FUNDACIÓN - WUR · La vida útil de un film de invernadero ha pasado de 9 meses en los cincuenta a...

F U N D A C I Ó N

USO EFICIENTE DE INPUTS EN HORTICULTURA PROTEGIDA

CURSO DE ESPECIALIzACIóN

7 al 9 de febrero de 2012

2 0 1 2

ALMERIA

F U N D A C I Ó N

Curso de Especialización

USO EFICIENTE DE INPUTS ENHORTOTICULTURA 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. ..................................................................9Juan C. López - Esteban Baeza - Juan I. Montero

DESARROLLOS DEL PROYECTO PARA INVERNADEROS DE CRISTAL CON CULTIVO DE ROSAS .....................................................................39Nieves García

ENERGIA Y VENTILACION ...................................................................................77Esteban Baeza - Juan I. Montero

ENRIQUECIMIENTO Y MANEJO DE CO2 EN INVERNADERO ...............................117Cecilia Stanghellini

SISTEMAS CERRADOS EN CULTIVO HIDROPÓNICO ..........................................145Alberto Pardossi - Luca Incrocci

ANÁLISIS DE CICLO DE VIDA Y ECONÓMICO DE SISTEMAS ............................179DE INVERNADEROAssumpció Antón Vallejo - M. Torrellas Iglesias - M. Ruijs - Juan I. Montero Camacho

INTRODUCCIÓN

El proyecto EUPHOROS, acrónimo de Efficent Use of Inputs In Pro-tected Horticulture (Uso Eficiente de Inputs en Horticultura Protegida) ha re-cibido financiación de la UE en su 7º Programa Marco y cuenta entre sus impulsores con Universidades, Centros de Investigación y Empresas de re-conocido 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 agri-cultura 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 eficien-cia en el uso de recursos.

El contenido del curso incluye los desarrollos más relevantes alcanza-dos 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 desa-rrolladas. Las clases serán impartidas por los investigadores expertos res-ponsables 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 activi-dades de divulgación y formación, como cursos y jornadas técnicas nacio-nales 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 especia-lización en agricultura protegida, personal de centros de investigación, así como profesionales y técnicos del sector agroalimentario.

9

NUEVOS DESARROLLOS EN MATERIALES PLÁSTICOS DE CUBIERTA PARA INVERNADEROS

J.C. López¹ - E. Baeza² - J.I. Montero³¹ Estación Experimental Las Palmerillas Fundación Cajamar² 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 mien-tras 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

NUEVOS DESARROLLOS EN MATERIALES PLÁSTICOS DE CUBIERTA PARA INVERNADEROS.

10

m. Hoy en día los filmes monocapa o multicapa (normalmente tricapa) son de uso generalizado en la producción comercial, siendo los multi-capa los de mayor aceptación ya que combinan las propiedades posi-tivas 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 densi-dad 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) 0,915 – 0,930 Copolímero etilen vinil acetato (EVA) 0,920 – 0,930 Copolímero etilen butil acrilato (EBA) 0,920 – 0,930 Cloruro de Polivinilo (flexible) (PVC) 1,250 – 1,500 Polimetil de metacrilato (PMMA) 1,180 Poliester / Fibra de vidrio 1,500 – 1,600 Cristal 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 ejem-plo, 1 m2 de film LDPE con un espesor de 200 m pesa 184 g aproxi-

J.C. López - E. Baeza - J.I. Montero

11

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 flexibi-lidad 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 bara-tas, que la de los invernaderos de cristal.

Los aditivos son una parte esencial de los materiales de cu-

bierta. Estos se dispersan entre las cadenas poliméricas sin interac-cionar 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 can-tidades 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


12

Los dos aditivos más comunes en horticultura son los estabilizadores de UV y lo absorbentes de IR. Los primeros hacen los filmes más esta-bles 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 ra-diación infrarroja de onda larga (longitud de onda entre 7 y 14 µm) para así reducir las pérdidas de calor por radiación. Los así llama-dos 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 au-mentan el porcentaje de radiación difusa en el invernadero. Se con-sidera 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).

La turbidez es el porcentaje de radiación difusa que hay en la


13

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 irradia-ción y escasez de lluvia) se recomienda emplear filmes difusores, de-bido a que la transmisión de luz no es excesivamente limitante y evitan sombras dentro del invernadero y quemaduras en las plantas. En cli-mas 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 elec-tricidad, por lo que tienden a acumular electricidad estática al frotar una superficie con otra, o por fricciones originadas por el viento, etc.


14

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 mate-riales 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 protuberan-


15

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 peque-ñas 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 modifi-can la tensión superficial del agua, eliminan las gotitas y forman en su lugar una delgada capa de agua (Figuras 9 y 10).


16

Figura 10: Efecto de la condensación sobre la transmisión de luz; a la izquierda, con-densación 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 condensa-ción, así que normalmente las propiedades antigoteo se pierden antes de que finalice la vida útil del plástico. Más recientemente y en plásti-cos 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 Fotosin-téticamente 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 siem-pre deseables (Figura 11). Ciertos prototipos de filmes plásticos contienen pigmentos reflectan-tes de NIR a distintas concentraciones, consiguiéndose una reducción


17

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).

0

400

800

1200

1600

2000

305 450 718 937 1442.5 2005 3317

Wavelenght [nm]

Inte

nsity

[W m

-2 u

m-1

] UVPurpleBlueGreenYellowOrangeRedNIR

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 selec-tivos de NIR disponibles comercialmente pueden ser aplicados de tres

UV 5%

Near Infrared Radiation (NIR)50%

PAR 45%


18

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 in-viernos 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 (fo-toselectivos), que bloquean parte de la radiación UV (Salmerón et al., 2001) y eliminan la longitud de onda correspondiente al color más vi-sible para los insectos, permite dificultar el desarrollo de los insec-tos 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, tam-bién pueden tener un efecto negativo sobre la actividad de los polini-zadores, 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 respues-ta 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 esporu-lación de hongos patógenos como Botrytis cinerea (Jarvis, 1997; Díaz et al., 2001) Hay estudios donde se comparan materiales de cubierta con


19

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 de-muestran que los plásticos antiplagas que absorben la radiación ultra-violeta que llega al invernadero, limitan la movilidad de los insectos, y por tanto la reproducción, por lo que resulta una herramienta impor-tante 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 antipla-gas en relación al testigo (Pérez et al., 2009).

Figura 12. Evolución del número acumulado de Bemisia tabaci (a) y Frankliniella oc-cidentalis (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 demues-tran que existe una interacción especifica entre los plásticos antipla-gas y la especie polinizadora, de forma que la actividad del abejorro (Bombus terrestris) no se ve afectada por el uso de plásticos antipla-gas, no afectando a la producción del cultivo, mientras que la actividad de las abejas (Apis mellifera) sí se ve afectada (López et al., 2006; Pé-rez 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).


20

1. Proyecto Euphoros: Efectos de un plástico absorben-te de NIR como material de cubierta de invernadero con un cultivo de tomate en Almería.

1.1 ObjetivoEvaluar 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 AntecedentesLas ventajas climáticas de la región mediterránea para el cul-

tivo en invernadero están relacionadas con la buena disponibilidad de luz en otoño e invierno, con la suavidad de las temperaturas y la es-tabilidad climática derivada de la proximidad del mar (Castilla y Her-nández, 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 ópti-mas 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 consu-midor de energía. Por el contrario, en el área mediterránea el sistema agrícola, principalmente con cubierta de plástico, es de bajo nivel tec-nológico, poco equipado, más barato y con un limitado consumo ener-gético (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


21

recomendable, al menos durante algunos periodos del ciclo de cre-cimiento. 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 so-luciones 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 foto-síntesis y que debiera siempre mantenerse lo más alta posible. Exis-ten 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 ra-diación 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, efec-tos 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 simula-ciones con un software de simulación (Kaspro) alimentado con datos meteorológicos de Almería (datos meteorológicos EEFC) y datos ópti-cos, 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 par-te de la energía absorbida era transmitida al interior del invernadero por convección, y en principio la reflexión parece una opción más fa-vorable que la absorción. Un material con buena filtración NIR debe poder excluir una alta proporción de NIR (45%) y debe afectar lo me-


22

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 túne-les 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.


23

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 compartimen-tos (10 agosto) para asegurar la supervivencia de las plántulas en las duras condiciones que en Almería se corresponden con ese mes, uti-lizando 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).


24

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:

NIR_Film

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

300 5300 10300 15300 20300

Transmission Reflection Absorption

Control_Film

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

300 5300 10300 15300 20300

Transmission Reflection Absorption

Figura 2. Espectros de transmisión, reflexión y absorciónde los dos materials evaluados: film NIR y film control (datos de laboratorio me-didos y proporcionados por WUR)

Film NIR: invernadero cubierto con el prototipo de film absorbente de NIR.

Film control: invernade-ro cubierto con el típico tricapa de Almería.

