra el punto en donde la diferencia
entre la producción y el coste del aporte es máxima, punto en el que la tangente de la
curva de producción tiene la misma pendiente que la línea de costes. La derivada de
una función proporciona la pendiente en cada punto.
F I = 2.2[1 − exp(− 0.0015I sun )] y 0.5Pd .m. − PCO2 = R PCO2 La derivada se puede calcular como:
∂
∂CO2,in
⎡
⎢
FI
− gV CO2,in − CO2, out
PCO2 ⎢ R
⎢ 1 + 460
⎢
CO2,in
⎣
(
⎤
⎥
⎥ = 0
⎥
⎥
⎦
)
131
ENRIQUECIMIENTO Y MANEJO DE CO2 EN INVERNADERO
R FI
R FI
460
− gV = 0 ⇒ CO2,in,OPT = 21.5
− 460 2
gV
(CO2,in + 460)
mg m–3 (8)
Se debe dividir entre 2 para transformar a vpm. La Ec.(8) muestra que la concentración óptima de CO2 aumenta tanto con la radiación
solar (expresada como FI) y con la relación R entre el valor y el coste
del CO2, y disminuye con la ventilación. La Ec(8) es calculada para
distintas condiciones en la Figura 7, que clarifica que hay un cierto
número de condiciones bajo las que tiene sentido mantener una concentración dentro del invernadero superior a la del exterior, a pesar de
la ventilación. El manejo “óptimo” de la fertilización carbónica debería
orientarse a mantener concentraciones relativamente altas en ausencia de ventilación, y bajar gradualmente al manejo “mínimo”-esto es
emparejar la concentración en el interior con el exterior- sólo con tasas
de ventilación altas y/o CO2 caro. La Fig. 7 muestra que tanto el nivel
que debe mantenerse en ausencia de ventilación como la pendiente
de la tendencia en tasas intermedias de ventilación dependen de la
intensidad de la radiación y de la economía, es decir el valor de la
cosecha y el coste del CO2.
El aporte óptimo (es decir, la tasa de inyección que garantiza
el máximo beneficio) puede también ser calculado:
SOPT = ACO2 ,in.OPT + VCO2 ,in,OPT = FI
CO2,in,OPT
CO2, in,OPT + 460
1
2
SOPT = FI − g v (460 + CO2,out ) + 21.5(FI g v )
(
)
+ gV CO2,in,OPT − CO2, out ⇒
1
− ⎞
⎛ 12
⎜ R − R 2 ⎟ ⎜
⎟
⎝
⎠
mg m−2 s−1 (9)
con la concentración exterior de CO2 en mg m–3, gv in m s−1 y los precios en € mg–1. Para obtener kgCO2 ha–1 h–1 será necesario multiplicar
132
Cecilia Stanghellini
por 36. La Ec(9) muestra que la tasa óptima de aporte de CO2 sólo depende de la relación R entre el valor y el precio del CO2 y no de los dos
singularmente. La Fig. 8, en la que la Ec.(9) se calcula para un número
de casos, muestra que -bajo ciertas condiciones (de radiación y R =
relación valor/precio)- la tasa óptima de aporte aumenta rápidamente
con la tasa de ventilación y después disminuye al nivel que reemplaza
la asimilación del cultivo.
800
S7
S7
sun radiation on crop (W/m2)
S7 S7
400
1400-1600
1200-1400
1000-1200
800-1000
S4
S4
600-800
400-600
0
800 0.5
1
2
3
4
5
7
10
S1
200.5
S4 S4
1
2
3
4
5
0.50.5 1 1
2 2
10
S1
20
S7
S7
400
7
S1 S1
4 5 5 7 7 10 10 20 20
3 3 4 1400-1600
S4
1200-1400
1000-1200
800-1000
S4
600-800
400-600
0
0.5
11
0.5
22
33
44
55
77
S1
10
0.5 11 2 2 3 3 4 4 5
10 20
200.5
5
1400-1600
1200-1400
1000-1200
800-1000
1400-1600
1400-1600
> 600-800
400-600
1200-1400
1200-1400
1000-1200
1000-1200
800-1000
800-1000
600-800
600-800
400-600
400-600
1400-1600
1200-1400
1000-1200
800-1000
600-800
400-600
S1
7 7 1010 2020
ventilation rate (n/h)
Fig. 7. Concentración de dióxido de carbono que garantiza el beneficio mayor, ec(8),
en función de la radiación solar en lo alto del cultivo y la tasa de renovación en
un invernadero de 4 m de altura media. Los 4 paneles se calculan para distintas
combinaciones de precios. En el sentido de las agujas del reloj, comenzando arriba a
la izquierda: CO2 embotellado 0.10 €/kg y tomate 0.40 €/kg; CO2 embotellado 0.20 €/
kg y tomate 0.40 €/kg; CO2 embotellado 0.20 €/kg y tomate 0.80 €/kg; CO2 embotellado 0.20 €/kg y tomate 1.20 €/kg.
133
ENRIQUECIMIENTO Y MANEJO DE CO2 EN INVERNADERO
Figura 8. Aporte óptimo de dióxido de carbono (kg Ha−1 h−1) en function de la tasa de
ventilación (h−1) de un invernadero con 4.5 m de altura. Ámbos grupos de líneas son
respectivamente calculadas para la radiación solar en la parte superior del cultivo de
600 W m−2 (líneas continuas) y 300 W m−2 (líneas discontinuas). En cada uno de los
grupos a mayor oscuridad de línea mayor es la relación entre el valor de CO2 asimilado y su precio. El valor horizontal es el valor que mantiene la concentración en el
interior igual al exterior, en ambos casos.
Lo que esto supone en términos de capacidad necesario de
inyección y beneficio potencial queda expresado en la Fig. 9 que demuestra que en la medida que el valor esperado aumente, vale la pena
aportar cantidades significativas de CO2 incluso a tasas de ventilación
134
Cecilia Stanghellini
elevadas, por seguro con niveles altos de radiación solar. Con cultivos
de alto valor esto implica capacidades de inyección superiores incluso
a los 180 kg/Ha·h = 5 mg m−2 s−1 típico de invernaderos en los Países
Bajos (ver el panel inferior). Obviamente los beneficios más altos se
alcanzarán con altos niveles de radiación y bajas tasas de ventilación, lo que en cierta manera supone un apoyo a la moda holandesa
de “invernadero semi-cerrado”, esto es un invernadero en donde son
prioritarias estrategias de manejo de temperatura alternativas (almacenamiento de energía y/o enfriamiento evaporativo) antes que a la
ventilación: por ejemplo Heuvelink et al. (2008). Lo que parece claro
es que el mejor manejo de la fertilización carbónica debería depender
de una relativamente alta capacidad (como de alta depende del valor
del producto y del coste del CO2), y debería poder controlar el aporte
en función de la intensidad de radiación y la tasa de ventilación, aunque esto incrementaría el coste de la instalación en comparación con
sistemas simples con flujo constante.
135
ENRIQUECIMIENTO Y MANEJO DE CO2 EN INVERNADERO
S7
S7
800
S7
S7
S4
3-4
S4
2-3
1-2
400
S4
7
10
S7
S1
20
6-7
S4
5-6
4-5
3-4
2-3
1-2
0-1
7
10
S7
S1
20
sun radiation on crop (W/m2)
0-1
0
8000.5
1
2
0.5
3
1
4
5
27
3
10
7
10
40-60
7
3
4
105
S7
S1
20 10
7
0-2020-40
0-20
S1
20
S7
S4
6-7
5-6
400
S4
0
8000.5
1
2
0.5
3
41
5
27
103
S1
0.5 4 1
20
52
240-280
200-240
280-320
160-200
240-280
4-5
3-4
2-3
1-2
S4
0-1
37
4
105
S7
S1
20
7
10
120-160
200-240
80-120
160-200
120-160
40-80
80-120
0-4040-80
0-40
S1
20
420-480
S7
S7
S4
8-9
400
S4
1-2
S1
20
52
120-140
60-80
100-120
40-60
80-100
60-80
20-40
280-320
6-7
5-6
4-5
3-4
2-3
S4
2-3
1-2
0-1
S7
8-9
7-8
S4
S14
0.5
1
20
3-4
140-160
120-140
100-120
80-100
140-160
0-1
0
0.5
1
0.5 1
3
22 0.5
3
44 1 55 277
103
10
S1
4 11
20
20
0.50.5
7-8
6-7
5-6
S4
4-5
3-4
2-3
1-2
0-1
52
2
360-420
300-360
420-480
240-300
360-420
180-240
300-360
240-300
120-180
180-240
60-120
120-180
0-6060-120
33 7 44 10
55
S1
S1
7
20
720 10
10
20
0-60
ventilation rate (n/h)
Fig. 9. Tasa optima de inyección de carbono (mg m−2 s−1, izquierda) y beneficio esperado (€ h−1 ha−1, derecha–sólo considera el coste variable del aporte de CO2), para
distintas combinaciones de radiación solar y tasas de ventilación. Se asume que el
precio de dioxido de carbono embotellado es de 0.20 €/kg en todos los casos, y que
el valor del producto es 0.5, 1.0 y 1.5 €/kg de tomate respectivamente, de arriba a
abajo aabajo. to bottom.
136
Cecilia Stanghellini
Se puede determinar la tasa de ventilación?
La manera más eficaz de gestionar el aporte de CO2 sería teniendo en cuenta la tasa de ventilación. Desafortunadamente esto se
conoce en pocas ocasiones y es la fracción de apertura la que se utiliza como valor aproximativo. Sin embargo la tasa real de ventilación
en cualquier momento dependerá de muchos factores y no solo de la
apertura de las ventanas: geometría, velocidad y dirección del viento.
Una alternativa que puede ser adecuada para ser implementada en controladores de clima es determinar la tasa de ventilación con
la medición de variables climáticas en el interior y exterior del invernadero (Bontsema et al., 2007). Esto se hace determinando gv como la
solución de la combinación de las ecuaciones de equilibrio de entalpía
y vapor en el invernadero. A pesar de que, en principio, la tasa de
ventilación podría obtenerse a partir del balance de calor sensible únicamente, la solución se vuelve muy inestable en el caso de pequeñas
diferencias de temperatura entre el interior y el exterior. Por ello hemos
aplicado el siguiente procedimiento que es más robusto. El balance de
entalpía se expresa como sigue:
I radτ + c pipe (Tpipe − Tin ) + csoil (Tsoil − Tin ) − ccover
Acover
(Tin − Tout ) − g v ρc p (Tin − Tout ) − L(E − C ) = 0
Asoil
W m−2 (10)
En donde Irad indica la radiación solar (W m−2); τ es la transmisividad
de la cubierta del invernadero; c es el coeficiente de transferencia de
calor de las tuberías de calefacción, del suelo y de la cubierta, respectivamente (W m−2 K−1); T es la temperatura de las tuberías de calefacción, el suelo y el aire en el interior y el exterior (ºC); A es la superficie
de la cubierta y el suelo del invernadero (m2); ρcp es la capacidad de
calor volumétrica del aire (J m−3 k−1); L es el calor latente de evaporación (J g−1); E y C son las densidades de flujo de la evapotranspiración
y la condensación (g msoil−2 s−1). Y el balance de vapor es:
E − C − gv (χin − χ out ) = 0
g m−2 s−1 (11)
137
ENRIQUECIMIENTO Y MANEJO DE CO2 EN INVERNADERO
con χ indicando la concentración de vapor (g m−3). Las dos ecuaciones
se pueden combinar en forma matricial:
A
⎡
⎤
⎡ L ρc p (Tin − Tout )⎤ ⎡ E − C ⎤ ⎢ I radτ + c pipe (Tpipe − Tin ) + csoil (Tsoil − Tin ) − ccover cover (Tin − Tout )⎥
Asoil
=
⎢
⎥ × ⎢
⎥
⎢
⎥
⎣ 1 − (χ in − χ out ) ⎦ ⎣ g v ⎦ ⎢
0
⎥⎦
⎣
(12)
y la inversión resulta en dos incógnitas: gv (la tasa de ventilación) y la
diferencia entre evapotranspiración y condensación, a pesar de que la
segunda no se emplee aquí.
138
Cecilia Stanghellini
Figura 10. Arriba: radiación solar durante un día de primavera (W m−2, eje izquierdo) y
tasa de ventilación (h−1, eje derecho) determinado por Ec (12), para dos compartimentos con muy distinto manejo (en uno se permitieron mayores temperaturas que en el
otro). Abajo: valores calculados de la tasa óptima de aporte en cada compartimento y
la tasa de asimilación correspondiente (ambos en kg Ha−1 h−1) para el mismo día. El
aporte óptimo en el compartimento más ventilado consistió únicamente en la reposición del dióxido de carbono asimilado, excepto por la mañana temprano y al final de la
tarde, momentos en los que la ventilación era menor (ver arriba).
Dado que tanto las necesidades de asimilación y ventilación
varían en función de las condiciones, el aporte óptimo Ec. (9) deberá
ser calculado on-line por el controlador de clima mientras que la tasa
de ventilación gv es estimada por la Ec. (12). Implementamos este
algoritmo en formato DLL en el sistema comercial de control climático
(HortiMaX Optima) en uno de los invernaderos de la estación experimental de la Fundación Cajamar, Almería. La Figura 10 muestra los
resultados para un día soleado de primavera en dos compartimentos: uno muy bien ventilado y otro en el que se permitió ascenso de
la temperatura. El cultivo era tomate, con un valor esperado de 1 €/
139
ENRIQUECIMIENTO Y MANEJO DE CO2 EN INVERNADERO
kg (valor de 1 kg de CO2 asimilado ≈ 5.5 €) siendo el precio de CO2
embotellado de 0.2 €/kg, valores que debían ser introducidos previamente por el usuario. Tal y como podía advertirse en la Fig. 8, la tasa
óptima de aporte, bajo esas condiciones financieras, cae muy rápido
hacia el mantenimiento en el interior de la concentración exterior, esto
es suministrar exactamente la cantidad absorbida por el dosel vegetal.
Por ello vale la pena ventilar lo menos posible, permitiendo temperaturas más altas en el interior del invernadero lo que puede ayudar a
obtener un beneficio de la mayor concentración de CO2 (Dieleman et
al., 2005).
En este análisis no hemos considerado los costes de capital,
dado que los costes fijos obviamente no afectan a la estrategia óptima, solamente al beneficio neto que se puede alcanzar. Incrocci et
al. (2008) han analizado la rentabilidad de la fertilización carbónica
en condiciones de mercado, bajo las que las instalaciones son relativamente caras dada la escasez de demanda, como en Italia. Observaron que aún así los costes de capital son una parte significativa del
total de gastos en el caso de instalaciones para invernaderos menores
a 1 Ha.
Conclusión
Siempre que el dióxido de carbono no se encuentre disponible
como subproducto de la calefacción debe ser aportado de la forma
más económica. Esto asegura los mejores ingresos posibles para el
productor y evita emisiones innecesarias. Es probable que la mayoría
de los productores esperen buenos retornos de la inversión realizada
en un ainstalación para fertilización carbónica, especialmente en explotaciones mayores a 1 Ha. El sistema debería tener una capacidad
de inyección máxima no inferior a los 180 kg/Ha·h típicos de las instalaciones holandesas, y la capacidad de regular el caudal de acuerdo a
la radiación solar y la apertura de las ventilaciones.