Los materiales de cubier-ta se instalaron en los dos compartimentos durante agosto 2010. La Figura 2 muestra las caracterís-ticas ópticas de ambos materiales, medidas en un laboratorio en WUR (Países Bajos) para dis-tintas longitudes de onda.


25

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 DeterminacionesEn cada tratamiento se obtuvieron las siguientes medidas y determi-naciones:

§Temperatura ambiental y humedad relativa: cada comparti-mento 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 dis-positivos de almacenamiento de datos (mod. CR1000 y CR3000, Campbell Scientific Ltd., Leicestershire, UK).

§Temperatura de la cubierta por medio de termopares (las medi-das de la temperatura de la cubierta se corrigieron para evitar el problema de radiación directa incidente sobre el sensor, de acuer-do al método recomendado por Abdel-Ghany et al (2006).


26

§Los datos de clima exterior se midieron en una estación meteo-rológica localizada en las cercanías de dos invernaderos experi-mentales (temperatura, humedad, radiación, velocidad del viento y dirección).

§Producción: 5 repeticiones por tratamiento y 8 plantas por repe-tición (4 sacos de cultivo). La producción comercial y no comer-cial 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).


27

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 4.7Control film 17.4 21.5 13.8 40.5 5Exterior 15.5 17.8 13.5 30.2 3.3

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 tempe-ratura 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 perio-do 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 inverna-deros (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.


28

Air temperature mean 24h

0

5

10

15

20

25

30

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

ºC

NIR_filmControl_filmOutside

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 (Fi-gura 4) fue ligeramente más alta en el caso de la cubierta NIR. Esto puede justificar parcialmente la ausencia de la previsible bajada de te-men 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 pe-riodo diurno. Sin embargo no fue suficiente para producir una menor radiación neta debido a que la componente de la radiación global, pro-cedente del invernadero (reflejada y transmitida desde el invernadero), en el film Control fue superior.


29

020406080

100120140160180

10-ago-10 29-sep-10 18-nov-10 07-ene-11 26-feb-11 17-abr-11 06-jun-11

Date

Mea

n N

et R

adia

tion

(W m

-2) NIR_film

Control_film

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 cul-tivo (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 tempe-raturas alcanzadas por el material, tal y como se ha discutido anterior-mente.


30

0

5

10

15

20

25

30

35

40

20/03/2011 00:00

20/03/2011 06:00

20/03/2011 12:00

20/03/2011 18:00

21/03/2011 00:00

HourC

over

tem

pera

ture

(ºC

)

NIR_filmControl_film

0

5

10

15

20

25

30

20/03/2011 00:00

20/03/2011 06:00

20/03/2011 12:00

20/03/2011 18:00

21/03/2011 00:00

Hour

Air

tem

pera

ture

(ºC

)

NIR_filmControl_filmOutside

0

50

100

150

200

250

300

20/03/201100:00

20/03/201106:00

20/03/201112:00

20/03/201118:00

21/03/201100:00

Hour

PAR

radi

atio

n (W

m-2

) NIR _filmControl_film

0100200300400500600700800900

20/03/201100:00

20/03/201106:00

20/03/201112:00

20/03/201118:00

21/03/201100:00

Hour

Sola

r rad

iatio

n (W

m-2

) NIR _filmC ontro l_filmOuts ide

050

100150200250300350400450500

20/03/201100:00

20/03/201106:00

20/03/201112:00

20/03/201118:00

21/03/201100:00

Hour

Dow

n lo

ng r

adia

tion

(W m

-2)

NIR _film

Control_film

0

100

200

300

400

500

600

20/03/2011 00:00

20/03/2011 06:00

20/03/2011 12:00

20/03/2011 18:00

21/03/2011 00:00

Hour

NIR

radi

atio

n (W

m-2

)

NIR_film

Control_film

Figura 5. Temperatura del aire, de la cubierta y radiación durante el día (20/03/2011) en ambos tratamientos.


31

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 dife-rencia se observó en los frutos de primera calidad, .49 kg m-2 y 12.67 kg m-2 respectivamente. La producción de segunda fue significativa-mente más baja, y similar en ambos tratamientos.

0

2

4

6

8

10

12

14

16

0 50 100 150 200 250 300

Day after trasplant

Com

erci

al Y

ield

(g m

-2)

NIR film 1ª Control film 1ª

NIR film 2ª Control film 2ª

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 recolecta-dos, siendo 16,4 y 15,1 para el film Control y NIR, respectivamente.


32

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

0 50 100 150 200 250 300

Day after trasplant.

Nº t

rust

NIR film Control film

Figura 7. Número de ramos acumulados recolectados para cada tra-tamiento 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.


33

Sin condensación (film NIR) Condensación (Film Control)

1.5 CONCLUSIONES• ElfilmNIRensayadonoredujolatemperaturadelairefrenteal

filmControl.

• Elbalancenetode radiación fue ligeramentemayorenelfilmNIRqueenelfilmControl.

• ElfilmNIRprovocóunareducciónenPARpróximaal15%loquecondujoaunamenorproduccióndetomate,similaralaspérdi-dasderadiaciónPAR.

• EldesarrollodematerialesplásticosparareducirlacomponenteNIRdebendeencaminarseautilizaraditivosquereflejenelNIRynoqueloabsorban(casodelensayo).

• Parazonascálidasesprioritarioreducirtemperaturadelairedu-rantegranpartedeltiempo,porloqueseríadeinterésprofundi-zarenmaterialesquenoabsorbieranNIRsinoqueloreflejasenyquenomodifiquenlatransmisividaddelaradiaciónPAR.


34

REFERENCIAS

Abdel-Ghany A.M., Ishigami Y., Goto E. and Kozai T. 2006. A method for measuring greenhouse cover temperature using thermo-couple. Biosystems engineering, 95 (1) 99-109.

Antignus, Y.; Lapidot, M and Cohen S. 1999. UV-Absorbing Plas-tic Films and Nets. An Innovative Tool of IPM to Reduce the Spread of Insect Pests and Virus Diseases in Covered Crops. Phytoparasitica 27:1, 1999: 76-77

Blanchard, M. G., E. S. Runkle, 2010. Influence of NIR-reflecting sha-ding paint on greenhouse environment, plant temperature, and growth and flowering of bedding plants. Transactions of the ASABE Vol. 53(3): 939-944.

Cabrera, F.J., Baille, A., Lopez, J.C., Gonzalez-Real, M.M., Perez-Pa-rra, J. 2009. Effects of cover diffuse properties on the compo-nents of greenhouse solar radiation. Biosystems Engineering, 103: 344-356.

Castilla, N. 2005. Invernaderos de plástico: tecnología y manejo. Edi-ciones Mundi-Prensa. Madrid.

Castilla, N., Hernández, J. 2005. The plastic greenhouse industry of Spain. Chronica Horticulturae, 45(3): 15-20.

Castilla, N., Hernández, J. 2007. Greenhouse technological packages for high-quality crop production. Acta Horticulturae, 761: 285-297.

Cabello, T.; Van Der Blom, J; Soler, A., 2005 b. Luz ultravioleta, plásti-cos y visión en insectos. Actas IV Congreso Nacional de Ento-mología Aplicada. Bragança: 226.

Cabello, T.; Van Der Blom, J.; Soler, A.; Lopez, J.C., 2006. Atractivos florales visuales en plantas hortícolas. II Jornadas de Poliniza-ción en Plantas Hortícolas. Junta de Andalucía (Spain): 37-48.

Cepla, 2006. Plásticos para la agricultura. Manual de aplicaciones y usos. Editores J.C. López, J. Pérez-Parra y M.A. Morales. Al-mería, Spain. pp 144.


35

Díaz, T., Espí, E., Fontecha, A., Jiménez, J.C., López, J., Salmerón, A. 2001. Los filmes plásticos en la agricultura agrícola. Ed. Rep-sol. Mundi-Prensa. Madrid

Dyer, G. and Chitta, L. 2004. Bumblebee search time without ultraviolet light. J. Exp. Biol., 207: 1683-1699

Espí, E., 2011. Materiales de cubierta para invernaderos. CEA (sin pu-blicar). Fundación Cajamar.

Perez-Parra, J., Baeza, E., Montero, J.I. and Bailey, B.J. 2004. Natu-ral ventilation of Parral Greenhouses. Biosystems Engineering, 87(3), 355-366

Elsner, B. von, and Xie, J. 2003. Effects of interference pigments in shading paint for greenhouses. Proceedings of the Thirty-first Agricultural Plastics Congress, August 16-19, 2003 in Grand Rapids, Michigan, USA, 6-16.

García-Alonso Y, A. González, E. Espí, A. Salmerón, J. López, A. Fon-techa 2006. New Cool Plastic Films for Greenhouse Covering in Tropical and Subtropical Areas. Acta Horticulturae 719: 131-138.

González, A., Rodriguez, R., Bañón, S., Franco, J.A., Fernandez, J.A., Salmerón, A., Espí, E. 2003. Strawberry and cucumber cultiva-tion under fluorescent photoselective plastic films cover. Acta Horticulturae, 614:407-414

Hemming S., F. Kempkes, N.van der Braak, T. Dueck and N. Marissen. 2006. Greenhouse Cooling by NIR-reflection. Acta Horticultu-rae 719: 97-106.

Hemming, S., Dueck, T., Janse, J. Van Noort, F. 2008. The effect of diffuse light on crops. Acta Horticulturae, 801: 1293-1300.

Jarvis, W.R., 1997. Control de enfermadades en cultivos de invernade-ro. Ed. Mundi-Prensa. Madrid.

Lapidot, M.; Cohen, S.; Antignus, Y 2002. Interferencia de la visión UV de los insectos: una herramienta IPM para impedir las epi-demias de las plagas de insectos y las enfermedades virales asociadas con los insectos. Phytoma-España.135:172-176.

Monci, F., García-Andrés, S. Sánchez, F. Morcones, E., Espi, E, y Salmeron, A. 2004. Tomato yellow leaf curl disease control


36

with UV-blocking plastic covers in comercial plastichouses of Southern Spain. Acta Horticulturae, 633:537-542

Montero, J.I., Stanghellini, C., Castilla, N. 2008. Greenhouse Techno-logy for Sustainable Production in Mild Winter Climate Areas: Trends and Needs. ISHS Intern. Symposium “Strategies towards Sustainability of Protected Cultivation in Mild Winter Climates”. Antalya (Turkey). Acta Horticulturae (in print).

Montero, J. I. 2010. New Technologies for Environmental Control of Greenhouse Climate with Special Reference to Evaporative Cooling. Workshop on Protected Cultivation-Present Status and Future Trends. Riyadh,(Saudi Arabia), 6-8 April 2010

Rapisarda, C.; Tropea, G.; Cascote, G.; Mazzarella, R.; Colombo, A.; Serges, T., 2006. UV-absorbing plastic films for the control of Bemisia tabaci (Gennadius) and Tomato Yellow Leaf Curl Di-sease (TYLCD) in protected cultivations in Sicily (South Italy). Proceedings of the international symposium on greenhouse cooling. Acta Horticulturae, 719: 597-604

Salmerón, A., Espí, E., Fontecha, A.; García-Alonso, Y., 2001. Fílmes agrícolas avanzados: un campo abierto. Actas I Simposio inter-nacional de Plasticultura.

Soler, A.; Van Der Blom, J. y Cabello, T. 2005. Efecto de cubiertos de invernadero UV absorbentes en el comportamiento de po-linizadores (Bombus terrestris y Apis mellifera: Hymenoptera, apidae) en condiciones de bio-ensayo. Actas IV Congreso Na-cional de Entomología Aplicada. Bragança: 93

Waaijenberg, D. y Sonneveld, P.J. 2004. Greenhouse design for the fu-ture with a cladding material combining high insulation capacity with high light transmittance. Acta Horticulturae. 633: 137-143.


37

39

DESARROLLOS DEL PROYECTO PARA INVERNADEROS DE CRISTAL CON CULTIVO DE ROSAS

Nieves GarcíaWageningen U. R.

El objetivo principal del proyecto EUPHOROS es el desarrollo de sistemas para una horticultura de invernadero Europea más sos-tenible invernadero que minimice el uso de “inputs” y de emisiones al medio ambiente, pero altamente productiva y con un uso muy efi-ciente 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 dese-chos) 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, pesti-cidas 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


40

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 tra-bajo aparte.

Pero… ¿Cómo se define la “Horticultura Europea”? Uno sólo tiene que conducir por distintas regiones geográficas en Europa dedi-cadas 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 euro-peos 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, disponibili-dad y calidad del agua, el tipo y la calidad del suelo), culturales (el nivel educacional del cultivador, la organización empresarial, la conciencia-ción medioambiental del propietario, las tradiciones que desembocan en los métodos de cultivos actuales….) económicas (cuánto puede in-vertir 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 se-mi-comercial y la implementación de los materiales, métodos e instru-mentos 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 determi-nadas 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 cultu-ra y un mercado específico. Todas ellas distintas entre sí.

Nieves García

41

El cultivo de rosas: una actividad hortícola significativa en Holanda.

A diferencia de las otras dos localidades escogidas para la im-plementación de los desarrollos e instrumentos del proyecto Eupho-ros, donde el cultivo designado para la realización de ensayos semi-comerciales 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 con-centrar 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 super-ficie dedicada al cultivo de diferentes productos hortícolas en Holan-da. 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, re-galar 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 produc-tos ornamentales ocupan un lugar destacado en la economía del país, siendo un producto de exportación. Es un sector altamente mecaniza-do 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 pla-


42

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 des-pués 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 Hectáreas

(2005)Hectáreas

(2007)Hectáreas

(2011)

Horticultura de invernadero 10.539 10.374 10.250Hortalizas de invernadero 4.445 4.571 4.990Tomate 1.396 1.545 1.700Pimiento 1.236 1.187 1.360Pepino 631 616 660Ornamentales (flor y planta) 5.616 5.327 4.700Planta de maceta 1.377 1.397 1.360Flor cortada 3.244 3.003 2.430Crisantemo 598 566 510Rosas 780 652 460

Fuente: www.statline.cbs.nl

Nieves García

43

Tabla 2. Holanda. Facturación productos ornamentales subastas holandesas.

Facturación (2009)(en millones de €)

Flores de corte total1)

Producción holandesa total2.2001.600

Rosas total1) 696Rosas, producción holandesa 362

(23% del valor de producción de la flor cortada. holandesa)

1)incluye importacionesFuente: 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 siste-mas 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 investi-gadores 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 di-versos actores implicados). Además, el análisis pronosticó el potencial impacto económico (ambos: el ahorro realizable y la capacidad inver-sora 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 compo-nentes de una plantación de rosas en Holanda (figura 1), el coste total


44

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 produc-ción), cada uno de ellos siendo responsable de un equitativo 22% del coste total. Por ello, cualquier desarrollo capaz de realizar una reduc-ción 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 (Ho-landa). Fuente: Euphoros Deliverable 5.

Nieves García

45

Más del 90% de la energía utilizada en la producción de rosas es eléc-trica.

En el seno del proyecto EUPHOROS, un paquete de trabajo se dedicó a la exploración de diferentes métodos para almacenar la ener-gía 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 po-sible 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 lám-paras 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.


46

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 ac-tuales. 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 fotosintética-mente 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 ca-tegorías de impacto con valores oscilando entre el 0.53% y el 2.43%.

Nieves García

47

Fertilizantes y productos para la protección de cultivos: contribuyentes menores

El coste de otros suministros entre aquellos en los que se cen-tran las actividades del proyecto EUPHOROS (fertilizantes y produc-tos 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 des-echa, siendo prácticamente el 100% de ellos cultivos sin suelo (subs-trato). 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 dis-tintas 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 eco-nómico 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 con-trol de plagas, los enemigos naturales de las plagas principales des-empeñan un papel muy importante y son introducidos en el cultivo. Los


48

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 me-nudo 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 produc-tos químicos y biológicos (enemigos naturales).

Cálculos realizados en el marco del antes mencionado análisis económico y medioambiental (capítulo 6) muestran que un instrumen-to que gracias a una forma de detección precoz de plagas y enfer-medades 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 culti-vador 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 contribu-ciones 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 ne-cesita 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 inspec-ción 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

Nieves García

49

ahorrar 0,25 horas en mano de obra por m2 y año en tiempo de inspec-ción, 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 inversoraReducción 10% reducción 10%

energía 4.13 23.6fertilizantes 0.12 0.60pesticidas 0.30 1.50

Fuente: Euphoros Deliverable 5.

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 (lux) 11.800 11.800Intensidad W/m2 107 107PAR μmol /m2/s 148 148Número de horas/año luz encendida hours/año 5751 4919Gas combi calor-electricidad (0,6 MWe/ha) m3/m2/año 92,9 79,4Gas caldera m3/m2/año 8,8 12Gas total m3/m2/ año 101,7 91,5Electricidad requerida para luz kWh/m2/año 615 526Electricidad adquirida de red pública kWh/m2/año 270 231Electricidad vendida kWh/m2/año 0 0Consumo neto de energía excl generación MJ/m2/año 4191 3724Consumo neto de energía incl. generación. MJ/m2/ año 5533 4873Producción tallos/m2/ año 250,8 249,0Energía utilizada MJ/stem 22,1 19,6

Fuente: Vermeulen y García Victoria, 2008, datos 2007, variedad Passion.


50

EUPHOROS desarrollos ensayados en invernaderos en un cultivo de rosas (Holanda).

Una vez analizada la situación de referencia (el cultivo comer-cial de rosas en Holanda) y las opciones con un potencial destacable de reducir suministros (inputs), y en consulta con diversas partes in-teresadas, se hizo una selección de los desarrollos a ensayar a es-cala 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 princi-pal 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 princi-pal 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.