En caso de que esta instalación esté disponible, una buena
estrategia de manejo sería ventilar lo menos posible (esto es lo menos
que permitan la temperatura y la humedad) y controlar gradualmente
140
Cecilia Stanghellini
los niveles de CO2 en el interior del invernadero, desde un nivel alto
(mayor que 1000 vpm) en ausencia de ventilación hasta el nivel de
concentración exterior cuando las tasas de ventilación exceden las 10
por hora.
Mayor precisión en el manejo equivaldría a determinar on-line
la tasa óptima de aporte, de acuerdo a la tasa de ventilación en ese
momento y a la asimilación potencial, que varían constantemente con
las condiciones meteorológicas. Hemos demostrado como un modelo
de asimilación simple y una rutina para determinar la ventilación online se pueden combinar en un algoritmo de optimización que puede
ser implementado en un ordenador de clima, para calcular en tiempo
real la concentración económicamente óptima de CO2 y la tasa de
inyección de CO2 correspondiente.
141
ENRIQUECIMIENTO Y MANEJO DE CO2 EN INVERNADERO
Referencias
Bontsema, J.; Hemming, J.; Stanghellini, C.; Visser, P.H.B. de; Henten,
E.J. van; Budding, J.; Rieswijk, T.; Nieboer, S., 2007. On-line
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Dieleman, J.A., E. Meinen and L.F.M. Marcelis H.F. de Zwart and E.J.
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Heuvelink, E. & Dorais, M. 2005. Crop growth and yield. In: Heuvelink
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142
Cecilia Stanghellini
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143
SISTEMAS CERRADOS EN CULTIVOS SIN SUELO
Alberto Pardossi y Luca Incrocci
Dipartimento di Biologia delle Piante Agrarie, University of Pisa
INTRODUCCION
Los cultivos de invernadero suponen una pequeña parte del
total de tierra cultivada en el mundo, pero pueden desempeñar un papel muy importante en la economía regional o nacional (EFSA, 2010).
La actividad en invernaderos se concentra normalmente en pequeñas
áreas (con frecuencia en las cercanías de zonas urbanas), lo que tiene
consecuencias sobre el medioambiente por el vertido de residuos (por
ejemplo plásticos y sustratos artificiales) y el elevado uso de agua y
fitosanitarios. La conciencia de contaminación asociada a los sistemas
de cultivo en invernadero obliga a los productores a adoptar métodos
de cultivo con un mínimo impacto medioambiental, como sistemas cerrados sin suelo y control biológico de plagas y enfermedades.
En los sistemas cerrados el agua de drenaje se recoge y se
145
SISTEMAS CERRADOS DE CULTIVO HIDROPÓNICO
recircula, lo que permite reducir el consumo de agua y la lixiviación
de nutrientes. Sin embargo la aplicación comercial de estos sistemas
es escasa dado que su manejo es más complicado cuando lo comparamos con sistemas abiertos a drenaje abierto (Savvas and Passam,
2002; Pardossi et al., 2006).
Este capítulo incluye indicaciones para un manejo eficiente de
sistemas cerrados sin suelo para la reducción del consumo de agua
y fertilizantes (y por tanto costes de producción) y de la emisión de
nutrientes con el agua de drenaje.
TECNOLOGÍA EN HIDROPONÍA
Bajo el término cultivo sin suelo (o hidroponía) se incluyen todas las técnicas desarrolladas para crecer plantas en medios sólidos
distintos al suelo (cultivo en sustrato) o en soluciones nutritivas aireadas (cultivo en agua). La clasificación de las técnicas de cultivo sin
suelo considera el tipo de sustrato y contenedor, como se distribuye
la solución nutritiva a la planta (riego por goteo; subirrigación; circulación, estancada o aeroponía) y también el destino de la solución nutritiva drenada (SN; sistemas de drenaje libre o recirculantes).
La Tabla 1 resume las principales características de las distintas técnicas de hidroponía. Se muestran algunos ejemplos de cultivo
sin suelo en la Figura 1.
La técnica de cultivo sin suelo más utilizada es la del cultivo
en contenedor (sustrato), mientras que otro tipo de técnicas de cultivo
en agua como el Nutrient Film Technique (NFT), las mesas flotantes
o la aeroponía son menos comunes a escala comercial. El cultivo en
sustrato se adopta generalmente para cultivos en hileras (por ejemplo
hortalizas de fruto como solanáceas y cucurbitáceas; fresas, flor cortada como rosa, gerbera, anthurium, etc.), mientras que los cultivos en
agua se usan más para cultivos de ciclo corto (por ejemplo hortaliza
de hoja). De hecho el cultivo en mesas flotantes se emplea cada vez
146
Alberto Pardossi - Luca Incrocci
más para cultivos de hoja cortada y para forzar bulbos (por ejemplo
tulipanes). Cada vez más frecuentemente se emplean para el cultivo
de ornamentales en contenedor sistemas de subirrigación cerrados.
Estos contenedores se disponen en canaletas por las que intermitentemente circula la solución nutritiva y también en balsetas con riego
por inundación.
Existen distintos tipos de contenedores (banquette, macetas,
bolsas, tablas) que pueden llenarse con sustratos orgánicos o inorgánicos, o con una mezcla de dos o tres materiales de distinto tipo,
por ejemplo mezclas de turba-perlita o turba-pumita. Normalmente el
volumen de los medios de cultivo oscila entre 10 L m-2 (tablas de lana
de roca) y 40 L m-2 (sacos de perlita) (100 a 400 m3 ha-1).
El vertido de sustratos ya usados supone una amenaza potencial al ambiente dado que pueden contener pesticidas, alterando
además el aspecto visual del paisaje, especialmente cuando son vertidos de forma ilegal. Algunos sustratos, como por ejemplo la lana de
roca, se entierran y se emplean como relleno tras uno o más ciclos
de cultivo. Sin embargo los costes de esta práctica son elevados y no
asumibles por muchos países.
147
SISTEMAS CERRADOS DE CULTIVO HIDROPÓNICO
Tabla 1. Principales características de distintos sistemas de cultivo sin suelo.
Sustrato y Sustrato
riego por y subirriggoteo
ación
Aplicación
comercial
NFT
Mesas flotantes
Aeroponía
Alto
Alto
Escaso
En aumento
Raro
Tipo cultivo
Hortalizas
de fruto
Fresas
Flores
cortadas
Plantas
maceta
Hortaliza
hoja
Hortaliza hoja
Flores bulbo
Hortalizas
Sustrato
Sí
Sí
No
No
No
Solución
nutritiva
recirculante
Sí/no
Sí
Sí
Estática o practicamente estática
Sí
Costes
de inversión
Moderado/alto
Alto
Alto
Bajo
Muy alto
Costes
Corrientes
Moderado/alto
Moderado/alto
Moderado
Bajo
Razonable/
alto
Capacidad
tampón
Alto
Alto
Bajo
Alto
Muy bajo
Riesgos
Moderado
Moderado
Alto
Moderado
Muy alto
Sistemas abiertos contra sistemas cerrados
Ambos sistemas pueden ser adoptados en cultivos en sustrato
con riego por goteo. En los sistemas cerrados el agua de drenaje se
recoge y reutiliza de acuerdo a un ajuste del pH y la concentración de
148
Alberto Pardossi - Luca Incrocci
nutrientes (en realidad la conductividad eléctrica – CE) y eventualmente se realiza una desinfección para minimizar el riesgo de enfermedades de raíz.
En los cultivos en sustrato se aplica normalmente un exceso
de solución nutritiva (recién preparada), con el fin de evitar problemas
asociados a una transpiración no homogénea en plantas individuales,
o prevenir acumulación de sales o desequilibrios iónicos de la solución
nutritiva. Normalmente en los cultivos sin suelo se manejan fracciones
de drenaje (la relación porcentual entre los volúmenes del agua drenada y el agua regada) de al menos un 20-30% para evitar la salinización
de la zona radicular. Por ello en los sistemas abiertos hay una pérdida
importante de agua que deriva en mayor gasto y contaminación del
agua subterránea. Malorgio et al. (2001) señalan que la pérdida anual
de agua y nitrógeno en un sistema de cultivo abierto en rosa fue respectivamente de 2123 m3 ha-1 y 340 kg ha-1. Por ello la adopción de
sistemas cerrados es esencial en una horticultura protegida sostenible. Desgraciadamente el uso de estos sistemas es escaso a escala
comercial y aparte de los Países Bajos, en donde son obligatorios
(Stanghellini et al., 2007), los sistemas abiertos son de uso generalizado en cultivos de invernadero dada su mayor simplicidad.
149
SISTEMAS CERRADOS DE CULTIVO HIDROPÓNICO
Figura 1. Ejemplos de cultivo sin suelo: arriba, cultivos en línea en sustrato
(tomate, izquierda; gerbera, derecha);medio, plantas en maceta en mesas (derecha)
o balsetas de inundación (izquierda); abajo, plántulas de albahaca (izquierda) o tulipanes (derecha) en cultivos en agua.
Además de los riesgos asociados a la posible transmisión de
patógenos de raíz, la salinización del agua de riego también supone un problema en el manejo de sistemas cerrados de cultivo. En el
caso de tener que usar un agua salina se produce una más o menos
rápida acumulación de iones perjudiciales (por ejemplo Na y Cl) que
se disuelven en el agua de riego a concentraciones más altas que la
concentración de absorción de los iones (relación entre los iones y
agua absorbidos por la planta). En estas condiciones se recircula nor150
Alberto Pardossi - Luca Incrocci
malmente hasta que la CE o/y la concentración de algún ión potencialmente tóxico alcance un valor máximo aceptable, por encima del cual
debe haber un descarte, al menos parcial (sistemas “semicerrados”).
Según Stanghellini et al. (2005), en el caso de que el productor
solamente disponga de agua salina, los sistemas cerrados no son viables económicamente en el caso de existir un reglamento medioambiental estricto, siendo la estrategia mejor valorada la mejora de la calidad del agua, bien por desalación o por mezcla de agua subterránea
y agua de lluvia. Aún así, para cultivos que presenten una tolerancia
moderada a la salinidad (por ejemplo tomate y melón) la adopción de
procedimientos de control de la fertirrigación puede ayudar a prolongar
los ciclos de recirculación de la solución nutritiva y minimizar el contenido en agentes contaminantes (como los nitratos) en la SN, en el
momento del descarte (Massa et al., 2010). En el siguiente párrafo se
indican algunas estrategias de fertirrigación.
MANEJO DE LA FERTIRRIGACIÓN
Programación del riego
En cultivos de invernadero el uso anual del agua de riego oscila
entre 150-200 mm (L m-2) en ciclos cortos y en suelo, como cultivos
de hoja, hasta los 1000-1500 mm en hortalizas de fruto en cultivo sin
suelo.
Con frecuencia los cultivos sin suelo están sobreirrigados, lo
que resulta en pérdida de agua y contaminación por el lixiviado de
fertilizantes (Thompson et al., 2007). Normalmente el exceso de riego
es el resultado de una planificación de riego inapropiada, en la que
siempre debe prevalecer la determinación de las frecuencias y dosis
de riego óptimas. El ajuste de la programación de riego es vital en
sistemas abiertos dado que determina el volumen estacional de riego
y la contaminación debida al lixiviado de nutrientes. Además la sobreirrigación o el riego deficitario pueden afectar al rendimiento productivo
también en los sistemas cerrados, por ejemplo al favorecer la incidencia de fisiopatías (necrosis apical en tomate y pimiento; Savvas et al.
151
SISTEMAS CERRADOS DE CULTIVO HIDROPÓNICO
2009) o la susceptibilidad a enfermedades de raíz (Saha et al., 2008).
La determinación de la dosis óptima de riego precisa del cómputo de dos cantidades: los volúmenes neto y bruto (real) de riego
expresados en L m-2 (o mm). La primera cantidad se corresponde con
la máxima oscilación del contenido en agua del sustrato tolerada por el
cultivo. La dosis de riego real es normalmente mayor que la dosis neta
ya que normalmente se precisan volúmenes de agua mayores debido
a la desigual transpiración de las plantas; diferencias en la descarga
de los goteros y por consiguiente la falta de uniformidad de riego; y la
necesidad de prevenir la acumulación de sales en la zona radicular.
Por todo ello la dosis real se calcula como la dosis neta multiplicada por un coeficiente de seguridad, que depende del cultivo y
del coeficiente de uniformidad y del riesgo de salinización del sustrato. Oscila entre 1,15 (cultivo y distribución de riego uniformes; uso
de agua de riego de relativa baja salinidad; cultivo muy tolerante a
salinidad) y 2,0 (alta variabilidad en la evaporación de las plantas –
ET; uniformidad de riego pobre, uso de agua salina; cultivo sensible
a salinidad). Estos valores resultan en fracciones de drenaje entre el
13 y 50%. La determinación de un coeficiente de seguridad es menos
relevante en sistemas cerrados, a pesar de que la fracción de drenaje
tiene un efecto sobre los costes de bombeo y desinfección de la SN.
La frecuencia de riego se calcula dividiendo la ET entre la dosis
neta de riego; si la ET es expresada diariamente, el resultado será el
número de eventos de riego.
En cultivos en sustrato el cultivo se riega normalmente varias
veces en el mismo día, comenzando por la mañana temprano. Más
del 90% de la ET diaria se produce durante el día; sin embargo en
invernaderos con calefacción o en épocas o zonas secas, puede ser
preciso el riego durante la noche. El riego en cultivos sin suelo se realiza normalmente con control automático por medio de:
152
Alberto Pardossi - Luca Incrocci
• Temporizador cuyas consignas se marcan basadas en la experiencia del productor
• Estación meteorológica o sensor de luz simple, que permite la estimación de la ET con ecuaciones más o menos complicadas (enfoque de modelos)
• Balanza (Figura 2) que mide gravimétricamente la ET de unas
cuantas plantas testigo durante periodos de tiempo cortos (minutos a horas)
• Sensor de raíz, que mide directamente el contenido volumétrico
de agua en el sustrato o la tensión de humedad (Pardossi et al.,
2009).
Figura 2. Balanza para el seguimiento automático de la evapotranspiración y del control de riego en un cultivo en sacos de tomate (Foto: A. De Koning, Hortimax, Pijnacker, NL).
Modelizando la ET
Se han desarrollado modelos de distinta complejidad para predecir la
153
SISTEMAS CERRADOS DE CULTIVO HIDROPÓNICO
ET de cultivos en invernadero. Baille et al. (1994) han propuesto una
ecuación simplificada para predecir la ET en función del LAI; radiación
interceptada (Rint, MJ m-2 h-1) y el déficit de presión de vapor (kPa):
ET = A ⋅
R int
+ B ⋅ LAI ⋅ VPD
λ
Ec. 1
en donde A (adimensional) y B (kg m-2 h-1 kPa-1) son coeficientes empíricos, y Rint,, se estima a partir del LAI y un coeficiente de intercepción
de luz que es específico de cada cultivo (k; oscila entre 0.6 y 0.8), de
acuerdo a la siguiente expresión:
(
)
R int = 1 − exp − k⋅LAI ⋅ R Ec. 2
Tras una correcta calibración de los coeficientes la ecuación anterior
predijo con exactitud la ET de distintos cultivos de invernadero. La
Tabla 2 muestra los valores de los coeficientes A y B para algunos
cultivos de invernadero.
154
Alberto Pardossi - Luca Incrocci
Tabla 2. Valores de los coeficientes A (adimensional) y B (kg m-2 h-1
kPa-1) de la Ec. 1. 1 para algunos cultivos de invernadero.
Cultivo
Condiciones de crecimiento
LAI
A
B
2.7
0.20
0.026
2.9
0.32
0.019
2.4
0.37
0.037
Impatients
5.1
0.67
0.013
Geranium
5.7
0.61
0.017
Poinsettia
2.0
0.12
0.017
Schefflera
4.4
0.60
0.014
Gardenia
4.5
0.46
0.019
Gardenia
6.6
0.53
0.013
0.26
0.034
0.42
0.042
0.24
0.032
Begonia
Cyclamen
Hibiscus
Francia; invernadero con calefacción; otoño y primavera;
plantas en maceta
Pepino
Almería, España; otoño y
primavera; cultivo en contenedor perlita
Geranio
España
Calabacín
Italia; otoño y primavera;
cultivo en pumita
Gerbera
0.5 - 2.6
Referencia
Baille et al., 1994.
Medrano et al., 2005.
0.24
0.055
2.5
0.56
0.018
Montero et al., 2001.
0.5-5.5
0.63
0.009
Rouphael and Colla,
2004.
Almería, España; otoño y
primavera; sistema semicerrado lana de roca.
1.0 – 2.2
0.55
0.019
Carmassi et al.,
unpublished
Rosa
Grecia; perlita en contenedores
2.5-3.5
0.24
0.026
Kittas et al. 1999
Tomate
España; otoño y primavera;
cultivo en perlita
2.5
0.58
0.025
Medrano, personal
communication
Sensores en la zona radicular
Los sensores de humedad de suelo pueden ser empleados
para regular la frecuencia de riego y también la dosis de agua si se
monitoriza en continuo el contenido volumétrico de agua (q) o el potencial matricial (ym; también llamado tensión o succión) en el sustrato
(Pardossi et al., 2009). En cultivos en suelo y sin suelo, la relación entre q y ym se expresa por medio de la curva de retención de agua, que
155
SISTEMAS CERRADOS DE CULTIVO HIDROPÓNICO
se determina en laboratorio siguiendo procedimientos estandarizados
(De Boodt and Verdonck, 1972; EN 1301 metódo).
Sistemas más caros y complicados, como la sonda de neutrones y el TDR (time-domain reflectometry) son utilizados en la investigación de suelos y plantas, mientras que instrumentos más baratos
y prácticos son los empleados en control de riego de cultivos comerciales. Se alumbran interesantes posibilidades para nuevos tipos de
sensores que miden las propiedades dieléctricas del suelo (Pardossi
et al., 2009). Estas sondas son más baratas y precisan de menos mantenimiento y experiencia en comparación con los tradicionales tensiómetros. El uso de sensores de humedad de suelo para el manejo del
riego, tanto en cultivos en suelo como sin suelo, se ha documentado
en muchos artículos, estando disponibles en el mercado una serie de
controladores simples de riego que pueden operar con uno o más de
estos sensores.
Los valores umbral del contenido volumétrico de agua o la tensión dependen de la especie y del medio de cultivo. El rango habitual
de valores de ym oscila entre -4 kPa a -10 kPa en sistemas de cultivo
sin suelo (Pardossi et al., 2009). Este valor puede ser convertido en q
utilizando la curva de retención de agua; por ejemplo en perlita un ym
de -5 kPa se corresponde con un q del 34%.
También se han desarrollado sensores como el 5TE (Decagon
Devices) or WET (Delta-T Device) que permiten tomar simultáneamente medidas de la temperatura, del contenido volumétrico de agua
y de la CE del agua en los poros, tanto en suelos como en sustratos
(Pardossi et al., 2009). Estos sensores facilitan una fertirrigación controlada. En este sentido se diseñó y evaluó positivamente un equipo
automático de fertirrigación que gestiona la frecuencia de riego y la CE
de la solución nutritiva en función de la medida simultánea de q y la CE
del agua presente en los poros de sustratos por medio de un sensor
WET (Incrocci et al., 2010). Se implementaron una serie de algoritmos
específicos en el software de control que activaban el riego cuando un
156
Alberto Pardossi - Luca Incrocci
valor umbral pre-establecido de q era alcanzado y que además gestionaban la dosis de riego y/o la CE de la solución nutritiva (mezclando
aguas de distinta procedencia) con el objeto de evitar la acumulación
de sales en el sustrato y minimizar el drenaje.
Solución nutritiva
Los altos rendimientos obtenidos en cultivos sin suelo resultan
de las óptimas condiciones que los sustratos artificiales proporcionan,
en caso de que se use sustrato, y del aporte de una solución nutritiva
de alta concentración y bien equilibrada. El uso de concentraciones de
nutrientes elevadas tiene como fin:
• garantizar un aporte adecuado de nutrientes sin las dificultades propias de mantener en la zona radicular una
concentración iónica relativamente constante;
• preparar automáticamente la SN con equipos de fertirrigación que diluyen las soluciones madres 100-200 veces
en el agua disponible, en función de la medida de la CE
(dada la concentración salina en el agua clara, así como
la precisión de los actuales sistemas de mezcla, no sería
posible el empleo de SN de baja concentración en invernaderos comerciales);
• mejorar la calidad de frutos, al menos en algunos cultivos
(efecto osmótico). En dichos cultivos CEs de 2,5-3,0 mS
cm-1 son requeridas para altas calidades
La solución nutritiva debe contener todos los macronutrientes
(nitrógeno, fósforo, potasio, calcio, magnesio y azufre) y micronutrientes (hierro, boro, cobre, manganeso, zinc y molibdeno) a concentraciones del orden de mili- y micro-moles por litro, respectivamente (Tabla
2). En función de la fisiología del cultivo (por ejemplo tolerancia a salinidad) y de su estado de desarrollo, condiciones climáticas y sistema
hidropónico adoptado, se emplean concentraciones molares que oscilan entre los 20 y 40 mM (1 a 2 g l-1). En base molar el nitrato es el ión
157
SISTEMAS CERRADOS DE CULTIVO HIDROPÓNICO
dominante. Normalmente los cultivos hortícolas no toleran el nitrógeno
en forma amoniacal, por lo que éste sólo se emplea a muy bajas concentraciones. Los valores óptimos de pH están entre 5,5 y 6,5.
La concentración se expresa como CE (dS m-1). Para la mayoría de soluciones nutritivas equilibradas en el rango de 1,0 a 4,0 dS
m-1, existe una relación lineal simple que permite convertir la concentración equivalente de cationes (C+, meq L-1) en CE, asumiendo que
la concentración de cationes sea igual a la de aniones (Sonneveld et
al., 1999):
EC = 0.19 + 0.095 C+
Ec. 3
Las características químicas de la SN pueden ser medidas con
instrumentos portátiles, kits de análisis rápido o análisis en laboratorio.
Normalmente el pH y la CE se comprueban con cierta frecuencia, incluso automáticamente, especialmente en cultivos cerrados.
La calidad del agua disponible para riego debe ser conocida
para establecer si requiere de algún tratamiento especial y para calcular la cantidad de fertilizantes necesarios para preparar las soluciones madre. Existen programas que permiten el cálculo de la cantidad
de sales necesarias para obtener soluciones madre, algunas de ellas
disponibles en Internet. La hoja de cálculo Excel SOLNUTRI ha sido
desarrollada por L. Incrocci de la Universidad de Pisa en Italia y está
disponible en: http://www.euphoros.wur.nl/UK/Deliverables/.
158
Alberto Pardossi - Luca Incrocci
Tabla 2. Concentración de macro- y micro-nutrientes en soluciones nutritivas utilizadas en producción comercial de hortalizas y cultivos ornamentales en hidroponía.
Macronutrientes (mol m-3)
Cultivo
N-NO3
N-NH4
P
S
K
Ca
Mg
Tomate
11-15
1-1.5
1.5-2
3.54.5
5-9
3.5-5
2-2.5
Pimiento
14-17
1-1.25
1.5-2.5
1.75-2
4-7
4-5
1.5-2
Berenjena
13-17
1.5-2
1.5-2
1.25-2
4-6
3-3.5
2-2.5
Pepino
16-18
1-1.25
1.25-2
1.25-2
5-8
3.5-4
1.5-2
Calabacín
15-18
1-1.5
1.5-2
1.75-2
5-8
3.5-4.5
2-2.5
Fresa
11-13
1-1.25
1-1.75
1-15
4-6
3-3.5
1-1.5
Melón
16-19
0.5-1
1-1.75
1.25-2
5-8
4-5
1.5-2
Clavel
13-16
1.5-2.5
2-2.5
3-3.5
7-9
3.5-4
2-2.5
Gerbera
11-13
0.5-1.5
1.75-2
3-3.5
4.5-6
3.5-4
1.5-2
Rosa
12-15
1-1.5
1.5-2
2.75-3
4.5-6
3.5-4.5
2-2.5
Anthurium
7.5-9
0.5-1
1-1.25
1-1.5
4.5-5.5
1-1.75
1-1.25
Micronutrientes (mmol m-3)
Fe
B3
Cu
Zn
Mn
Mo
3
Tomate
20-25
30
1
5
10
0.5
Pimiento
20-25
30
1
7
10
0.5
Berenjena
15-20
30
1
5
10
0.5
Pepino
15-20
25
1
5
10
0.5
Calabacín
10-15
30
1
5
10
0.5
Fresa
20-25
15
1
7
10
0.5
Melón
10-15
25
1
5
10
0.5
Clavel
30-35
30
1
5
5
0.5
Gerbera
35-45
35
2
5
5
0.5
Rosa
35-45
30
1
5
10
0.5
Lisianthus
25-35
30
1
5
10
0.5
Anthurium
15-20
20
0.5
3
5
0.5
159
SISTEMAS CERRADOS DE CULTIVO HIDROPÓNICO
Sistemas de fertirrigación
Los principales componentes de un sistema de fertirrigación
(Figura 3) son los siguientes:
• agua presurizada y filtrada de una o varias procedencias (agua
subterránea y agua de lluvia) y, en sistemas cerrados, SN recirculante (desinfectada o no); debido al riesgo de contaminación por
patógenos, la desinfección de SN recirculantes es recomendables
en sistemas cerrados;
• tubos de riego, goteros, electroválvulas y tanques;
• sondas para el seguimiento de la CE y el pH de la SN aportada,
recirculante y drenada;
• máquina de dosificación (gran número disponibles en el mercado),
que inyecta dos o más soluciones madre en agua y ajusta el pH y
la CE de la SN de aporte;
• contadores de agua para controlar la inyección de las soluciones
madre y los caudales de agua de riego en el sistema;
• estación meteorológica, empleada para estimar la ET del cultivo;
• sistema de control (programa informático) que establece los riegos
y el ajuste de la SN
Algunos de estos componentes (por ejemplo ordenador y unidad de desinfección se emplean únicamente en los sistemas más sofisticados.
Figura 3. Esquema típico de un sistema de cultivo sin suelo en sustrato
160
Alberto Pardossi - Luca Incrocci
Estrategias de fertirrigación en sistemas cerrados
En los sistemas cerrados las necesidades de agua se corresponden exactamente con el consumo de agua, que se acerca a la ET
dado que la evaporación desde el sustrato y fugas incontroladas son
despreciables. Si se emplea agua salina, se produce una más o menos rápida acumulación de iones lastre. En estas condiciones la SN
se recircula hasta que su CE y/o la concentración de ciertos iones (Na,
Cl o elementos traza como el B) alcanza los máximos valores umbral
aceptables (CEMAX o CMAX) para el cultivo en cuestión; a partir de este
punto al menos parte de la SN debe reemplazarse (lavado).
En función del criterio adoptado para el rellenado de nutrientes encontramos tres procedimientos que pueden ser adoptados en sistemas
cerrados comerciales:
A) La balsa de riego se rellena con SN, preparada mezclando
agua clara con la SNdrenaje en una proporción normalmente igual a
la fracción de drenaje y añadiendo soluciones madre hasta alcanzar la
CE consigna (Figura 4).
Fig 4. Esquema de sistema de fertirrigación de acuerdo a Estrategia A) (ver texto).
Este procedimiento mantiene constante la CE de la SNrecircu-
161
SISTEMAS CERRADOS DE CULTIVO HIDROPÓNICO
lante pero deriva en pérdida de nutrientes si hay iones lastre disueltos
en el agua de riego. En este sistema la CE no proporciona información sobre las concentraciones individuales de los distintos iones, tal y
como expresa el ejemplo que muestra la Figura 5.
Figura 5. Contribución de los distintos tipos de iones a la CE de la solución nutritiva
(SN) en un sistema cerrado de tomate en sustrato (Massa D., sin publicar). Los valores
hacen referencia a SN recién preparada o SN recirculada durante una o dos semanas.
Así, la SN recirculante debería ser analizada regularmente
(cada 1-2 semanas) mediante tests rápidos o en laboratorio con el
fin de ajustar la composición de la SN de relleno a decidir sobre la
necesidad de lavado. La SN será descartada si la concentración de
un ión dado alcanza Cmax. En los Países Bajos los productores están
autorizados a drenar sus sistemas cuando se alcanza una concentración límite de Na que es específica para cada cultivo (Vermeulen et al.,
2005): por ejemplo, 8 mol m-3 para tomate. Alternativamente se puede
descartar la SN cuando la concentración de agentes contaminantes
como nitratos se encuentra por debajo de los límites marcados por la
legislación a aguas residuales (Massa et al., 2011).
B) La absorción de agua se compensa con el rellenado del tanque de mezcla con SN pura (Figura 6) y la SN recirculante se descarta
cuando su CE y/o la concentración de un determinado ión supera la
CEmax o la Cmax. Esta estrategia resulta en una relativamente constante
162
Alberto Pardossi - Luca Incrocci
concentración de nutrientes pero conduce a un aumento progresivo de
la CE debido a la acumulación de iones lastre. La principal desventaja
de esta estrategia es que la CE de la SN varía, lo que no es aceptable para cultivos sensibles a la salinidad. De hecho, esta oscilación
de la salinidad puede dar lugar a BER o cracking en frutos de tomate
(Savvas, 2009).
Semi-closed soilless system
Option B- constant nutrients in the recycling NS
Rain water
Ground water
Irrigation controller
Electrovalve
H+-
8
…
OH-
1
Clean water
tank
Crop
Climate data
Stock nutrient tanks
Mixing tank
Substrate
Reservoir
tank
Drainage
collection tank
Disinfected
drainage tank
Disinfection
NS unit
Day-storage tank
Flushing if
EC>ECMAX;
Na>NaMAX
(NO3->NO3-MIN)
Fig 6. Esquema de fertirrigación según estrategia B (ver texto).
C) Este procedimiento es similar a estrategia A con la diferencia de que cuando se alcanzan la CEmax o la Cmax, la absorción de agua
se compensa durante algunos días únicamente con agua clara con pH
corregido, con el fin de minimizar la concentración de iones contaminantes en la SN antes del lavado.
La Figura 7 ilustra la evolución en el tiempo de la CEdrenaje (sistema
abierto) o CErecirculante (sistemas semicerrados), y como los iones
nutriente y lastre contribuyen a la CE.