Nieves García

51

Tabla 5. Desarrollos ensayados a escala dee invernadero con un cultivo de rosas en Bleiswijk, Holanda

Instrumento / desarrollo Especificación Ahorro de Impacto económico

Material de cubierta de

Inverna-dero

Vidrio difuso con capa AR (GroGlass)

Energía

10% menos energía para ilumi-nación suplementaria (de 5700 h a 5130 h.) ahorra 4,13 €/m2 => 23,6 € capacidad inversora

Detección precoz de plagas /

enfermeda-des

La nariz electrónica

(Warwick HRI)

Pesticidas

Mano de obra

Reducción de 10% uso pestici-das ahorra 0,30 € /m2 => 1,5 € capacidad inversora0,25 h/m2 año mano de obra ahorrada=> 5 € capacidad inversora

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 sus-trato

Reducción del substrato en un 20% ahorra 0,10 € /m2 año.


52

Incremento de producción gracias al vidrio difuiso con paca R (6,5%) El vidrio difuso (figura 3) dispersa la luz directa en el inverna-dero 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% respectivamen-te. 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 di-funde, 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 Inver-nadero ha investigado el potencial de materiales de cubierta difusos utilizados en invernaderos holandeses (Hemming at al., 2005A; Hem-ming 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 foto-

Nieves García

53

síntesis más eficiente y en mejor calidad. Los muchos efectos positi-vos 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 revesti-miento 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 va-riedades 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 están-dar transparente), en el invernadero con vidrio difuso se registró un aumento de la producción de 5.2 más flores cosechadas, represen-tando 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


54

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 me-nos picos con valores extremos. En un experimento comparable que se hizo con tomates también en 2011 (empezó apenas 3 me-ses 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 extre-mas (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 vi-drio 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

Nieves García

55

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 ro-sas 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


56

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 di-ferencia entre la temperatura del botón (medido con un termómetro in-frarojo manual) y la temperatura del aire (medido con un sensor térmi-co) (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 total-mente 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 pu-dieron 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.

Nieves García

57

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 acumu-lada 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 refe-rencia. 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 inverna-dero de referencia a las 14:52 en un día soleado. Los colores en el circulo (circle)indi-can 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.


58

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 invernaderoReferencia (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 (gra-tuíta). Un método alternativo que en combinación con el vidrio difuso permitiese un mejor control de la temperatura del botón sería preferi-ble. 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

Nieves García

59

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 tem-peratura 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 di-ferencias 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 radia-ción ha sido demostrado (Dueck, Janssen and Thao, 2011) que bajo el vidrio difuso (haze 71%), el efecto fotoinhibidor de las altas intensida-des luminosas es considerablemente inferior al observado bajo vidrio normal (haze 0%).

Figura 8. Daños causados al cultivo como consecuencia del sobrecalentamiento (lo-cal). 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 con-trolar el daño. El vidrio difuso con capa AR ayudó a controlar su incidencia permitiendo por tanto el sombreo a intensidad más elevada.


60

Figura 9. El vidrio difuso redujo durante el período soleado la diferencia entre la tem-peratura 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: económica-mente 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 vi-drio, 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 permi-te 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 pro-ducción obtenido (los cálculos se hicieron con un 5%) este desarrollo

Nieves García

61

conlleva un obvio beneficio en la reducción del impacto medioambien-tal 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 im-pacto 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 anterior-mente 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 Horticul-tura en Invernadero. Como sustrato se usaron pequeños tacos de lana de roca (Grodan). Una vez que las plántulas enraizaron, fueron trans-feridas a unos “ladrillos” de lana de roca perforados (en los que cabe


62

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 utiliza-do ahorra 20% de substrato comparado con el sistema comercial (la referencia). El tamaño reducido de la unidad con dos plantas también per-mite el precultivo (o propagación prolongada) de las plantas a una ma-yor 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).

Nieves García

63

Figura 12: plantas casi productivas después de la propagación prolongada a alta den-sidad, son trasladadas a los invernaderos donde se realizará el ensayo.

La evaluación económica (Ruijs et al., 2011) muestra que la re-ducción 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 méto-dos) 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 au-xiliares (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 imple-mentar 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 respetuo-sa con el medio ambiente.


64

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 mo-delo 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 diferen-cias 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 trans-piración 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 medi-da en la mayoría de los días, mayor de lo que cabría esperar.

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 2000

100

200

300

400

500

600Rose, June 9th, 0:00 hour -June 16th, 23.59 hour, LAI=2, �=0.6, rb=150, MA=30 min.

Time (hours)

Tran

spira

tion

(gm-2

h-1)

Model CS

ProDrain

Nieves García

65

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.

0 50 100 150 200 250 300 350 400100

200

300

400

500

600

700

800

900

1000

Net radiation (Wm-2)

r s

Stomatal resistance rose

rs, standard

rs, modified

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..


66

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 calcula-da mostraba valores mucho más similares al compararlo con la trans-piración medida, como se puede apreciar en la figura 15. Con esta nueva función para la resistencia estomatal, la combinación modelo-sensor para registrar la transpiración podría usarse en ambos cultivos, tomate y rosas, auque tiene a sobreestimar la transpiración de rosas.

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 2000

50

100

150

200

250

300

350

400

450

500

Time (hours)

Tran

spira

tion

(gm-2

h-1)

Tomatoe, June 9th, 0:00 hour -June 16th, 23.59 hour, LAI=2, �=0.6, rb=200, MA=30 min, Rs modified.

Model CS

ProDrain

Figura 15. Transpiración de un cultivo de rosas en un invernadero comercial, calcula-da 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 traba-ja, 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-

Nieves García

67

matal y el índice de área foliar obtenidos durante determinaciones de fotosíntesis en el ensayo de rosas.

Detección electrónica de plagas/enfermedades en rosas: pro-metedor pero no implementable aún.

Varias técnicas para la detección electrónica de plagas y enfer-medades en invernaderos han sido consideradas por Warwick HRI y estudiadas, en un espectro que iba desde métodos moleculares indi-rectos en laboratorio hasta métodos directos y en tiempo real de imá-genes y detección de sustancias volátiles. En base a estudios prelimi-nares 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 (fi-gura 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 ins-trumentos 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 con-diciones 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.


68

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 enfermeda-des a la indrustria de cultivo de rosas basado en biosensores se nece-sita desarrollar los sistemas disponibles en varios puntos; por nombrar algunos de ellos: integración del instrumento con un software inteli-gente 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 de-sarrollos 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.

Nieves García

69

Figura 17. FAIMS Lonestar con procesado de datos no simultáneo. Aunque la preci-sión 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.


70

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

Nieves García

71

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


72

Referencias y literatura

DeLucia, E.H., Nelson, K., Vogelmann, T.C. and Smith, W.K., 1996. Contribution of intercellular reflectance to photosynthesis in shade leaves. Plan, Cell and Environment 19: 159-170.

Dieleman, A., Meinen, E., Warmenhoven, M., Steenhuizen, J., Uenk, D., Chizhmak, S., Visser, P. de. 2007. Efficiëntie van groei-licht gedurende het etmaal. Nota 490, Wageningen UR Glastuinbouw.

Driever, S., Bontsema, J., Stanghellini, C., Ilescu, D., Zhang, F., and Ghaffari, R. 2011. EUPHOROS, Deliverable 18.

Dueck, T., Janse, J., Eveleens, B., Lagas, P., Kang, Y., Tao, L, Elings, A., Meinen, E., Hemming, S., 2012. Diffuus licht voor to-maat. Rapport WUR Glastuinbouw, (in press).

Ensminger, P.A., 1993. Control of development in plants and fungi by far UV radiation. Pysiol. Plant. 88, 501-508.

Farquhar, G.D. and Roderick, M.L., 2003. Pinatubo, diffuse light and the carbon cycle. Science 299: 1997-1998.

García Victoria, N., Baeza, E.J., Balint, A., 2009. Feed-back from growers and experts about Euphoros tools. A combined report from experts meetings in three testing sites: Almería (Spain), Morahalom (Hungary) and Bleiswijk (The Nether-lands). EUPHOROS Deliverable 4 (WP 6)

Gu, L., Baldocchi, D.D., Wofsy, S.C., Munger, J.W., Michalsky, J.J., Urbanski, S.P. and Boden, T.A., 2003. Response of a De-ciduous Forest to the Mount Pinatubo Eruption: Enhanced Photosythesis. Science 299: 2035-2038.

Hemming, S.; Waaijenberg, D.; Bot, G.; Sonneveld, P.; De Zwart, F.; Dueck, T.; van Dijk, C.; Dieleman, A.; Marissen, N.; van Rijssel, E.; et al. 2004. Optimaal gebruik van natuurlijk licht in de tuinbouw. Wageningen UR rapport

Hemming, S., Dueck, T., Marissen, N., Jongschaap, R., Kempkes, F. and van de Braak, N., 2005A. Diffuus licht – Het effect van lichtverstrooiende kasdekmaterialen op kasklimaat, lichtdoordringing en gewasgroei. Wageningen UR report 557.