Massa et al. (2010) estudiaron el efecto de tres estrategias de ferti-
163
SISTEMAS CERRADOS DE CULTIVO HIDROPÓNICO
Low
Low
EC
EC
High
High
rrigación (A-C, según descripción previa) sobre la eficiencia en el uso
de agua y nitrógeno en un sistema semicerrado de tomate de invernadero en lana de roca con riego salino (concentración de NaCl de 9.5
mol m-3). En ambos años no se encontraron diferencias importantes
en producción y calidad de fruto entre las estrategias estudiadas. La
estrategia C dio los mejores resultados en cuanto uso de agua y drenaje, mientras que la estrategia B fue el procedimiento más eficiente
con respecto al uso de nitrógeno. A diferencia de la estrategia A, tanto
la B como la C minimizaron las emisiones de nitrógeno, siendo las
concentraciones de nitrógeno en los efluentes menores que el límite
(1,42 mol m-3) impuesto por la normativa italiana de acuerdo a la Directiva Europea sobre Nitratos a la descarga de aguas residuales en las
aguas superficiales.
Nut. Sol.
Ballast ions
Nutrients
0
Time
g
Flushin
Nut. Sol.
Ballast ions
Nutrients
0
Strategy B
Low
Low
EC
EC
High
High
Strategy A
g
Flushin
Time
Nut. Sol.
Ballast ions
Nutrients
0
Time
Strategy C
g
Flushin
Nut. Sol.
Ballast ions
Nutrients
End
0
Time
Open system
Figura 7. Contribución de iones nutritivos y lastre (por ejemplo Na) a la CE de la solución nutritiva recirculante en un sistema semi-cerrado gestionado según distintos
164
Alberto Pardossi - Luca Incrocci
protocolos de control (Estrategias A-C; ver texto) de la solución drenada en sistema
abierto.
Massa et al. (2011) desarrollaron un modelo compuesto de las
relaciones hídricas y minerales en un cultivo de tomate en un sistema
semicerrado o abierto en lana de roca. El modelo simulaba diariamente: i) la evolución del índice de área foliar y absorción de agua mediante el uso de ecuaciones empíricas; ii) las variaciones de las concentraciones iónicas y la conductividad eléctrica (CE) de la solución nutritiva
recirculante o de drenaje mediante el uso de una ecuación de balance
de masas basada en el concepto de concentración de absorción iónica.
El modelo se calibró con datos obtenidos en trabajos previo
validados en dos experimentos independientes en los que evaluaron
distintas estrategias de fertirrigación utilizando soluciones nutritivas
preparadas con agua salina (9.5 mol m-3 NaCl). El modelo predecía
aceptablemente la evolución en el tiempo de la CE y de la concentración iónica de la recirculación (sistema semicerrado) o del drenaje
(sistema abierto); en general había una buena coincidencia entre los
valores simulados y medidos del consumo total de agua y fertilizantes.
Las principales ventajas de este modelo son su facilidad de
uso, su bajo número de variables y parámetros, y que puede ser fácilmente recalibrado si regularmente se mide la absorción de agua y
se analiza la composición de la solución nutritiva recirculante. Este
modelo compuesto puede ser integrado en un sistema experto para
manejo de la fertirrigación en cultivo sin suelo. Además, el modelo
permite la estimación local de disminución de agua y lixiviación de
nutrientes en cultivos de invernadero y también análisis de escenarios
bajo distintas prácticas de cultivo. En los Países Bajos la legislación
en vigor impone límites al volumen de riego que puede ser aplicado a
cultivos de invernadero (por ejemplo, 1140 L m-2 en un cultivo de tomate; Stanghellini et al., 2007). Modelos de simulación del consumo estacional de agua pueden ser útiles herramientas tanto para productores
(manejo eficiente del agua en la explotación) como para políticos (por
ejemplo para establecer límites en la aplicación de agua). El modelo
165
SISTEMAS CERRADOS DE CULTIVO HIDROPÓNICO
podría ser también utilizado para estimar la emisión de productos de
protección vegetal que son aplicados a través de la solución nutritiva
recirculante, lo que va a depender de la cinética de disipación, de la
absorción radicular de la sustancia a estudiar y de la frecuencia de
lavado (Vermeulen et al., 2010).
Este modelo esta implementado en una hoja de cálculo EXCEL
(SIMULHYDRO), disponible de forma gratuita en www.euphoros.wur.
nl/UK.
Seguimiento de la solución nutritiva
Los kits de test rápido de extractos de sustrato y soluciones
nutritivas son una alternativa válida los análisis de laboratorio, caros y
lentos. Una amplia gama de estos kits está disponible en el mercado.
Muchos fabricantes ofrecen este tipo de kits específicos para varios
compuestos.
Normalmente estos kits consisten de reactivos listos para usar,
vasos y un equipo de medición portátil. Los precios medios oscilan entre unos pocos euros (ensayos colorimétricos con tiras reactivas) hasta varios cientos para electrodos de ión selectivo. Los kits disponibles
comercialmente se agrupan en los siguientes tipos:
• Kits de test rápido titrimétricos: se basan en la reacción entre el
analito y un reactivo de concentración conocida; la reacción se da
normalmente en presencia de una sustancia que sufre un viraje de
color cuando la reacción se ha completado.
• Kits de test rápido colorimétricos: implica reacciones de coloración.
Los más simples son las tiras reactivas. La intensidad de color del
compuesto final, proporcional a la concentración del analito, se
mide cuantitativamente con un fotómetro o reflectómetro (Figura
8) o semicuantitativamente al comparar el color de la muestra con
una escala normalizada.
166
Alberto Pardossi - Luca Incrocci
1
2
3
Figura 8. Determinación rápida del contenido en nitratos de una solución nutritiva
hidropónica con un reflectómetro portátil.
En un estudio realizado en la Universidad de Pisa se vio que
las determinaciones titrimétricas y reflectométricas podían ser empleadas para analizar los siguientes iones, en ciertos rangos de concentraciones, del agua de riego, extractos de sustrato y SNrecirculante
(Maggini et al., 2010):
• Amonio (reflectometría; 0.2 – 0.7 mg L-1)
• Boro (ensayo titrimétrico; >0.2 mg L-1)
• Cloruros (reflectometría; 2 – 50 ó 50 – 1000 mg L-1)
• Nitratos (reflectometría; 2 - 90 ó 5 - 225 mg L-1)
• Fosfatos (reflectometry; 0.1 – 5 ó 5 - 120 mg L-1)
Existe disponible en el mercado un equipo, relativamente caro
-algunos miles de euros-, portátil, de medición multi-ión (Clean Grow,
Cork, Ireland; www.cleangrow,com). Tiene una sonda única que permite el análisis rápido de calcio, cloruros, potasio, sodio, amonio, nitratos
y temperatura. Los autores no conocen de la realización de ninguna
evaluación independiente de este equipo
167
SISTEMAS CERRADOS DE CULTIVO HIDROPÓNICO
Necesidades de lavado en sistemas semicerrados
Los modelos de simulación pueden contribuir a mejorar el control de
la fertirrigación en sistemas semicerrados al considerar variaciones
en la composición iónica de la SNrecirculante y apoyar al productor
en la toma de decisiones en lo que se refiere al relleno de SN o a las
necesidades de lavado.
Se han diseñado distintos modelos para la gestión automática
de la fertirrigación en sistemas cerrados (por ejemplo Heinen, 2001;
Silberbush et al., 2005; Mathieu et al., 2006). Las aplicaciones comerciales de estos modelos son complicadas ya que precisan de muchas
variables y parámetros. En su lugar Carmassi et al. (2007) propone
una simple ecuación de balance de masas para predecir la W de un
sistema semicerrado de cultivo sin suelo en función de unas pocas
variables y parámetros, incluyendo la CU de iones nutritivos y lastre.
De la ecuación propuesta por Carmassi et al. (2007), se puede derivar una ecuación simple asumiendo los siguientes puntos: i) la
concentración de absorción es despreciable comparada con la concentración el ión considerado en la SN de relleno (esto es en el agua
clara - CI); ii) durante el lavado el volumen total de la SNrecirculante
se descarta. La ecuación es como sigue:
LR =
CI
C MAX − C I
Ec. 4
En donde Cmax se define como anteriormente.
Esta ecuación puede ser empleada para estimar la CI máxima (CI,max) que haría posible el desarrollo de un cultivo con una ET y
tolerancia al ión considerado conocidas (Cmax) y con las restricciones
impuestas por una disponibilidad hídrica limitada (volumen máximo de
168
Alberto Pardossi - Luca Incrocci
agua de riego disponible – Wmax), lo que a cambio determina la LR:
CI =
en donde
CI =
Cmax ⋅ LR (1 + LR )
Ec. 5
Cmax ⋅ LR (1 + LR )
Ec. 6
Maximum ion concentration
in raw water (CI,max; mol m-3)
La figura 9 muestra el valor de CI,max como una función de Cmax y LR.
8.0
7.0
LR = 50%
6.0
LR = 40%
5.0
LR = 30%
4.0
3.0
LR = 20%
2.0
LR = 10%
1.0
0.0
0.0
4.0
8.0
12.0
16.0
20.0
Maximum ion concentration in raw water
(CI,max; mol m-3)
Figura 9. Concentración máxima en agua de un ión lastre en función de la tolerancia
del cultivo a ese ión (expresado como una concentración umbral en la solución nutritiva recirculante) y el porcentaje de lavado buscado (LR).
169
SISTEMAS CERRADOS DE CULTIVO HIDROPÓNICO
MANEJO DE LAS ENFERMEDADES DE SUELO
En los sistemas sin suelo puede producirse una acumulación
de microorganismos fitopatógenos, especialmente en la SNrecirculante. El control de fitopatógenos en el agua recirculante de invernaderos
y viveros puede lograrse mediante distintas técnicas de desinfección
(Ehret et al., 2001; Stewart-Wade, 2011; ver Tabla 3 para una corta
descripción). Sin embargo la estrategia más eficiente en la prevención
de enfermedades de raíz en sistemas cerrados sin suelo consiste en
la aplicación de una o más técnicas de desinfección asociadas a la
adopción de medidas profilácticas:
• lavar y desinfectar el suelo y estructuras del invernadero (mesas, líneas de riego, etc.) antes de la plantación;
• prevenir la entrada de plagas y patógenos en ropa, zapatos,
agua de riego (posibilidad de contaminación antes o durante
almacenamiento);
• mantener el cultivo en buenas condiciones sanitarias con un
manejo adecuado del clima y fertirrigación, control integrado
de plagas y enfermedades (inspección y eliminación regular de
todos los materiales infectados);
• registrar con regularidad la presencia de propágulos patogénicos en el sistema (sustrato y/o SNrecirculante);
• desinfectar la SNrecirculante;
• desinfectar el sustrato antes de cada cultivo en el caso de incidencia baja o media de enfermedades de raíz y/o plagas. Si
el cultivo está seriamente afectado de enfermedades de raíz o
nemátodos, la reutilización de los medios de cultivo es arriesgada aún con desinfección.
Los diagnósticos tempranos son esenciales para prevenir la incidencia de enfermedades de raíz. Se recomienda la realización regular de tests con el fin de determinar si es necesaria o no la desinfección
170
Alberto Pardossi - Luca Incrocci
de la SN recirculante. La adopción de métodos ADN permite la detección e identificación de patógenos en muchos tipos de muestras de
cultivo, incluyendo agua de riego, solución nutritiva, tejidos vegetales
y medio de cultivo. Los tests ADN son rápidos (los resultados pueden
estar disponibles en un par de días), específicos (sólo se detecta el
patógeno objetivo), sensibles e indicativos del nivel de infección.
Tabla 3. Ventajas y desventajas de los métodos más empleados en la desinfección de
soluciones nutritivas (fuente: van Os et al., 2003; Stewart-Wade, 2011; van Os 2012).
MÉTODO
DESINFECCIÓN
DOSIS
Ventajas
Desventajas
Alta eficacia
Alta inversion y costes elevados (sólo explotaciones >
1 Ha).
100-250 mJ/cm UV-C
Eficacia e inversión
moderadas
A veces resultados no fiables;
precisa de pre-filtración;
degradación de los quelatos
de hierro.
Tamaño de poros: 0.05
mm para Fusarium; 0.1
mm para Verticillum
Muy eficaz
Muy caro; vida útil corta de la
membrana
Muy eficaz
Caro; precisa de filtración y
acidificación preventivas;
degradación de quelatos de
hierro.
95°C durante 30 s
Tratamiento térmico
85°C durante 3 min
Radiación UV-C
(Figura 11)
Filtro de membrana
2
Ozono
10 g m-3 h-1
Cloro
2 ppm Cl, 1 min; para P.
Cinnamomi
Muy eficaz; empleado
para la desinfección
de la estructura del
invernadero y equipos
Dificultad en el establecimiento de dosificación
eficaz; acidez y compuestos
orgánicos afectan eficiencia .
Peróxido de hidrógeno
100 ppm para Fusarium
spp.
Costes de inversion
bajos
No elimina completamente
nemátodos; degrada quelatos
de hierro.
Caudal de 100–300 L
m2 h-1
Tamaño de grano: 0-2
mm
Costes de inversión
bajos; adecuado para
sistemas de baja
tecnología y pequeño
tamaño
Elimina completamente
hongos zoospóricos y solo
parcialmente Fusarium, virus
y nemátodos.
Filtración lenta
171
SISTEMAS CERRADOS DE CULTIVO HIDROPÓNICO
Otro problema que podría reducir la productividad del cultivo
es la acumulación de metabolitos de origen vegetal o bacteriano en la
SNrecirculante y/o en el medio de cultivo. Algunos de estos compuestos pueden tener efectos beneficiosos sobre el desarrollo del cultivo
pero otros pueden ser fitotóxicos por ser alelopáticos. De hecho en
el cultivo sin suelo en ciclo cerrado de rosas, particularmente en los
Países Bajos, la SN recirculante se descarta con frecuencia para evitar la acumulación de NaCl y la inhibición del crecimiento asociada a
sustancias orgánicas desconocidas y evidenciada por un aumento en
la producción y calidad de flores durante las semanas posteriores al
descarte (Van Os et al., 2012). Estos autores investigaron el efecto de
oxidación avanzada de la solución nutritiva recirculante en dos viveros
de rosas en los Países Bajos. La oxidación avanzada se basa en el
aporte de peróxido de hidrógeno a la solución nutritiva, seguido de una
exposición a luz UV-C. Se observó que este tratamiento reducía la inhibición del crecimiento, degradaba los fitosanitarios aportados a la SN
recirculante y eliminaba fitopatógenos sin que se apreciara un efecto
importante en la composición de la solución nutritiva (con la excepción
del hierro, debido a la degradación por UV del hierro quelatado). Van
Os et al. (2012) emplearon el PhytotoxkitÔ (http://www.microbiotests.
be) con el fin de investigar la presencia de metabolitos perjudiciales
en el agua de drenaje. Phytotoxkit es un test rápido basado en la germinación y desarrollo temprano de una serie de plantas de referencia
como Sorghum saccharatum, Lepidium sativum y Sinapis alba.
Figura 10. Unidad de desinfección UV de soluciones nutritivas recirculantes.
(Foto: Spagnol Greenhouse Technologies, Vidor, Italy).
172
Alberto Pardossi - Luca Incrocci
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176
177
ANÁLISIS ECONÓMICO Y CICLO DE VIDA DE LOS DISTINTOS
SISTEMAS DE INVERNADERO
A.Antón Vallejo1, M.Torrellas Iglesias1, M.Ruijs2 and J.I. Montero Camacho1
1
2
IRTA. Centre de Cabrils, 08348 Cabrils, Barcelona, Spain
Wageningen UR Greenhouse Horticulture. PO box 644, 6700 AP Wageningen, the Netherlands
INTRODUCCIÓN
El proyecto EUphoros tiene como objetivo el desarrollo de
sistemas sostenibles de producción en invernadero en Europa, con
una reducción de inputs y residuos pero manteniendo una alta productividad y eficiencia en el uso de recursos. Se analizó la valoración
económica y medioambiental de los sistemas productivos actuales en
Europa; informe incluido en el Deliverable 5 (Montero et al., 2011). Los
resultados muestran las principales limitaciones que deberían ser mejoradas para reducir los impactos de tipo económico y medioambiental:
consumo de energía, estructura de invernaderos, fertilizantes y sustratos. Posteriormente se realiza una valoración de la implementación de
nuevas tecnologías desarrolladas en el transcurso del proyecto con
el objetivo de reducir los impactos económicos y medioambientales
179
ANÁLISIS ECONÓMICO Y CICLO DE VIDA DE LOS DISTINTOS SISTEMAS DE INVERNADERO
de los sistemas productivos. En ste curso se va a mostrar un resumen de los resultados obtenidos en los dos escenarios estudiados:
a) producción de tomate en un invernadero multitúnel en España y b)
producción de tomate en un invernadero Venlo en Holanda. El lector
interesado en información más detallada, viste por favor la página web
del proyecto (www.euphoros.wur.nl/uk).
MATERIAL Y MÉTODOS
Valoración económica
La valoración económica se basa en un análisis coste-beneficio. El objetivo es valorar las consecuencias financieras de la aplicación de alternativas para la mejora de los sistemas de invernadero.
El límite del sistema se establece a nivel de explotación de tal
manera que todos los costes y beneficios de sistemas alternativos de
invernadero se consideran a nivel de explotación. El escenario invernadero puede tomarse como una caja negra con distintas entradas y
salidas.
Se consideran los siguientes costes y beneficios:
• beneficios: cosecha (tomate, ventas de electricidad /si-
tuación en Holanda)
• costes: material de plantación, agua y fertilizantes, pes-
ticidas (biológicos y químicos), energía, otros bienes de
cultivo, trabajo y contratistas, bienes tangibles (depreciación y mantenimiento), pago de intereses y costes generales (residuos, contabilidad, cuotas de sociedades, etc.).
Se consideran todos los costes y beneficios del los sistemas
productivos de invernaderos de referencia para asegurar la solidez
económica de las herramientas desarrolladas en el transcurso del proyecto EUphoros. El objetivo no es el resultado neto financiero absolu-
180
A. Antón Vallejo - M. Torrellas Iglesias - M. Ruijs - J.I. Montero Camacho
to sino el efecto económico de las distintas opciones de reducción d
inputs en comparación con la situación de referencia en los distintos
escenarios. El inventario incluye gastos en equipamiento de invernadero, material vegetal, fuentes de energía, electricidad, fertilizantes,
protección vegetal y mano de obra (empleados y empleadores). Activo
tangible es el componente que contiene el coste de la depreciación
y mantenimiento del equipamiento de la explotación. Para tener una
idea sobre las oportunidades económicas para la reducción de inputs
se realizó un análisis económico. El efecto de aplicar algunas de las
alternativas que abaratan la energía, fertilizantes o agentes de protección vegetal se calcula y expresa como el resultado financiero neto
extra, el periodo de amortización y/o l capacidad de inversión.
El análisis coste-beneficio resulta en un resultado financiero
neto. Los valores financieros absolutos netos son de relevancia limitada puesto que se evaluaran sistemas alternativos de invernadero para
los componentes relevantes coste-beneficio, el así llamado análisis
parcial coste-beneficio. Este análisis mostrará los efectos económicos
de (combinaciones de) las distintas opciones de reducción de inputs
para cada escenario de invernadero y por separado. Una comparación
entre el resultado financiero neto del sistema invernadero de referencia o alternativo entre los distintos países del invernadero no forma
parte del estudio
Los resultados del análisis coste-beneficio dan una idea sobre
la situación de referencia en ambos escenarios. Qué componentes de
coste contribuyen mayormente al resultado financiero neto o la rentabilidad de los escenarios de sistema de invernadero. Basándose en
el nivel de coste de los inputs en la situación de referencia se puede
calcular también la capacidad de inversión para dar una indicación
de las posibilidades económicas de sistemas alternativos/opciones de
invernadero para reducir inputs.
Con respecto a las herramientas de desarrollo y evaluación, el
análisis (parcial) coste beneficio da una idea sobre la rentabilidad de
las opciones de reducción de inputs en los distintos escenarios.
181
ANÁLISIS ECONÓMICO Y CICLO DE VIDA DE LOS DISTINTOS SISTEMAS DE INVERNADERO
Para los factores más relevantes el efecto estará determinado
por cantidades, niveles o precios fluctuantes sobre el resultado financiero neto. Se pueden mencionar los siguientes factores de relevancia:
niveles de producción, precios de producto y cambios en los precios
de la energía en reducciones simuladas o calculadas del consumo de
energía, pesticidas y nutrientes. El análisis de sensibilidad se realizará
para las herramientas evaluadas en los distintos escenarios.
Valoración medioambiental
La valoración ambiental se realiza siguiendo la metodología
del Análisis del Ciclo de Vida, ACV (Lyfe Cycle Assessment, LCA). Tal
y como se define en ISO 14040 (ISO-14040, 2006), el ACV es una
“compilación y evaluación de los inputs y outputs y de los impactos
medioambientales potenciales a lo largo de la vida de un producto
sistema. La complejidad del ACV precisa de un protocolo fijo para la
ejecución de un estudio ACV. Este protocolo está establecido por la
International Standards Organisation (ISO-14040, 2006). De acuerdo
a esta normativa los estudios de ACV comprenden 4 fases que son iterativas respectivamente. La relación entre fases se ilustra en la Figura
1. Estas fases son:
• Definición de objetivo y alcance,
• Análisis de Inventario,
• Evaluación de Impacto
• Interpretación
Definición de objetivo
Figura 1 Marco
y alcance
scope definition
metodológico
de ACV:
Interpretación
Análisis de inventario Valoración de impacto 182
de un ACV. ((ISO-14040)
A. Antón Vallejo - M. Torrellas Iglesias - M. Ruijs - J.I. Montero Camacho
Definición de objetivo y alcance
Objetivo: Evaluar dos escenarios representativos del cultivo en
invernadero en Europa en la actualidad. La razón para realizar el estudio consiste en utilizar estos perfiles medioambientales como situación
de referencia para la comparación con diseños alternativos de sistemas de invernadero con reducción de inputs y de emisiones. En este
estudio hemos considerado las prácticas agrícolas habituales en Europa para cultivos protegidos, que se han tomado como punto de partida
para el análisis de alternativas. Se han analizado varias alternativas
potenciales para la reducción de los impactos medioambientales. La
mayoría de las mejoras se orientan a la práctica agrícola de acuerdo a
cada escenario: reducción del volumen de sustrato y alargamiento de
su vida útil; reducción de la cantidad de fertilizantes, alargamiento de
la vida útil del invernadero y nuevos métodos de cultivo. El propósito
consiste en presentar objetivos alcanzables que puedan ser aplicados
normalmente por los productores. Los análisis medioambiental y económico se realizan comparando los resultados de las alternativas de
mejora con la situación de referencia.
Alcance: Se estudian dos escenarios representativos de la producción hortícola en Europa.:
1. Tomate en invernadero multitúnel en España.
2. Tomate en estructura Venlo en los Países Bajos
3. Unidad funcional: La unidad funcional (UF) es la principal
función del sistema analizado. Un sistema puede tener una
serie de posibles funciones y la que se seleccione para cualquier estudio dependerá del objetivo y alcance del ACV.
En este caso y dado que la función más importante de los
cultivos de invernadero es la producción de hortalizas, la
unidad funcional adoptada es la producción hortícola de
1000 kg de tomate. Esta elección nos proporciona una ref183
ANÁLISIS ECONÓMICO Y CICLO DE VIDA DE LOS DISTINTOS SISTEMAS DE INVERNADERO
erencia para normalizar todos los flujos de inputs y outputs
del sistema (ISO-14040, 2006).
Límite del sistema: ACV se realiza definiendo sistemas producto como modelos que describen los elementos clave de sistemas físicos. El límite del sistema define los procesos unitarios que deben ser
incluidos en el sistema. Dado que el objeto de este proyecto consiste
en mejorar los medios de producción (invernadero), el límite del sistema serían los límites físicos del invernadero, sin considerar etapas
posteriores como la comercialización y sí teniendo en cuenta la eliminación de materiales. Por ello se consideran las siguientes etapas de
ciclo de vida y procesos unitarios:
- adquisición de materias primas
- inputs y outputs en los procesos más importantes de
fabricación de infraestructura de invernadero, equipos
auxiliares, sistemas de control de clima, fertilizantes y
pesticidas.
- transporte de materiales
- producción y uso de combustibles, electricidad y calor
- producción vegetal y manejo de invernaderos (inclu-
yendo uso de agua, fertilizantes y pesticidas)
- recuperación de productos utilizados o reciclaje
- procesos de eliminación de residuos y productos
- operaciones adicionales como iluminación y calefac-
ción
Categorías de impacto seleccionadas: Se consideran un indicador de flujo de energía (por ejemplo demanda cumulativa de energía) y cinco categorías de impacto (por ejemplo agotamiento abiótico,
184
A. Antón Vallejo - M. Torrellas Iglesias - M. Ruijs - J.I. Montero Camacho
calentamiento global, acidificación del aire, eutrofización y formación
de oxidantes fotoquímicos). Las categorías de impacto están definidas
en el CML (Guinée, et al., 2002) y se seleccionan para este estudio por
su relevancia en agricultura y procesos energéticos. El agotamiento
abiótico y el calentamiento global son indicadores importantes relacionados con el consumo de energía. Emisiones relacionadas con
inputs agrícolas, fundamentalmente fertilizantes y pesticidas, contribuyen de una manera muy importante a Calentamiento Global, mientras
que las emisiones de amonio y nitrato desde abonos nitrogenados son
relevantes para la acidificación y la eutrofización. La formación de oxidantes fotoquímicos es una categoría que puede tener importantes
consecuencias e la agricultura (por ejemplo contaminación de ozono).
Calidad y origen de los datos en el inventario: este amplio sistema bajo estudio precisaba de un proceso de recogida de datos muy
detallado. La mayor parte de estos datos primarios relacionados con
las dimensiones de los invernaderos, manejo y producción vegetal,
se obtienen de invernaderos comerciales representativos relacionados con los participantes en este proyecto, por ejemplo Estación Experimental Fundación Cajamar, España, Mórakert Production Organization, Hungría y Applied Plant Research, Países Bajos. Por ello los
datos se consideran como Datos Experimentales Propios (DEP). Para
los datos secundarios (base de datos de referencia, RDB), se utilizan
bases de datos como Ecoinvent (Frischknecht, et al., 2005) y LCAFoods (Nielsen, et al., 2003), que sirven para completar el inventario
de ciclo de vida. Los números considerados son valores representativos y promedian cada uno de los escenarios estudiados.
Para simplificar los cálculos y dado que la producción es una
variable con una alta dependencia de factores temporales y espaciales, los datos se relacionan con el area de cultivo como flujo de referencia. En un segundo paso estos datos se relacionan con unidades
funcionales (1000 kg de tomate o 1000 tallos de rosa).
La herramienta de software empleada en la valoración fue el
programa SimaPro versión 7.2 (PRéConsultants, 2010), realizándose
185
ANÁLISIS ECONÓMICO Y CICLO DE VIDA DE LOS DISTINTOS SISTEMAS DE INVERNADERO
sólo las fases obligatorias de clasificación y caracterización. El programa SimaPro v.7.2 incluye la última base de datos Ecoinvent v 2.2.
Análisis de inventario
El Inventario del Ciclo de Vida (ICV) implica la recogida de datos y los procedimientos de cálculo para cuantificar los inputs y outputs
relevantes en un sistema de producto. El proceso de realización de un
análisis de inventario es iterativo. A medida que los datos se obtienen
y se aprende más del sistema, se identifican nuevos necesidades o
limitaciones de datos.
Etapas y procesos considerados: El sistema de producción de cultivo
en invernadero se estructuró en varias etapas o procesos para facilitar
el estudio e interpretación de los resultados. La Figura 2 muestra el
diagrama de flujo del proceso que esquematiza todos los procesos
unitarios a modelizar, incluyendo sus relaciones.
GREENHOUSE
PRODUCTION
Auxiliary equipment
Watering equipment: material and
manufacture
Substrate: rockwool/perlite
Greenhouse structure
Metal frame: steel, aluminium,
concrete
Covering material:
glass/plastic
Transport : vehicle and road
manufacturing, maintainance, diesel
consumption
Fertilizers
Production N
Production P 2O5
Production K 2O
TOMATOES/
Air emissions
TOMATOES Water: watering
Climate system
Insecticides
Manufacture process:
drawing, coating, extrusion,
etc
Materials: steel, aluminium, plastics.
Fungicides
Manufacture process: pipes, film,
drawing, extrusion, etc
Application
Transport : vehicle and road
manufacturing, maintainance,
diesel consumption
Transport: vehicle and road
manufacturing, maintainance, diesel
consumption.
Operating Energy: Natural Gas,
electricity
ROSES
Pesticides
NDL
ELECTRICITY
Waste management
Transport : vehicle and road
manufacturing, maintainance, diesel
consumption
Landfill
Incinerator
Compost plant
186
Figura 3 Diagrama de flujo general para producción en invernadero (en inglés)
A. Antón Vallejo - M. Torrellas Iglesias - M. Ruijs - J.I. Montero Camacho
· Características de la estructura de invernadero
Se consideran dos tipos de estructura dependiendo del área de
estudio: invernadero multitúnel (Mediterráneo, España) e invernadero
Venlo (Países Bajos). En ambos casos la estructura del invernadero consistía de una estructura metálica y una cubierta, de film plástico para multitúnel en España, y vidrio en el invernadero Venlo de los
Países Bajos. Los metales de las estructuras eran acero y aluminio.
Hemos considerado en los cuatro escenarios que la producción de
metal se basa en el reciclaje. Esta afirmación se asume para todos los
elementos metálicos del invernadero, incluidos tanto en la estructura
como en el equipo auxiliar y en los sistemas de control de clima.
• Equipo auxiliar
El sistema de riego comienza en el pozo, canal o tanque, que
proporciona el agua desde la fuente (origen) hasta los tanques de
agua y fertilizantes. Las bombas e inyectores proporcionan agua y
fertilizantes a la tubería principal, y de esta a las tuberías secundarias que finalmente distribuyen el agua al cultivo. Hay tantas tuberías
secundarias como hileras de plantas. Cada planta de tomate se riega
con un sistema de goteo que consta de un microtubo, una piqueta y un
gotero. Las hileras de plantas van de lado a lado, y están divididas por
un pasillo que permite las operaciones de cultivo.
El agua para el riego se incluye en el apartado equipo auxiliar.
El consumo de electricidad para las bombas de extracción y distribución se considera también en el cultivo de tomate en España. En el
caso de los cultivos de tomate en los Países Bajos asumimos que este
consumo de electricidad se cuenta con la cantidad total de electricidad
consumida en el invernadero, incluida en la etapa de control de clima.
• Sistema de control de clima
En función del sistema productivo el sistema de control de clima puede incluir calefacción, sistema de cogeneración, equipo de distribución, agua termal, ventilación natural, sistema de enriquecimiento
carbónico, enfriamiento de cubierta e iluminación.