Nieves García

73

Hemming, S., van de Braak, N., Dueck, T., Elings, A. and Marissen, N., 2005B. Filtering natural light by the greenhouse covering – More production and better plant quality by diffuse light? Acta Hort. 711: 105-110.

Hemming, S., Dueck, T.,Janse, J. en van Noort, F.,2008A. The Effect of Diffuse Light on Crops. Acta Hort. 801: 1293-1300.

Hemming, S., MohammadkhaniV. and Dueck,T.,2008B. Diffuse Gre-enhouse Covering Materials -Material Technology, Measu-rements and Evaluation of Optical Properties. Acta Hort. 797: 469-476.

Hoog, J. de, Warmenhoven, M., van Mourik, N.M., Eveleens-Clark, B. Beelen, C. en Dijkshoorn-Dekker, M.W.C., 2000. Teel-tmethodes Roos: Knipmethode, plantdichtheid en inbui-gen. PBG rapport nr. 208.

Hovi, T., Nakkila, J. andTahvonen, R., 2004. Interlighting improves pro-duction of year-round cucumber. ScientiaHorticulturae 102 (3): 283-294.

De Kreij, C., Voogt, W. van den Bos, A.L. and Baas, R., 1997. Voeding-soplossingen voor de teelt van roos in gesloten teeltsyste-men. Brochure 4, PGB.

Kempkes, F.L.K., Stanghellini,C.,García Victoria, N., BruinsM., 2011. Effect of diffuse glass on climate and plant environment: first results from an experiment on roses. Acta Hort. In press.

Lakso, A.N. and Musselman, R.C., 1976. Effects of Cloudiness on In-terior Diffuse Light in Apple Trees. J. Amer. Soc. Hort. Sci. 101 (6): 642-644.

Marquenie, D.; Geeraerd, A.H., Lammertyn, J., Soontjens, C., Van Impe, J.F., Michiels, C.W., Nicolai, B.M., 2003. Combina-tions of pulsed white light and UV-C or mild heat treatment to inactivate conidia of Botrytis cinerea and Monilia fructi-gena. International Journal of Food Microbiology 85, 185-196.

Reich, P.B., Ellsworth, D.S. en Walters, M.B., 1998. Lead structure (specific leaf area) modulates photosynthesis-nitrogen relations: evidence from within and across species and


74

functional groups. Funtional Ecology 12, 948-958.Reid, M.S. and Kofranek, A.M., 1981. Recommendations for standar-

dized vase life evaluations. Acta Hort. (ISHS) 113:171-174Ruijs, M.N.A. and Montero J.I., 2011. EUPHOROS third year report

WP1, internal report.Ruijs, M.N.A., Montero J.I., Antón, A., Torrellas, M., 2009. EUPHO-

ROS, Deliverable nr. 5Ruijs, M.N.A., Montero J.I., Antón, A., Torrellas, M., 2011. EUPHO-

ROS, Deliverable nr.13Schapendonk, A.H.C.M., Pot, C.S. and Rappoldt, C., 2009. Plan-

tenpaspoort roos, Sleutel voor optimale productie. Plantdy-namics rapport.

Schapendonk, A.H.C.M., Rappoldt, C., Pot, C.S. and Trouwborst, G., 2011. Diffuus Licht Roos, Tussentijds verslag. Plantdyna-mics report

Schapendonk, A.H.C.M., Rappoldt, C., Pot, C.S. and Trouwborst, G., 2011. Diffuus Licht Roos. Plantdynamics report

Semeniuk. P. and Stewart, R.N., 1981. Effects of Ultraviolet (UV-B) irradiation on infection of roses by Diplocarpon Rosae, Wolf. Environmental & Experimental Botanics, 21, 45-50.

Sheehy, J.E. and Chapas, L.C., 1976. The Measurement and Distribu-tion of Irradiance in Clear and Overcast Conditions in Four Temperature Forage Grass Canopies. J. Appl. Ecol. 13(3): 831-840.

Stanghellini, C., Mohammadkhani, V., Bruins, M.A., Hemming, S., Sonneveld,P., Swinkels, G.J., 2010. Condensatie tegen het kasdek. Licht en energie-effecten van condensatie op acht kasdekmaterialen. Wageningen UR Glastuinbouw, Rapport GTB-1025

Trouwborst, G., Pot, C.S., Schapendonk, A.H.C.M., 2010. Haalbaar-heid van LED-tussenbelichting bij roos: praktijkonderzoek op Marjoland. Plantdynamics report.

Van der Maas, B., van Os, E., Block, Ch., Meijer, R., Enthoven, N., 2010. Zuivering recirculatiewater in de rozenteelt. Rapport GTB-1010. Wageningen UR Greenhouse Horticulture.

Nieves García

75

Van Telgen, H.J., 2003. Naar een planmatige teelt van rozen. PPO intern verslag nr. GT 13 3006

Vermeulen, P., and García Victoria, N., 2009. Verkenning mogelijkhe-den om de energie-efficiëntie in de rozenteelt te verbete-ren. Een modelstudie. Rapport 325, Wageningen UR Glas-tuinbouw.

Vogelmann, T.C., Bornman, J.F. and Yates, D.J., 1996. Physiologia Plantarum 98, 43-56.

77

ENERGIA Y VENTILACION

Esteban BaezaUniversidad de AlmeríaJuan 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 ornamenta-les). 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)

ENERGIA Y VENTILACIÓN

78

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 produc-ciones (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 mu-nicipios en la provincia de Almería y más del 20% de la superficie total provincial (Fernandez Sierra & Perez Parra, 2004). El gobierno neer-landés ha exigido al sector de invernaderos que reduzcan el uso de energía en un 2% anual, mientras que en España la productividad de-berá aumentar, sin aumentar la dependencia de recursos. Hay un am-plio 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 so-lar. 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

79

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 fá-cil 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 tempe-ratura durante el invierno se puede conseguir con distintos métodos. Técnicas pasivas como mejorar la capacidad del suelo para almace-nar calor durante el día (por ejemplo acolchado), y el empleo de distin-tos 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, acuífe-ros subterráneos (Heuvelink et al., 2008; Opdam et al., 2005), el sue-lo (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 almacena-miento estacional produciría un exceso de calor que podría ser utiliza-do 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 ventila-ción 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


80

necesidad de control químico por la disminución del riesgo de contami-nación 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 efi-ciencia. En los veranos mediterráneos, un invernadero cerrado supon-dría 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 tecnológica-mente 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 siste-ma 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 Horti-cem, 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-

81


cesidades de calefacción y ventilación mecánica, y el agua consu-mida 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 mo-delo Hortitrans. El modelo incluye el almacenamiento a corto plazo de energía evacuado por enfriamiento mecánico para el posterior calen-tamiento. 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 carbó-nico. 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 cuer-po 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 enfriamien-to necesario para crear el ambiente deseado. La energía retirada por enfriamiento mecánico puede ser almacenada y utilizada para calefac-ción. 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 intro-ducen en la zona de la hoja de cálculo en donde el módulo está loca-lizado y donde se muestran los resultados. El modelo principal está en el archivo Excel HortiAlmeria.xls y las aplicaciones en el archivo


82

Applications.xls.

Wind energy & heat store

Photovoltaic electricity

CO2 enrichment

Environment Model

Weather data

Greenhouse parameters

Control set point values

Crop data

Mechanical cooling

Evaporative cooling

Heating

Ventilation

Heat storage

Fig. 1. Estructura del modelo de invernadero

1.3 Invernadero semicerrado: comentarios sobre el diseño y esti-maciones 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 ca-nal, ángulo de cubierta 30º.Cultivo de tomate con LAI=3, se asume en estado estacionario.Intervalo del modelo 1 horaTransferencia 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.

83


Concentración de CO2 en el invernadero 1000 vpm durante el día, ex-cepto 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, to-mates 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 tem-peratura 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 propor-cionan del 83 al 87% de la energía necesaria para calentar un cultivo de tomate de ciclo largo en la campaña 2004/05.

0

50

100

150

200

250

300

0 1 2 3 4 5 6 7Energy store capacity, MJ/m2

Res

idua

l hea

t dem

and,

MJ/

m2

Fig 5. Influencia de la capacidad de almacenamiento de energía sobre la demanda de calor de un invernadero experimental.


84

El invernadero cubre una superficie de 960 m2, por lo que la ca-pacidad del depósito de energía será de 3,5 x 960 = 3360 MJ. Utilizan-do 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:

Altura 2 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 estan-do 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 necesi-dades 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 calefac-ción. La energía se transfiere del frío al caliente con una bomba de ca-lor que trabaja siempre que el depósito frío no esté vacío y el depósito caliente no esté lleno. a) Bomba de calorLa potencia necesaria (Qp) necesaria para el funcionamiento de la

85


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 ab-solutas 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 dis-tintas 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 posi-bles 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.


86

0

50

100

150

200

250

300


Ene

rgy,

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 reutili-zación en (ii) e (iii). Es probable que ambos costes sean similares para ambas opciones.

87


0

1

2

3

4

5

6

7

0 5 10 15 20Heat pump power, W/m2

Cos

t, Eu

ro/m

2

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 mencio-nado 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 fotosín-tesis 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%.


88

13.2

13.4

13.6

13.8

14.0

14.2

14.4

14.6


Net

CO

2 as

sim

ilate

d, k

g/m

2

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 diagra-ma pretende únicamente mostrar los cambios asociados al enriqueci-miento 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 recu-peración de calor, el mayor beneficio se obtiene en el invernadero con un 65% de transmisividad, consecuencia de las mayores necesida-des de enfriamiento del invernadero con mayor transmisividad de luz. Dado que el calor recuperado es fijado por la demanda de calefacción

89


del invernadero, el tiempo de enriquecimiento se reduce en el inverna-dero con mayor transmisividad de luz.

-100

-80

-60

-40

-20

0

20

40

60

80

0 10000 20000 30000 40000

Total leakage, m3/m2

Pro

fit, c

ts/m

2

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 asocia-do 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 inter-cambiadores 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 funcio-namiento, la velocidad de los ventiladores y el caudal de agua desde los depósitos de energía se varían para ajustar el resultado a las ne-cesidades de enfriamiento y calefacción.


90

0

2

4

6

8

10

12

0 2 4 6 8 10 12Energy store, MJ/m2

Net

hea

t req

uire

d, k

Wh/

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 nú-mero 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 man-tener la temperatura del depósito frío. El calor transferido al depósito caliente debe ser transferido al exterior durante la noche.

91


0.00

0.05

0.10

0.15

0.20

0.25

0.30

0 50 100 150 200 250 300 350 400Day number

Ene

rgy

stor

e ca

paci

ty, m

3/m

2

Cold store Hot store

Fig. 11. Dimensión de los depósitos de agua caliente y fría necesarios para el enfria-miento de los invernaderos.

La Figura 11 muestra como la capacidad del depósito depende de la integral diaria de la radiación solar incidente. El depósito calien-te 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 depó-sitos 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 Experi-mental Las Palmerillas

Los resultados presentados en esta sección se refieren a un invernadero con una superficie de 1000 m2.


92

1.6.1 Almacenamiento de energía

Los valores diarios de la energía recuperada al enfriar el inver-nadero, 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 refrige-rador 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 funcio-namiento en pleno verano se muestran en la tabla 5.

0

2

4

6

8

10

12

0 100 200 300 400Day number

Ener

gy, M

Wh

Dissipation Cooling Heat pump

No shade

0

2

4

6

8

10

12

0 100 200 300 400Day number

Ene

rgy,

MW

h


30% shade

(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.

93


0

200

400

600

800

1000

1200

1400

0 100 200 300 400Day number

Ene

rgy

trans

fer r

ate,

kW


30% shade

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

0 100 200 300 400Day number

Ene

rgy

trans

fer r

ate,

kW


No shade

(a) (b)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 30% sombreo

MWh m3 MWh m3

Depósito frío 5.2 300 4.6 265Depósito caliente 6.4 365 5.2 300

Las tasas de transferencia de calor del enfriamiento y la disipa-ción 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.


94

1.6.2 Bomba de calor

Durante el verano la bomba de calor debe transferir del depó-sito frío al caliente toda la energía captada en la refrigeración del in-vernadero y de esta manera la capacidad de la bomba de calor queda determinada por la radiación solar diaria total captada por el inverna-dero. Cuando la bomba de calor trabaja de modo continuo su capaci-dad 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

Sin sombra 30% sombraEnergía maxima a asignar, MWh/day 8.0 5.5Tasa de transferencia de la bomba de calor, kW 110 75

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 am-biente 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

95


de esta agua. La torre funciona normalmente en modo seco y cambia al modo húmedo cuando el rendimiento se vuelve bajo; de esta mane-ra se hace un uso eficiente del agua. El enfriamiento adicional que se obtiene en modo húmedo está relacionado con la temperatura de bul-bo 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.

.

0

5

10

15

20

25

30

0 50 100 150 200 250 300 350 400Day number

Tem

pera

ture

, C

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 invernade-ro 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 deter-minar 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.


96

0

200

400

600

800

1000

0 100 200 300 400Day number

Coo

ling

rate

, kW

no shade 30% shade

0

2

4

6

8

10

0 100 200 300 400Day number

Hea

t loa

d pe

r nig

ht, M

Wh

no shade 30% shade

Fig. 15. Energía a disipar de noche para un invernadero de 1000 m2 con y sin pan-talla de sombreo del 30% (datos meteo

2005)

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 experi-mental 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 intercambiado-res 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 su-giere 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

97


práctica. Enfriamiento y calentamiento de un invernadero de 1000 m2 en invierno. El uso de un sólo depósito de energía que proporcione refrige-ración 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 reuti-lización 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 m3 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 (300 m3 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.


98

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 ex-perto de apoyo a la toma de decisiones que permita minimizar la ne-cesidad 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 reque-rida 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 ma-yoría 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 vien-to. 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 ventila-ción se obtiene al sombrear?

• ¿Durante qué meses se consiguen temperaturas aceptables? Se emplea un modelo de balance de energía con datos climá-ticos locales para determinar el caudal de ventilación necesario para mantener un invernadero a las temperaturas de ventilación elegidas.

99


Para ello se utilizan modelos de ventilación que relacionan el caudal de aire a través de las ventanas del invernadero con las tempe-raturas 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 du-rante el verano con el fin de reducir las necesidades de enfriamiento y por tanto mejorar la efectividad de la ventilación. Se presenta infor-mación 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 ener-gía 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 inver-nadero, Qsuelo es la energía transferida a/desde el suelo y Qventila-ción 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.


100

Qsuelo se obtiene a partir de los datos recogidos en un inver-nadero 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 Ca-jamar 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 máxi-mo 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 temperatu-ra y del caudal de ventilación necesario para mantener el invernadero a las temperaturas de ventilación seleccionadas. Los caudales de ven-

101


tilación se expresan por m2 de superficie de invernadero. 2.1.3 Modelos de ventilación

Se han desarrollado numerosos modelos que predicen el cau-dal de aire a través de distintos diseños de ventana, posiciones y ti-pos 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 venta-nas abatibles en cubiertas y bandas, cubiertas curvas y a dos aguas, y el uso de la diferencia de temperaturas en combinación con la velo-cidad del viento o simplemente la velocidad del viento.

El modelo de Boulard y Baille (1995) se desarrolló para un in-vernadero de 416 m2, de dos naves, con cubierta plástica y ventanas corridas a un lado de cada túnel. Utiliza tanto la diferencia de tempera-turas como la velocidad del viento para predecir los caudales de venti-lación. 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 venta-nas 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 indivi-duales 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 veloci-dad del viento para estimar el caudal de aire.


102

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 utili-zaron 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 / mg

2 s) calculada por el mo-delo de balance de energía entre la tasa de ventilación calculada por los modelos de ventilación para la misma temperatura y velocidades de viento (m3 / mv

2 s), se obtiene la superficie de ventanas necesarias para proporcionar el caudal de ventilación (mv

2 / mg2) necesario.

Se tomó un valor de la transmisividad de la cubierta a la radia-ción 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 trans-misividad de la cubierta era del 28%, lo que supuso una transmisividad del invernadero del 25%.

0.00

0.10

0.20

0.30

0.40

0.50

0.60

0.70

0.80

0.90

1.00

1000 1050 1100 1150 1200 1250 1300 1350 1400 1450 1500

Hours

Ven

tilat

or a

rea

/ Gre

enho

use

area

Kittas et al (1997)Boulard & Baille (1995)Bailey et al (2004)Average

Fig.17. Superficie de ventanas necesaria para conseguir 26ºC en un invernadero en Sur de España en 2007

103


La Figura 17 muestra como el número total de horas al año en que la temperatura del invernadero supera a la temperatura de ven-tilación (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 ta-blas 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 temperatu-ra de ventilación, localización, configuración del sombreo y rango en-tre 0 y 1 de la relación superficie de ventanas/superficie de invernade-ro. 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 ex-cede la temperatura de ventilación para cada relación de superficie de ventanas.