187
ANÁLISIS ECONÓMICO Y CICLO DE VIDA DE LOS DISTINTOS SISTEMAS DE INVERNADERO
En el escenario Venlo el total de energía consumida en el invernadero se incluye en este apartado. Para la producción de tomate
en España, el sistema de control de clima sólo incluye la electricidad
para el funcionamiento de las ventanas. El consumo de energía del
sistema de riego se incluye en la etapa de equipamiento auxiliar.
Estas características particulares se describen en la sección
del sistema de control de clima para cada escenario y para más detalles se puede consultar en el sitio web del proyecto (www.euphoros.
wur.nl/uk).
• Fertilizantes
El uso de fertilizantes implica importantes impactos medioambientales, tanto para los procesos de fabricación como para las emisiones producidas tras su aplicación. Es cierto que la emisión de
fertilizantes es un tema controvertido que precisa de estudios más profundos. Existen distintas aproximaciones y parámetros para calcular
las emisiones. En este caso la elección de referencia fue la propuesta
por Bentrup para el amoníaco, NH3-N and óxido nitroso, N2O-N (Brentrup, et al., 2000) y Ausdley para las emisiones de óxidos de nitrógeno
NOx-N and NO3- al agua (Audsley, 1997).
Amoníaco emitido al aire: kg NH3-N per ha es un 3% del fertilizante N (kg/ha)
Óxido nitroso emitido al aire: kg N2O-N per ha es 1.25% del
fertilizante N (kg/ha).
Óxidos de nitrógeno al aire: kg NOx-N por ha es 10% de
N2O-N.
Se considera que los sistemas cerrados no producen lixiviados. Se asume que en el caso de realizar un lavado este será considerado como un residuo y no se verterá al suelo o acuíferos. Esta es
la situación para tomate en los Países Bajos. En el caso de España, el
sistema de riego no es cerrado por lo que las emisiones al agua deben
ser calculadas.
188
A. Antón Vallejo - M. Torrellas Iglesias - M. Ruijs - J.I. Montero Camacho
• Tratamientos fitosanitarios
En esta sección se consideran las cantidades de principio activo de los pesticidas aplicados (específicamente el impacto medioambiental del proceso de fabricación) y la maquinaria para su aplicación.
No se evaluó la toxicología de las emisiones. Esta es una cuestión
controvertida dado que no hay consenso sobre que metodología de
cálculo debería ser aplicada en estudios de ciclo de vida.
• Residuos
El manejo de residuos se estudia agrupando todos los materiales en el invernadero en función de su vida útil (materiales estructurales), el tipo de materiales (plásticos, biomasa verde) o por su función
(substrato). Así se organizan los siguientes grupos:
Materiales con 15 años de vida: Acero, aluminio, hormigón, vidrio, PC y cobre de la estructura, sistema de
control climático y equipo auxiliar. Dado que la mayor
parte de estos materiales forman parte de la estructura,
podemos llamarles también “materiales estructura”.
Plásticos: PE, LDPE, PP, PVC, poliéster y poliestireno.
Se considera que los filmes plásticos como los de la
cubierta del invernadero o los sacos de cultivo tienen
una vida útil de tres años, mientras que otros plásticos
(equipo de riego, etc.) pueden durar hasta 5 años.
Sustrato: la vida útil de la perlita es de 3 años y la de la
lana de roca es de 1 año.
Biomasa verde: A finalización de cultivo las plantas se
arrancan y se dejan secar parcialmente en el invernadero. De experiencias anteriores se asume que el 40%
del peso fresco de las plantas se transporta a la planta
de compostaje.
189
ANÁLISIS ECONÓMICO Y CICLO DE VIDA DE LOS DISTINTOS SISTEMAS DE INVERNADERO
Los materiales destinados al proceso de reciclaje no se consideran como una fase del sistema de producción. Para el manejo de los
restos de cultivo empleamos el método “de corte” (“cut-off”) definido
por Ekvall and Tillman (1997) por el cual cada sistema recibe las cargas de las que es directamente responsable. Con este método no hay
incertidumbres en el caso de extracción de materias primas, procesos
de producción o transporte, dado que están directamente asignados
al sistema. En el caso de evacuación de residuos el tratamiento es
completamente atribuible al sistema estudiado; mientras que para el
residuo que se recicla o reutiliza se considera que sus cargas deberían
ser atribuidas al sistema que las utilizará como fuente de material. Por
ello el proceso de reciclaje se incluye en el nuevo material creado en
sustitución de la materia prima del otro sistema. También se asume
que la empresa de reciclado acude al invernadero a recoger los materiales. Esta es la razón por la que sólo se cuentan el transporte y
emisiones de materiales transportados al vertedero e incineradora.
En el caso de biomasa en verde, se considera el transporte a la planta
de compostaje como parte del sistema dado que normalmente es así
como se hace.
• Transporte
Se considera transporte el reparto de materiales y equipos desde su origen al invernadero. Todo el transporte en los lugares analizados se realiza por carretera, en camión o furgoneta.
Los procesos del transporte incluyen la fabricación y mantenimiento de vehículos y carreteras, y el consumo de diesel.
El consumo de fertilizantes no se incluye en este estudio. Normalmente los productores adquieren los fertilizantes en un distribuidor
cercano. Por otra parte, los distribuidores normalmente reciben los fertilizantes de otros distribuidores y fabricantes de toda Europa, por lo
que puede resultar difícil hacer un seguimiento de estos datos. Dado
que el transporte de fertilizantes no va a ser mejorado por este estudio,
se decidió no incluirlo.
190
A. Antón Vallejo - M. Torrellas Iglesias - M. Ruijs - J.I. Montero Camacho
No se considera tampoco el transporte al mercado o subasta
dado que la comercialización es un proceso no incluido en el sistema
productivo.
La tabla 1 resume las características fundamentales de ambos invernaderos. Hay información más detallada sobre los sistemas
productivos de referencia y las metodologías empleadas en el estudio
para mejoras en el Deliverable 5 (Montero et al., 2011) y Deliverable
13 (Montero et al, 2012). El lector puede consultar ambos Deliverables
en el sitio web del proyecto www.euphoros.wur.nl/uk (EUPHOROS,
2008-2012).
191
ANÁLISIS ECONÓMICO Y CICLO DE VIDA DE LOS DISTINTOS SISTEMAS DE INVERNADERO
Tabla 1. Características principales de los dos escenarios de referencia
Escenario a)
Escenario b)
Tomate, multitúnel, España Tomate, Venlo, Países Bajos
Estructrura
Superficie (m2)
Número de naves
Hormigón (m3·ha)
Cubierta LDPE (kg·ha-1)
Paredes PC (kg·ha-1)
Acero (kg·ha-1)
Aluminio
Vidrio (kg·ha-1)
Cultivo
Rendimiento (kg·ha-1)
Periodo cultivo
Densidad cultivo(tallos·m-2)
Equipamiento auxiliar
Sustrato
Sustrato (kg·ha-1)
Sustrato por planta (l)
Sistema Fertirrigación
Fuente de agua
Agua (l·m-2)
Uso de agua
Fertilizantes (kg·ha-1)
N
P2O5
K2O
Emisiones gaseosas
NH3-N
N2O-N
NOx-N
Emisiones agua
NO3
Pesticidas (kg·ha-1)
Sistema control clima
Sistema clima
Fuente energía
Luz artificial
Pantalla energética
Enriquecimiento CO2
Residuos
Emisiones gestión residuos
192
19,440
18
63
3,787
1,707
76,994
40,000
25
45
109,829
28,110
118,927
16.5 kg·m-2·y-1
52 semanas
2.5
56.5 kg·m-2·y-1
52 semanas
2.5
Perlita
18,877
10
Goteros, Ciclo abierto
Pozo
474.8
28.8 l·kg-1
Lana de roca
4,476
5.22
Goteros, Ciclo cerrado
Desinfección (calor)
Pluviales
794
14.1 l·kg-1
798
506
1,562
1688
406
1855
24
10
1
51
21
2.1
359
32
10
Ventilación natural
no
no
no
no
Co-generación
Gas natural
no
Sí
sí
Transporte
Vertedero
Transporte
Vertedero
Incineración
A. Antón Vallejo - M. Torrellas Iglesias - M. Ruijs - J.I. Montero Camacho
Asignación de flujos y emisiones
Se obtiene el mismo producto (tomate) en ambos escenarios;
por ello no hay problema de asignación. Sin embargo en los escenarios
holandeses hay un sistema Combinado de Calor y Energía (CHP) que
produce al simultáneamente calor para calentar el invernadero y electricidad. Cuando la electricidad producida excede el consumo eléctrico
del invernadero el excedente se transfiere a la red pública. En este
sentido se generan dos productos: tomate y electricidad. De hecho en
la realidad se consideran ambos productos. Por ello y como primera
aproximación, los resultados aquí mostrados muestran el sistema de
producción considerando la cantidad de energía producida como output y por tanto como un producto evitado por nuestro sistema. Otro
procedimiento (ISO14044) recomienda que los inputs, en este caso
gas natural, deberían repartirse entre los distintos productos. Por esta
razón los cálculos se realizan siguiendo ambas metodologías.
En el invernadero Venlo el consumo total de gas natural es
64.7 m3·m-2. El sistema de cogeneración produce 178 kWh·m-2 y el
consumo total del invernadero era de 10 kWh·m-2. Por ello el excedente de energía volcado a la red pública es de 168 kWh·m-2. Se consideró un motor CHP con una eficiencia eléctrica del 40% y las emisiones
evitadas por la electricidad se restaron de las emisiones netas. Para
producir 1 kWh de electricidad con un CHP se necesita 0,129 m3 de
gas natural (Blonk et al. 2009). Por ello se emplearon 23.01 m3·m-2 de
gas natural para producir 178 kWh de electricidad; o 728.2 MJ·m -2
considerando el valor calorífico del gas natural 31.65 MJ·m-3 con una
eficiencia calorífica del 90%. Para calentar el invernadero se emplearon 41.74 m3 de gas natural o 1319.6 MJ·m-2 (Tabla 2). Como el CO2
producido por el CHP se incorpora al invernadero, no se considera la
asignación entre calor y CO2.
193
ANÁLISIS ECONÓMICO Y CICLO DE VIDA DE LOS DISTINTOS SISTEMAS DE INVERNADERO
Tabla 2. Consumo de energía y producción en escenario b)
Consumo de gas natural en el CHP
Total, calefacción+electricidad
Asignación de energía, calefacción
Asignación de energía, electricidad
Electricidad
m3·m-2
m3·ton tomate-1
41.7
738
64.7
23.0
1,145
407
kWh·m
kWh·ton tomato-1
Producido por CHP
178
3,150
Comprada a la red
0
0
Consumo invernadero
Excedente
Escenario b
-2
10
168
177
2,973
Valoración del impacto del ciclo de vida
La fase de valoración de impacto de ACV, AICV, tiene como
objetivo valorar la importancia de impactos medioambientales potenciales utilizando los resultados del ACV. Este proceso implica la asociación de los datos de inventario con las categorías específicas de impacto medioambiental y los indicadores de categoría, por tanto exige
de la comprensión de estos impactos. Esta fase también proporciona
información sobre la fase de interpretación del ciclo de vida.
En esta fase el ISO 14040 (2006) define los elementos obligatorios y opcionales. Los elementos obligatorios incluyen: 1) selección
de las categorías de impacto, indicadores de categoría y modelos de
caracterización, 2) clasificación o asignación de los resultados del impacto del ciclo de vida a las distintas categorías de impacto seleccionadas y 3) caracterización o cálculo de los resultados de los indicadores de categoría. Los elementos opcionales fueron la normalización, el
agrupamiento y el pesado. Implican el cálculo de resultados relativos
a la situación de referencia. De esta forma estos elementos proporcionan un valor importante a los distintos problemas medioambientales.
Las fases opcionales de normalización y valoración son excluidas de
194
A. Antón Vallejo - M. Torrellas Iglesias - M. Ruijs - J.I. Montero Camacho
este estudio porque los escenarios se utilizarán como referencias en
el futuro desarrollo del proyecto. Estas fases implican un alto grado de
subjetividad dado que dependen considerablemente de las características locales y reducen la información aportada con respecto a los
impactos medioambientales (Bare, et al., 2006, Finnveden, 1997).
NO3, N2O, CO2,SO2, etc
characterization
classification
selection
LCI Results
Impact category
LCI results assigned to
impact category
Global Warming
Amount of
greenhouse gas:
CO2, CH4, N2O...
Characterization model
IPCC
Characterization factor
=
� cfGWi
i
� mi
i
cf GW
CO2
1
N2O
296
CH4
23
Category Indicador
Figura 3 Diagrama de la fase AICV. Adaptada de ISO 14040 (2006)
La Figura 3 esboza los elementos de clasificación y caracterización del AICV con un ejemplo de la categoría de calentamiento
global. En los impactos de ciclo de vida se registraron y cuantificaron
una lista de intervenciones incluyendo los distintos inputs y outputs de
los procesos. De esa lista se realizó una selección de las distintas intervenciones (por ejemplo CO2, CH4, N2O, etc.) con significado para la
categoría seleccionada (por ejemplo calentamiento global). Para una
determinada categoría de impacto (por ejemplo calentamiento global)
el método de caracterización incluye un indicador de categoría (por
195
ANÁLISIS ECONÓMICO Y CICLO DE VIDA DE LOS DISTINTOS SISTEMAS DE INVERNADERO
ejemplo kg eq. CO2), un modelo de caracterización (por ejemplo IPCC)
y un factor de caracterización (por ejemplo 296 kg N2O por kg CO2)
derivado del modelo. Por medio de los factores de caracterización,
denominados factores equivalentes es posible añadir distintas intervenciones para proporcionar un valor total.
El indicador de categoría puede estar localizado en cualquier
punto entre los resultados de Impacto de Ciclo de Vida (ICV) y las
dañinas consecuencias a la ecosfera (en donde hay efecto sobre el
medioambiente) en la cadena causa-efecto. En este marco se han
desarrollado dos escuelas metodológicas:
a) Categorías de punto medio: Métodos clásicos de valoración de
impacto, por ejemplo CML (Guinée, et al., 2002) y EDIP (Hauschild, et al., 1998) que restringen la modelización cuantitativa a
fases relativamente tempranas en la cadena causa-efecto. La
finalidad es limitar incertidumbres y agrupar los resultados de
ICV en las así llamadas categorías de punto medio, de acuerdo
a temas. Estos temas son mecanismos comunes (por ejemplo
cambio climático) o agrupamientos comúnmente aceptados
(por ejemplo ecotoxicidad).
b) Categorías de punto final: Métodos orientados a daño como el
indicator 99 (Goedkoop, et al., 2000) o EPS (Steen, 1999), que
intentan modelizar la cadena causa-efecto hasta el punto final,
o daño, algunas veces con mucha incertidumbre. Los daños
se pueden correlacionar con áreas de Protección, por ejemplo
salud humana, recursos naturales (aportando opciones para
extracción) y medioambiente natural (con significancia no relacionada con la extracción).
Los objetivos de este estudio recomiendan, con el fin de reducir
las incertidumbres, escoger categorías de puntos medios en la comparación de las mejoras que surjan en próximos avances del proyecto. Las principales características de las distintas categorías elegidas
196
A. Antón Vallejo - M. Torrellas Iglesias - M. Ruijs - J.I. Montero Camacho
se desarrollan a continuación. Además, las sustancias principales que
contribuyen a cada categoría están listadas en la tabla 3.
• Demanda acumulativa de energía, CED MJ eq
La demanda acumulativa de energía pretende investigar el uso
de energía a lo largo de la vida útil de un bien o servicio. Esto incluye
tanto los usos directos como los indirectos; o consumos intermedios
de energía debido al uso por ejemplo de materiales de construcción
o materias primas. La demanda acumulativa de energía se utiliza
ampliamente como un indicador de detección de las prioridades de
ahorros energéticos potenciales en su compleja relación entre diseño,
producción, uso y eliminación. Además, los valores CED se pueden
utilizar para comparar los resultados de un ACV detallado con otros
en los que sólo se informa de la demanda de energía primaria. Los
factores de caracterización para las fuentes de energía se dividen en:
no renovables, fósil y nuclear, renovable, biomasa, viento, solar, geotérmica y agua.
• Agotamiento abiótico, AD, kg Sb eq (Guinée, et al., 2002)
Esta categoría de impacto, agotamiento de los recursos abióticos, tiene que ver con la protección del bienestar humano, de la salud
humana y de la salud de los ecosistemas. Este indicador de categoría
de impacto está relacionado con la extracción de minerales y combustibles fósiles motivado por inputs del sistema. El factor de caracterización del agotamiento abiótico se determina para cada extracción
de minerales y combustibles fósiles (kg antimonio equivalentes/kg
extracción) en función de la concentración de reservas y la tasa de
desacumulación.
• Acidificación del aire, AA, kg SO2 eq (Guinée, et al., 2002)
Las sustancias acidificantes provocan un amplio rango de impactos en el suelo, agua subterránea, organismos, ecosistemas y materiales (edificios). Los contaminantes acidificantes más importantes
son el SO2, NOx y NH3. El factor caracterizador de la acidez en lo que
197
ANÁLISIS ECONÓMICO Y CICLO DE VIDA DE LOS DISTINTOS SISTEMAS DE INVERNADERO
respecta a emisiones al aire se calcula con el modelo RAINS 10, que
describe el destino y deposición de las sustancias acidificantes (Guinée, et al., 2002). AA se expresa en kg equivalentes SO2.
• Eutrofización, EU, kg eq PO4--- (Guinée, et al., 2002) (también conocida como nutrificación)
Incluye todos los impactos debido a niveles excesivos de macronutrientes en el medio por emisiones de nutrientes al aire, agua y
suelo. El factor caracterizador de la eutrofización está basado en el
procedimiento estequiométrico de Heijungs (Heijungs, et al., 1992) y
expresado en kg equivalentes PO4-3.
• Calentamiento global, GW, kg CO2 eq (Guinée, et al., 2002)
El cambio climático puede resultar en efectos adversos sobre
la salud de ecosistema, salud humana y bienestar material. El cambio
climático se relaciona con las emisiones de gases invernadero a la atmósfera. El modelo de caracterización se selecciona tal como ha sido
desarrollado por Panel Intergubernamental para el Cambio Climático
(IPCC) para el desarrollo de los factores de caracterización (IPCC,
2007). Los factores se expresan como calentamiento global en un horizonte temporal de 100 años (GW100), en kg equivalentes de dióxido
de carbono.
• Formación de oxidantes fotoquímicos, PO, kg C2H4 eq (Guinée,
et al., 2002)
La formación de fotoxidantes consiste en la formación de sustancias reactivas (fundamentalmente ozono) que eran perjudiciales
para la salud humana y ecosistemas y que también pueden dañar a
los cultivos. Este problema también se indica con el término “smog de
verano”. El “smog de invierno” está fuera del alcance de esta categoría. El factor de caracterización del ozono fotoquímico para la emisión
de sustancias a la atmósfera se calcula con el modelo UNECE Trajectory (incluyendo destino), y expresado en kg equivalentes de etileno
(Guinée, et al., 2002).
198
A. Antón Vallejo - M. Torrellas Iglesias - M. Ruijs - J.I. Montero Camacho
• Uso del agua, L
Hoy en día a pesar de que la investigación avanza en el desarrollo de un método para valorar los impactos medioambientales del
consumo de agua (Milà i Canals, et al., 2009, Pfister, et al., 2009), no
existe todavía acuerdo en la comunidad científica sobre cómo manejar
esta categoría. En este estudio y debido a la importancia de la valoración del agua en la producción agrícola, se utiliza el Litro de agua
como un indicador grosero.
En donde no había factores de caracterización para los indicadores de agua y pesticidas se emitieron únicamente los valores de
inventario. Estos valores se usan como referencia para las futuras mejoras que se están desarrollando en el transcurso del proyecto EUphoros.
Tabla 3. Principales sustancias contribuyentes y unidades para cada categoría de
impacto ambiental.
Categoría
Unidades
Principales sustancias contribuyentes
Demanda acumulativa de energía
CED MJ
Carbón, Gas Natural, Crudo, Uranio
Agotamiento abiótico
AD
kg Sb eq
Carbón, Gas Natural, Crudo
Acidificación
AA
kg SO2 eq
Amoniaco, Óxidos Nitrógeno, Dióxido de
azufre
Eutrofización
EU
kg PO4---eq
Amoniaco, Óxidos Nitrógeno, Demanda
química de oxígeno, Fosfatos
Calentamiento Global 100a
GW
kg CO2 eq
Dióxido Carbono fósil, Monóxido de dinitrógeno, Metano
Oxidación fotoquímica
PO
kg C2H4 eq
Monóxido carbono fósil, Dióxido de azufre
• Interpretación
La interpretación es la fase del ACV en la que se examinan los
resultados del análisis de inventario (indicadores ICV, agua y cantidad
de pesticidas) y la valoración de impacto, la fase de interpretación pro199
ANÁLISIS ECONÓMICO Y CICLO DE VIDA DE LOS DISTINTOS SISTEMAS DE INVERNADERO
porciona resultados que son consistentes con la definición de objetivo
y ámbito, llega a conclusiones, explica limitaciones y proporciona recomendaciones a los que toman decisiones.
La fase de interpretación puede incluir el proceso iterativo de
revisión del ámbito del ACV. Esta fase refleja el hecho de que los resultados del análisis de impactos de ciclo de vida se basan en una
aproximación relativa, indican efectos potenciales en el ambiente y
eran comprensibles, completos y consistentes.
RESULTADOS
Escenarios de referencia
Esta sección proporciona una primera mirada sobre los puntos calientes medioambientales y económicos del ciclo de vida de los
escenarios de referencia valorados, con recomendaciones para mejorar los procesos que reducían el impacto ambiental. Los principales
resultados y cuestiones que pudieran mejorarse se describen para la
situación de referencia en relación con cada escenario:
Producción de tomate en un invernadero multitúnel en España. El invernadero multitúnel es un sistema pasivo no calefactado que
precisa de poca energía e inputs aparte de fertilizantes y agua. Las
principales cargas medioambientales y los componentes de gasto del
sistema de producción para este escenario se expresan en las Figuras
4ª, 4b y 5.
Estructura: La estructura es un contribuyente importante para la
mayoría d las categorías de impacto (Figura 4a). La gran cantidad de acero en la estructura se refleja en los resultados. Su
impacto medioambiental se puede reducir alargando la vida útil
del invernadero y aumentando la productividad, que en España
es baja. Los plásticos suponen también una importante contribución al agotamiento abiótico y a la demanda acumulativa de
energía.
200
A. Antón Vallejo - M. Torrellas Iglesias - M. Ruijs - J.I. Montero Camacho
Equipamientos auxiliares: Los equipamientos auxiliares tienen un
elevado impacto ambiental por el consumo de electricidad del
equipo de riego y la fabricación de perlita. El consumo de electricidad incluye el consumo requerido por las bombas e inyectores
para regar el cultivo. Esta es la principal carga en las categorías
de impacto de acidificación del aire y eutrofización. Los procesos de los sustratos incluyen la fabricación de la perlita y los
sacos de plástico, al igual que el transporte al invernadero; la
fabricación de perlita es la más significativa. El sustrato presentó
las tasas más altas de contribución a las categorías de impacto
relacionadas con el agotamiento abiótico, calentamiento global y
demanda acumulativa de energía (Figura 4b).
Fertilizantes: el uso de fertilizantes implica impactos medioambientales que son el resultado de los procesos de fabricación y de las
emisiones. Se recomienda un equilibrio eficaz entre fertilizantes
y agua. Las emisiones debidas al uso de fertilizantes contribuyen en gran manera a la categoría de impacto de la eutrofización. Con respecto al riesgo de eutrofización, debería advertirse
que las metodologías que se emplean hoy en día para valorar
la cantidad de fertilizantes que llegan a los acuíferos son solo
aproximadas y están sujetas a debate.
En la valoración económica los activos tangibles y la mano de obra
son responsables de casi un 60% de los costes totales. Los costes asociados a la estructura del invernadero y otros equipos
suman casi 1/3 del coste total. Los costes variables asociados
a la producción vegetal y energía eran bajos (3-4%). Los costes
en fertilizantes sumaron un 7% de los costes totales (Figura 5).
En este escenario una reducción en el uso de fertilizantes puede
potencialmente ser utilizado para crear una alta capacidad de inversión, especialmente si los inputs o emisiones de fertilizantes
pueden reducirse en un 50%. La cuestión es hasta qué punto rebajar a la mitad los inputs de fertilizantes es realista en términos
de crecimiento vegetal y desarrollo. Además, rebajar a la mitad
201
ANÁLISIS ECONÓMICO Y CICLO DE VIDA DE LOS DISTINTOS SISTEMAS DE INVERNADERO
el uso de pesticidas puede suponer un ahorro de 0.9 €/m2 de la
capacidad de inversión.
Producción de tomate en un invernadero Venlo en los Países Bajos.
Las principales cargas son:
Sistema de control climático: los resultados para este escenario
mostraron que el sistema de control climático es el contribuyente
principal a todas las categorías de impacto (81% a 96%) Figura
6ª. El alto volumen de gas natural empleado en calentar el invernadero es la razón principal que explica estos elevados impactos medioambientales. El uso de un sistema combinado de calor
y electricidad (CHP) para calentar el invernadero podría contrarrestar el consumo de gas y su impacto medioambiental dada la
electricidad producida. La reducción de la carga medioambiental
asociada a la cogeneración se trata en este Deliverable.
Equipamientos auxiliares: El AICV mostró la importancia del sustrato en todas las categorías de impacto. Este es también uno de
los objetivos de mejora del proyecto EUPHOROS. Las contribuciones del proceso se representan en la Figura 6b. Los procesos
del sustrato incluyen la fabricación de la lana de roca y los sacos
de plástico, al igual que el transporte al invernadero. La fabricación de la lana de roca es la más significativa de las tres.
El sistema productivo en invernadero de Holanda es más intensivo
en capital que el de España. Principalmente esto es debido a los
mayores niveles de inversión en la estructura del invernadero,
los sistemas de control de clima y los sistemas de fertirrigación.
Sin embargo, la diferencia entre los outputs totales y los costes
totales para ambos escenarios es más o menos el mismo.
Los costes totales dependen fundamentalmente del consumo de
gas natural, activos tangibles y mano de obra. La energía ascendió a un 31% de los costes totales (Figura 7). Los costes
202
A. Antón Vallejo - M. Torrellas Iglesias - M. Ruijs - J.I. Montero Camacho
atribuibles a fertilizantes y protección vegetal son relativamente
pequeños (1-2%).
Las opciones de ahorro de energía pueden ser muy favorables en
este escenario. Ahorrando un 10-50% de energía la capacidad
de inversión aumenta de 10 a 52 €/m2. En el escenario 3 la
reducción a la mitad del uso de pesticidas puede tener una interesante influencia sobre la inversión, al igual que otras opciones
de reducción de costes (como mejorar el control de plagas). .
Sin embargo las reducciones n el consumo de energía pueden
tener un efecto económico negativo si se usa cogeneración para
producir calor y energía a nivel de explotación y la electricidad
sobrante se vende a la red.
203
ANÁLISIS ECONÓMICO Y CICLO DE VIDA DE LOS DISTINTOS SISTEMAS DE INVERNADERO
100%
90%
Contribution
80%
70%
Waste
60%
Pesticides
50%
40%
Fertilizers
30%
Auxiliary equipment
20%
Climate system
10%
Structure
0%
AD
AA
EU
GW
PO
CED
Impact categories
a)
100%
90%
80%
Contribution
70%
Perlite
60%
Electricity
50%
Transport
40%
Metals
30%
Plastics manufacture
20%
Plastics material
10%
0%
AD
AA
EU
GW
PO
CED
Impact categories
b)
Figura 4. a) Contribución por fases a las categorías de impacto para el escenario
producción de tomate en España; b) detalle para equipos auxiliares; Categorías de
impacto: AD, agotamiento abiótico; AA, acidificación del aire; EU, eutrofización; GW,
calentamiento global; PO, oxidación fotoquímica; CED, demanda acumulativa de
energía.
204
A. Antón Vallejo - M. Torrellas Iglesias - M. Ruijs - J.I. Montero Camacho
Figura 5. Componentes del gasto para escenario de tomate en España.
100%
90%
80%
Contribution
70%
Waste
60%
Pesticides
50%
Fertilizers
40%
Auxiliary equipment
30%
Climate system
20%
Structure
10%
0%
AD
AA
EU
GW
PO
CED
Impact categories
a)
205
ANÁLISIS ECONÓMICO Y CICLO DE VIDA DE LOS DISTINTOS SISTEMAS DE INVERNADERO
100%
90%
80%
Contribution
70%
60%
Substrate
50%
Transport
40%
Metals
30%
Plastics manufacture
20%
Plastics material
10%
0%
AD
AA
EU
GW
PO
CED
Impact categories
b)
Figura 6. a) Contribución por fases a las categorías de impacto para el escenario
producción de tomate en Países Bajos con asignación de gas natural para calefacción en un invernadero con CHP en los Países Bajos; b) detalle para equipos auxiliares; Categorías de impacto: AD, agotamiento abiótico; AA, acidificación del aire; EU,
eutrofización; GW, calentamiento global; PO, oxidación fotoquímica; CED, demanda
acumulativa de energía.
Figure 7. Componentes de coste para escenario de producción de tomate en Holanda
206
A. Antón Vallejo - M. Torrellas Iglesias - M. Ruijs - J.I. Montero Camacho
ALTERNATIVAS DE MEJORA
A continuación se hace una descripción de los escenarios seleccionados para el estudio y una breve descripción de las alternativas
de mejora en cada uno de ellos.
Escenario a, Cultivo de tomate en un invernadero multitúnel
en España:
- Uso racional de sustratos y sistema de fertirrigación: reduc-
ción del volumen de sustrato, extensión de la vida útil del
sustrato, reducción de las dosis de fertilizante.
- Extensión de la vida útil del invernadero
- Sistema cerrado de riego
- Nuevo tipo de invernadero con ventilación mejorada
Escenario b, cultivo de tomate en un invernadero Venlo en los
Países Bajos:
- Método de cultivo con ahorro de energía. Incluye distintos
pasos en las técnicas de cultivo para llegar a ahorro de energía. Estos pasos se pueden implementar sucesivamente.
- Nuevo tipo de invernadero con doble acristalamiento
Escenario a, Cultivo de tomate en un invernadero multitúnel en
España: Las principales cargas en la situación de referencia eran la
estructura, el equipamiento auxiliar y los fertilizantes (Tabla 4).