104

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 AñoHoras con temperatura de invernadero superior a temperatura de ventilación

0 0 0 0 52 138 324 373 140 9 0 0 1036area 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 36220,005 154 172 235 247 341 363 397 371 292 238 188 140 31380,010 96 146 197 201 306 348 391 357 274 210 149 99 27740,025 17 89 99 126 267 313 362 342 240 162 74 25 21160,050 0 45 33 64 222 301 349 334 226 133 14 2 17230,075 0 18 9 37 196 280 341 327 210 103 4 0 15250,100 0 5 4 21 175 268 337 323 199 76 0 0 14080,120 0 2 3 14 164 256 337 320 189 68 0 0 13530,140 0 0 2 4 148 247 335 312 187 61 0 0 12960,160 0 0 0 2 139 243 332 310 183 55 0 0 12640,180 0 0 0 2 135 239 331 307 180 54 0 0 12480,200 0 0 0 0 131 235 328 301 178 51 0 0 12240,225 0 0 0 0 129 230 327 295 169 45 0 0 11950,250 0 0 0 0 128 227 325 290 164 42 0 0 11760,275 0 0 0 0 128 220 323 284 159 41 0 0 11550,300 0 0 0 0 124 216 321 277 156 39 0 0 11330,333 0 0 0 0 123 215 316 275 153 38 0 0 11200,367 0 0 0 0 120 214 308 269 150 38 0 0 10990,400 0 0 0 0 118 214 305 264 148 38 0 0 10870,450 0 0 0 0 117 212 301 258 146 38 0 0 10720,500 0 0 0 0 115 211 298 253 145 36 0 0 10580,550 0 0 0 0 115 211 293 247 144 36 0 0 10460,600 0 0 0 0 115 209 290 241 142 36 0 0 10330,700 0 0 0 0 114 207 284 237 141 36 0 0 10190,800 0 0 0 0 114 207 281 234 141 36 0 0 10130,900 0 0 0 0 113 207 280 232 141 36 0 0 10091,000 0 0 0 0 113 207 277 232 141 36 0 0 1006

Existen tablas similares para un rango de temperaturas de ven-Existen tablas similares para un rango de temperaturas de ven-tilación 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 Apén-dice al final de este capítulo. Estas tablas proporcionan información que apoyan la toma de decisiones sobre:

105


¿Qué superficie de ventanas es necesaria en un invernadero nuevo?¿Qué temperaturas se pueden alcanzar en un invernadero ya cons-

truido 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 determina-ción del área total que puede ser abierta para proporcionar ventila-ción, 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

0.01

0.02

0.03

0.04

0 1 2 3 4 5 6 7 8Area roof vent / Area side vent

Vent

ilatio

n ra

te m

3 /m2

s

Fig. 18. Efecto de la superficie de ventanas cenitales y laterales sobre la tasa de ventilación. La superficie total es constante.


106

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 cenita-les/laterales influencia el rendimiento de ventilación. Cuando está rela-ción es superior a 10 no hay un beneficio asociado a colocar ventanas en las bandas.

0.0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1.0

1000 1050 1100 1150 1200 1250 1300 1350 1400 1450 1500

Hours

Tota

l ven

tilato

r are

a / G

reen

hous

e ar

ea

Ar / As = 1Ar / As = 5Ar / As = 20

Fig. 19. Superficies de ventilación necesarias para llegar a 26ºC en un inverna-dero 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 domi-nantes el aire entrante puede tener un efecto de control sobre el cau-dal 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

107


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 embar-go los invernaderos de cubierta curvada tienen con frecuencia venta-nas continuas que dan a la misma dirección cuando están abiertas. Dependiendo de la dirección del viento, estas proporcionaran ventila-ción a sotavento o a barlovento.

0.00

0.10

0.20

0.30

0.40

0.50

0.60

0.70

0.80

0.90

1.00

750 1250 1750 2250 2750 3250 3750

Hours

Ven

tilat

or a

rea

/ Gre

enho

use

area

Parral l'wd Mtunnel l'wdVenlo 1 l'wd Venlo 2 l'wdParral w'wd Mtunnel w'wdVenlo 1 w'wd Venlo 2 w'wdAverage l'wd + w'wd

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


108

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 combina-ción 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 sota-vento 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.

109


Tabla Localización invernadero

Temperatura ventilación

Sombreo / no sombreo

8 Sur España 22 oC No sombreo9 “ 24 oC “

10 “ 26 oC “11 “ 22 oC 75% Sombreo12 “ 24 oC “13 “ 26 oC “14 Países Bajos 20 oC No sombreo15 “ 22 oC “16 “ 24 oC “17 “ 26 oC “


110

Tabla 8Temperature ventilación 22 C

Almeria 2007 meteo

No sombreo

Ene Feb Mar Abr May Jun Jul Ago Sep Oct Nov Dic AñoHoras temperatura en invernadero superior a temperatura ventilación

0 3 5 19 214 372 584 663 420 151 3 2 2436Area vent /area inv Horas temperatura en invernadero superior a temperatura ventilación

0,000 244 227 322 328 396 394 425 420 346 306 248 230 38860,005 183 193 266 281 369 387 407 400 321 278 213 180 34780,010 149 176 240 256 354 383 406 390 310 263 197 146 32700,025 85 146 195 203 323 367 399 372 297 237 157 93 28740,050 30 110 127 158 302 351 388 366 284 220 111 39 24860,075 6 82 82 126 290 344 386 364 278 201 79 20 22580,100 1 71 59 104 286 341 383 363 277 192 65 11 21530,120 0 60 49 96 281 339 380 362 268 189 49 7 20800,140 0 54 39 91 276 337 380 360 263 188 43 5 20360,160 0 47 31 91 273 334 378 359 260 185 37 5 20000,180 0 42 25 89 265 331 376 358 259 185 34 5 19690,200 0 38 24 84 263 326 373 357 258 183 34 4 19440,225 0 32 20 79 259 324 372 352 258 181 30 4 19110,250 0 31 20 76 259 322 370 347 253 175 29 4 18860,275 0 29 20 75 256 318 368 344 251 173 29 4 18670,300 0 29 19 73 255 316 367 339 251 171 29 4 18530,333 0 27 19 71 255 313 365 334 245 168 29 4 18300,367 0 27 18 71 253 309 362 329 238 167 29 4 18070,400 0 27 18 70 250 305 361 321 233 163 29 3 17800,450 0 27 18 70 249 304 356 317 230 160 29 3 17630,500 0 27 18 70 249 303 352 312 226 160 29 3 17490,550 0 27 18 70 248 300 347 309 222 159 29 3 17320,600 0 27 18 70 248 296 342 304 220 158 29 3 17150,700 0 27 18 70 247 290 333 294 218 157 29 3 16860,800 0 27 18 70 247 290 328 287 215 157 29 3 16710,900 0 27 18 70 247 288 326 285 214 156 29 3 16631,000 0 27 18 70 242 286 317 280 212 156 29 3 1640

NOTA: los lectores estarán interesados en conocer la información contenida en el párrafo 2.3: Identificación de periodos con ventilación nula en inverna-dero, Deliverable 14 del Proyecto Euphoros http://www.euphoros.wur.nl/UK/Deliverables/

111


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 provo-car 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 in-vernaderos 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.


112

2.2.2 Modelo de ventilación

El flujo de aire se crea por la diferencia entre las temperatu-ras 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, propor-ciona 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.

Φ=S2C C ud w

1 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 valo-res 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 dis-ponen de mallas antiinsecto que protegen a los cultivos del ataque de plagas. Estas mallas crean una depresión que conduce a una reduc-ción 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 ma-lla, ф es el de un invernadero sin malla y e es la porosidad de la malla.

113


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 inver-naderos 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)

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 cenita-les, número de ventanas laterales, dimensiones de venta-nas 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.

A B


114

En primer lugar se calcula la ventilación de un invernadero no obstruido. Después se considera la ventilación del invernadero obs-truido 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 paráme-tros de ventilación puede encontrar la combinación óptima de venta-nas 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 de-bajo 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 pá-gina web del proyecto Euphoros.

http://www.euphoros.wur.nl/UK/Deliverables/

Por favor, busque Deliverable 14, DSS for Optimum Ventilation, ther-mal storage and available sustainable energy sources.

Actualmente la hoja está disponible en inglés e italiano y se espera que esté próximamente disponible en español.

115


117

ENRIQUECIMIENTO Y MANEJO DE CO2 EN INVERNADERO

Cecilia StanghelliniWageningen UR Greenhouse Horticulture

ResumenEn 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 impli-ca 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 mien-tras 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


118

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 radia-ciones relativamente altas-el mantener concentraciones más altas que las atmosféricas tiene sentido económico, siempre con tasas de venti-lación 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 concen-tración óptima depende de muchos factores: el aumento esperado del rendimiento por el aporte de dióxido de carbono bajo ciertas condicio-nes meteorológicas; la tasa real de ventilación; el valor de la produc-ción y el coste del dióxido de carbono. Se combinó el cálculo del “va-lor” 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 inte-rior de un invernadero

El proceso fotosintético está en la base del crecimiento y pro-ducción 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 car-bohidratos (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 secun-dario 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

119

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 inverna-deros del Westland neerlandés, Nederhoff (1994) determinó un mode-lo dependiente de 5 parámetros que describe la asimilación neta de un cultivo plenamente desarrollado de tomate en función de la concentra-ción de CO2 y la luz. Para este trabajo hemos seleccionado un modelo más simple que reproduce la tendencia y nivel del modelo original:

mg m–2 s–1 (1)

en donde CO2 expresa la concentración ambiental de dióxido de car-bono en vpm y Isun es la densidad de flujo fotónico de Radiación Fo-tosintéticamente 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 ga-ses) 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 ra-diación 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.