Se pueden obtener importantes reducciones del impacto ambiental por medio de una combinación de distintas alternativas individuales, en el mejor de los casos una alternativa, y con un nuevo tipo
de invernadero (tabla 5). En el primer caso los impactos medioambientales se pueden reducir un 30,1% en la categoría de impacto de
acidificación del aire; 22,7 a 28,7% en las categorías de impacto de
agotamiento abiótico, eutrofización, calentamiento global y oxidación
207
ANÁLISIS ECONÓMICO Y CICLO DE VIDA DE LOS DISTINTOS SISTEMAS DE INVERNADERO
fotoquímica; y del 17,4% en la categoría de impacto de demanda acumulativa de energía. Se pueden obtener reducciones más importantes, 10,2 y 15,3%, en la categoría del impacto de eutrofización, con
una disminución en la dosis de fertilizantes del 20-30% respectivamente. Es notable advertir que un aumento del 40% en la proporción
de energía renovable frente al total redujo las contribuciones a la acidificación del aire en un 12,7%. Una reducción del 25% en el volumen
del sustrato y un alargamiento de la vida útil de la perlita a cuatro años
permitió reducciones similares del impacto ambiental que las categorías de impacto y similares efectos económicos (Tabla 6).
Con la implementación de un sistema de riego en ciclo cerrado
se reduciría el consumo de agua y fertilizantes. Por ello los impactos
medioambientales de los fertilizantes se reducirían, por la reducción
de las emisiones en la fabricación y aplicación. Las contribuciones a la
categoría de impacto de eutrofización disminuirían mucho debido a la
reducción en la emisión de nitratos al agua. Los resultados económicos de la Tabla 7 muestran que una inversión en un sistema cerrado
de fertirrigación puede ser rentable. El periodo de amortización es de
tres años. Si se precisa de desinfecciones de la solución nutritiva para
evitar el desarrollo de enfermedades, el resultado financiero será negativo.
En el nuevo tipo de invernadero los impactos medioambientales se reducirán notablemente (36 al 42,7%) por el elevado aumento
de la productividad. Los resultados en la tabla 8señalan que una inversión en un nuevo tipo de invernadero multitúnel con ventilación mejorada parece ser rentable. La inversión extra puede ser recuperada en
el plazo de 5 años bajo estas suposiciones.
208
A. Antón Vallejo - M. Torrellas Iglesias - M. Ruijs - J.I. Montero Camacho
Tabla 4. Contribución por etapas a las categorías de impacto seleccionadas (IC) por
ton de tomate para producción de referencia en un invernadero multitúnel.
Sistema Equipo
IC
Unidad
Total
Estructura clima
Auxiliar Abonos Pesticidas Residuos
AD
kg Sb eq 1.7E+00 7.8E-01 1.1E-03 6.3E-01 2.0E-01 1.7E-02
2.3E-02
AA
kg SO2 eq 1.0E+00 3.9E-01 1.5E-03 4.2E-01 2.1E-01 1.9E-02
1.2E-02
-3
EU
kg PO4 eq 4.9E-01 1.5E-01 2.7E-04 8.0E-02 2.5E-01 6.5E-03
3.9E-03
GW
kg CO2 eq 2.5E+02 8.8E+01 1.5E-01 7.7E+01 8.2E+01 2.0E+00 3.1E+00
PO
kg C2H4
5.4E-02 2.0E-02 5.4E-05 2.7E-02 4.9E-03 1.2E-03
1.0E-03
CED
MJ
4.0E+03 1.9E+03 3.1E+00 1.6E+03 3.9E+02 4.1E+01 5.7E+01
AD, agotamiento abiótico; AA, acidificación aire; EU, eutrofización; GW, calentamiento
global; PO, oxidación fotoquímica; CED, demanda acumulativa de energía
Tabla 5. Reducciones del impacto ambiental (%) frente a situación de referencia por
alternativa y categorías de impacto
AD
AA
EU
GW
PO
CED
Fertilizantes ↓ 10%
1.2
2.0
5.1
3.2
0.9
1.0
Fertilizantes ↓ 20%
2.4
4.0
10.2
6.5
1.8
2.0
Fertilizantes ↓30%
3.6
6.0
15.3
9.7
2.7
3.0
20 años vida útil invernadero
5.2
6.3
6.3
5.6
6.4
5.2
Perlita 4 años vida útil
4.5
3.0
1.3
3.9
2.8
4.4
Perlita volumen ↓ 5%
0.8
0.6
0.3
0.8
0.5
0.8
Perlita volumen ↓15%
2.5
1.7
0.8
2.3
1.6
2.5
Perlita volumen ↓25%
4.2
2.9
1.3
3.8
2.7
4.1
Perlita volumen ↓35%
5.8
4.0
1.8
5.3
3.8
5.7
↑10% energía removable
0.4
0.8
0.3
0.4
0.6
0.1
↑20% energía removable
2.4
4.8
1.8
2.1
3.4
0.6
↑30% energía renovable
4.3
8.8
3.4
3.8
6.1
1.1
↑40% energía removable
6.3
12.7
4.9
5.5
8.9
1.7
22.7
30.1
28.7
27.6
22.8
17.4
Sistema de riego cerrado
5.2
9.9
48.2
12.3
5.1
4.9
Nuevo tipo de invernadero
42.6
38.8
36.0
39.3
41.8
42.7
Major caso
AD, agotamiento abiótico; AA, acidificación aire; EU, eutrofización; GW, calentamiento
global; PO, oxidación fotoquímica; CED, demanda acumulativa de energía
209
ANÁLISIS ECONÓMICO Y CICLO DE VIDA DE LOS DISTINTOS SISTEMAS DE INVERNADERO
Tabla 6. Efecto de la reducción del volumen de sustrato y vida útil sobre los costes
anuales de los sacos de cultivo (€/m2) *
mantenimiento
Units/ha Inversión inversión depreciación interés coste ahorro
€/unidad
total
%
%
€/m2
€/m2
Sistema cultivo referencia
4650
1.80
8370
33.3
7.5
0.34
25% reducción volumen
4650
1.42
6591
33.3
7.5
0.27
0.07
4 años vida útil
4650
1.80
8370
25.0
7.5
0.27
0.07
* Opción 1: Precio por litro sustrato es alrededor del 5% más alto que el sustrato estándar.
Sacos sustrato (perlita)
Tabla 7. Efecto de un sistema cerrado de fertirrigación, test rápido de análisis de SN y
filtración UV en el equilibrio de ingresos y gastos y en el periodo de amortización (€/
ha, año)1) 2) 3)
inversión
depreciación
€/ha
€/ha
mantenimiento
interés
€/ha
otros var
costes
€/ha
balance
abono
plazo amorbeneficioahorros
tización
cost
€/ha
€/ha
yr
Sistema fertirrigación
7500
750
565
1200
4650
2135
3
cerrado
Sistema fert. cerrado
8300
910
625
810
4650
2305
3
+ test rápido
Sistema fert. cerrado
+ test rápido + UV
23300
3270
1750
1390
4650
-1760
11
filtración (desinfección)
Costes variables: análisis químico (12x) y fitopatológico (2x)
1) Costes variables: análisis y reactivos químico (12x) y fitopatológico (2x)
2) Ahorro fertilizantes: nutrientes y consumo de agua
210
A. Antón Vallejo - M. Torrellas Iglesias - M. Ruijs - J.I. Montero Camacho
Tabla 8. Efecto de un nuevo tipo de invernadero multitúnel con ventilación mejorada
sobre beneficios y costes en comparación con un sistema de referencia de producción
de tomate (€/m2) y periodo de amortización de la inversión extra (años)
Componente Beneficio-coste, indicador
económico
Diferencia con sistema referencia
Rendimiento
9.10
Costes variables
4.45
Costes fijos
3.05
Costes totals
7.50
Resultado financiero neto
1.60
Amortización inversion extra (años)
5
Escenario b) Cultivo de tomate en un invernadero Venlo en los
Países Bajos: La principal carga en la situación de referencia era el
sistema de control de clima, dada la gran cantidad de gas necesaria
para calentar el invernadero (tabla 9).
Son notables las elevadas reducciones de los impactos
medioambientales en las dos alternativas de mejora dado que ambas mostraron reducciones significativas en el consumo de gas natural
(Tabla 10). Un nuevo método de cultivo con ahorro permitió reducciones entre el 20 y 31% a todas las categorías de impacto. A pesar
del ahorro substancial en energía, el balance de beneficios-gastos era
negativo debido a una reducción en las ventas de electricidad a la red
(Tabla 11).
El nuevo tipo de invernadero con doble acristalamiento y nuevo método energético de cultivo tuvo impactos ambientales iguales o
mayores del 30% para la mayoría de categorías de impacto. Es remarcable la baja reducción de la categoría de impacto de la eutrofización
(6%). La eutrofización es una categoría de impacto en la que las emisiones de la producción eléctrica suponen una elevada carga. Para
esta categoría de impacto, el efecto de un aumento del 155% en el
consumo de electricidad en el escenario alternativo es mucho mayor
211
ANÁLISIS ECONÓMICO Y CICLO DE VIDA DE LOS DISTINTOS SISTEMAS DE INVERNADERO
que el efecto de reducir un 55% el consumo de gas natural. Los resultados económicos muestran que el balance de beneficios y costes
extra resulta en una capacidad de inversión de 27 €/m2 para cubierta
AR y de doble cristal. La capacidad de inversión es muy dependiente
del precio de la energía (Tabla 12).
Tabla 9. Resultados de AICV para FU, para un invernadero con cultivo de tomate en
los Países Bajos, con asignación de energía de gas natural en CHP
IC
Unidad
Total
Estructura
Sistema
clima
Equipo
auxiliar
Abonos
Pesticidas
Residuos
AD
kg Sb eq
1.5E+01
3.4E-01
1.5E+01
1.4E-01
9.9E-02
1.6E-03
3.3E-03
AA
kg SO2 eq
2.9E+00
3.0E-01
2.4E+00
8.8E-02
1.1E-01
1.8E-03
2.3E-03
EU
kg PO eq
7.2E-01
9.7E-02
5.8E-01
2.1E-02
1.6E-02
6.1E-04
9.1E-04
GW
kg CO2 eq
2.0E+03
5.3E+01
1.9E+03 1.4E+01
4.8E+01
2.0E-01
2.1E+00
PO
kg C2H4
2.1E-01
1.4E-02
1.9E-01
2.2E-03
1.1E-04
7.6E-05
--4
6.5E-03
CED
MJ
3.1E+04 8.2E+02 3.0E+04 3.1E+02 2.0E+02 3.9E+00 7.9E+00
AD, agotamiento abiótico; AA, acidificación aire; EU, eutrofización; GW, calentamiento
global; PO, oxidación fotoquímica; CED, demanda acumulativa de energía
Tabla 10. Reducciones de impacto medioambiental (%) frente a situación de
referencia por alternativa y categorías de impacto
AD
Sistema de cultivo ahorro energía
Nuevo tipo de invernadero
31.1
38.8
AA
25.9
29.9
EU
20.4
6.4
GW
30.4
38.0
PO
CED
39.9
38.7
29.1
30.9
AD, agotamiento abiótico; AA, acidificación aire; EU, eutrofización; GW, calentamiento
global; PO, oxidación fotoquímica; CED, demanda acumulativa de energía
212
A. Antón Vallejo - M. Torrellas Iglesias - M. Ruijs - J.I. Montero Camacho
Tabla 11. Efecto del Nuevo sistema ahorro de cultivo en inversiones, costes anuales
de las inversiones, costes de energía y balance de beneficios y costes en comparación con el sistema de referencia de producción de tomate (€/m2).
Componente
Diferencia con sistema de referencia (€/m2)
Inversión
1.20
Costes anuales de inversión
1)
Costes de energía2)
0.10
0.45
Producción
-
Balance de beneficios y costes
-0.55
Costes anuales: depreciación, mantenimiento e interés medio.
1)
Costes energía: balance de consumo de energía y ventas de energía (electricidad)
Tabla 12. Efecto del doble acristalamiento y nuevo sistema de cultivo en costes de
energía, producción, balance de beneficios y costes y capacidad de inversión en comparación con un sistema referencia de producción de tomate (€/m2)
Componente
Diferencia con sistema de referencia (€/m2)
Costes de energía1)
-3.40
Producción
-
Otros costes
0.75
Balance de beneficios y costes2)
2.65
Capacidad de inversión
27
Costes de energía: consumo de gas (-4.55 €/m2), electricidad (0,75 €/m2) y
CO2(0.40 €/m2).
1)
Excepto coste anual de inversión extra
2)
Coste anual de la inversión: 10% (depreciación: 7%, mantenimiento: 0,5% y
interés medio: 2,5%).
3)
213
ANÁLISIS ECONÓMICO Y CICLO DE VIDA DE LOS DISTINTOS SISTEMAS DE INVERNADERO
CONCLUSIONES
En términos de la valoración económica, los cuellos de botella
asociados con los distintos escenarios fueron identificados y pueden
resumirse como sigue: los fertilizantes representan una carga importante en todas las categorías de impacto para escenario a) en España. Para algunos escenarios la cantidad de fertilizante aportado es
visiblemente alto. Por tanto los sistemas cerrados de riego podrían
implementarse. La fabricación del sustrato juega un importante papel
medioambiental. El reciclado de sustrato usado y la reducción del volumen de sustrato aplicado por planta son muy recomendados. Además
el consumo de energía para calefacción en invernadero de tomate es
una cuestión importante que debe ser considerada. Con respecto a la
estructura del invernadero, la gran cantidad de acero que contiene se
refleja en los resultados. Su impacto medioambiental se podría reducir
si se extiende la vida útil del invernadero y se aumenta a productividad.
Con respecto a la valoración económica se determinaron el
output total, los costes y los resultados financieros netos. El análisis
coste-beneficio ofreció las siguientes consideraciones: El equipamiento y la mano de obra fueron los componentes más elevado de gasto en
ambos escenarios; cuando no se usa la cogeneración, los costes de
energía fueron muy altos en los Países Bajos debido al consumo e gas
natural, por lo que deberían dirigirse los esfuerzos al ahorro energético
para reducir este ítem; y mayor eficiencia en las dosis de fertilizantes
podrían reducir los costes de fertilizante.
A través del análisis de alternativas en cada escenario se
puede concluir que se consiguen mayores reducciones del impacto
medioambiental reduciendo el consumo de energía, aumentando la
productividad o combinando distintas alternativas de mejora. Los resultados económicos muestran que en algunos casos la reducción de
inputs puede ser también interesante. Se deberían dedicar mayores
esfuerzos la implementación de mejoras de manejo tecnológico y más
214
A. Antón Vallejo - M. Torrellas Iglesias - M. Ruijs - J.I. Montero Camacho
investigación debería orientarse a analizar la viabilidad de las alternativas sugeridas.
Con el fin de apoyar a técnicos y productores a simular su propio sistema invernadero se ha colgado en el sitio web de Euphoros una herramienta informática de apoyo económico y medioambiental. Esta
herramienta se basa en las técnicas y medidas estudiadas en este proyecto. Los productores pueden elegir una serie de acciones o técnicas
para implementar en su invernadero. Se calcula el coste económico y
medioambiental de estas acciones y se compara con el invernadero
original utilizado como referencia en esta herramienta web.
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F U N D A C I Ó N