( )[ ]I

CO

Anet 0015.0exp12301

12.2

2

−−+

=


120

100

400

700

1000

0300

600900

00.20.40.60.8

11.21.41.61.8

2(mg m-2 s-1)

CO2 (vpm)sun radiation (W/m2)

assimilation

1.4-1.61.2-1.41-1.20.8-10.6-0.80.4-0.60.2-0.40-0.2

100

400

700

1000

0300

600900

00.20.40.60.8

11.21.41.61.8

2(mg m-2 s-1)

CO2 (vpm)sun radiation (W/m2)

assimilation

1.4-1.61.2-1.41-1.20.8-10.6-0.80.4-0.60.2-0.40-0.2

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 ex-terior a través de las ventanas. La ecuación de conservación de masa se expresa como sigue:

mg m–2 s–1 (2)

en donde gV es el volumen de intercambio de la ventilación por uni-dad 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

( )inCO

outCOVnet CCgA

22−=

121


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):

VnetoutCO

inCO gACC −=

22 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 anteriormen-te 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:

nA

hCOCO netoutin 1800

22 −= 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 determi-nado (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 concen-tración y de los costes de CO2, tanto en forma de gases de combustión


122

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 don-de la fertilización carbónica no sea habitual y tratar cuales son las op-ciones 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 Palmeri-llas (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 exis-tían aperturas en banda, sólo una cenital en cada túnel (Figura 2, de-recha). 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 tempe-ratura, 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

123


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

Temperatura externa ºC 19.4 18.2 15.3 13.0

Radiación total MJ m–2 255.80 250.96

Velocidad de viento m s–1 1.6 2.0 0.8 0.9

Temperatura interior ºC 22.0 18.8 14.9 13.6

CO2 interior vpm 320.6 372.9 384.6 431.5

Asimilación estimada g m–2 month–1 471.1 499.6

Asimilación potencial g m–2 month–1 513.3 508.7

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).


124

Dado que la media de los valores medidos de concentración de CO2 en el invernadero vacío de Italia fue de 378 vpm, hemos toma-do 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 vege-tativo.

El valor de 1 kg de CO2 asimilado se puede calcular como si-gue (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 €.

125


0

100

200

300

400

500

19-11-06 0:00 19-11-06 6:00 19-11-06 12:00 19-11-06 18:00 20-11-06 0:00

7

12

17

22

27

19-11-06 0:00 19-11-06 6:00 19-11-06 12:00 19-11-06 18:00 20-11-06 0:00

W m-2 vpm

oC

7

12

17

22

27

19-11-06 0:00 19-11-06 6:00 19-11-06 12:00 19-11-06 18:00 20-11-06 0:00

Ragusa, out

Ragusa, in

Almeria, in

Almeria, out

Ragusa: radiation CO2

Almeria: CO2

radiation

Figura 4. Radiación medida y concentración de CO2 (arri-ba); temperaturas en interior y exterior (abajo) en ambas localidades el 19 de noviem-bre 2006.

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.

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 ma-yor 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.


126

Almeria Ragusa Tabla 2. Valores medios di-urnos de la concentración de dióxido de carbono; radiación solar total diaria y diferencia de temperatura entre interior y exterior, en ambos invernaderos, noviembre 2006.

CO2 (vpm) 321 373

Isun (MJ/m2·d) 8.5 8.4

ΔT (in – out) 2.6 0.6

¿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 simili-tud 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.

0.25

0.5

0.75

1

1.25

1.5

7.5 10 12.5 15 17.5 20 22.5 25 27.5

mean temperature (oC)

truss

es p

er w

eek

0.25 0.

50.75 1

1.25 1.

57.5

10

12.51517.520

22.52527.5

mean temperature ( oC)

trusses per week

Almeria

Ragusa

0.25

0.5

0.75

1

1.25

1.5

7.5 10 12.5 15 17.5 20 22.5 25 27.5


truss

es p

er w

eek

0.25 0.

50.75 1

1.25 1.

57.5

10

12.51517.520

22.52527.5


trusses per week

0.25

0.5

0.75

1

1.25

1.5

7.5 10 12.5 15 17.5 20 22.5 25 27.5


truss

es p

er w

eek

0.25 0.

50.75 1

1.25 1.

57.5

10

12.51517.520

22.52527.5


trusses per week

Almeria

Ragusa

Figura 4. Efecto de la tem-peratura media del invernadero sobre el número de ramilletes formados semanalmente en to-mate, determinado experimen-talmente 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 ex-trapolación realizada para este trabajo

127


Efectivamente, es conocido que la fotosíntesis en tomate se ve sólo ligeramente afectada por temperaturas en el rango de 17 y 24ºC (Heu-velink and Dorais, 2005), aunque el resto de procesos relacionados con el crecimiento sí lo están. Para empezar, la redistribución de asi-milados se reduce con temperaturas bajas. La acumulación en hojas resultante limita su expansión, tanto en nuevas variedades comer-ciales 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 creci-miento 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 produc-tores 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 espe-culación, 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 tempe-ratura 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 temperatu-ras 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 mane-jo para sus condiciones, a menos de que consideremos la opción de compensar el agotamiento mediante fertilización carbónica, especial-mente 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


128

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 in-vernadero 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 que-mando 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 ven-tajosa 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.

0.5 1 2 3 4 5 7 10 20S1

S3

S5

S7

S9

120-15090-12060-9030-600-30-30-0

0.5 1 2 3 4 5 7 10 20S1

S3

S5

S7

S9

120-15090-12060-9030-600-30-30-0

0.5 1 2 3 4 5 7 10 20S1

S3

S5

S7

S9

120-15090-12060-9030-600-30-30-0

0.5 1 2 3 4 5 7 10 20 0.5 1 2 3 4 5 7 10 20 0.5 1 2 3 4 5 7 10 20

ventilation rate (n/h)

sun

radi

atio

n on

cro

p (W

/m2 )

800

400

00.5 1 2 3 4 5 7 10 20

S1

S3

S5

S7

S9

120-15090-12060-9030-600-30-30-0

0.5 1 2 3 4 5 7 10 20S1

S3

S5

S7

S9

120-15090-12060-9030-600-30-30-0

0.5 1 2 3 4 5 7 10 20S1

S3

S5

S7

S9

120-15090-12060-9030-600-30-30-0

0.5 1 2 3 4 5 7 10 20 0.5 1 2 3 4 5 7 10 20 0.5 1 2 3 4 5 7 10 20


sun

radi

atio

n on

cro

p (W

/m2 )

800

400

0

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

129


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 ex-terior resultaría obviamente en una menor eficiencia de la fertilización carbónica ya que parte del CO2 se escaparía a través de las ventila-ciones, aún así seguiría teniendo sentido económico. El aporte (S) de CO2 debería equilibrar la asimilación neta (A) y las pérdidas por ventilación (V).

( ) ( ) ( ) MAXCOCOgPCOIfPPSPAPoutinVCOinsunCOmdCOmd ⇒−−−=− ,2,2,2.... 222

,5.05.0 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 car-bono con una capacidad fija, para una serie de combinaciones de ra-diación 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.


130

Manejo económico de la fertilización con dióxido de carbono

La gestión económica debe tener en cuenta costes y benefi-cios, 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 carbo-no que asegure que el valor de A menos el coste de sea máximo en todo momento:

( ) ( ) ( ) MAXCOCOgPCOIfPPSPAPoutinVCOinsunCOmdCOmd ⇒−−−=− ,2,2,2.... 222

,5.05.0 € m−2 (7)

En donde obviamente A y S están expresados en mg m−2 s−1, los pre-cios 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 izquier-da 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:

131


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 pre-cio 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.

( )[ ]22..5.0y0015.0exp12.2 COCOmdsunI PRPPIF =−−−=

La derivada se puede calcular como:

( ) 04601,2,2

,2

,22

=

⎥⎥⎥⎥

⎦

⎤

⎢⎢⎢⎢

⎣

⎡

−−+∂

∂outinV

in

ICO

inCOCOg

CO

FRPCO


132

( ) 4605.210460

460,,22

,2

−=⇒=−+ V

IOPTinV

inI g

FRCOgCO

FR mg m–3 (8)

Se debe dividir entre 2 para transformar a vpm. La Ec.(8) mues-tra 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 con-centración 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 ausen-cia 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:

( )⇒−++

=+=outOPTinV

OPTin

OPTinIOPTinCOOPTinCOOPT COCOgCOCO

FVAS ,2,,2,,2

,,2,,., 46022

( ) ( ) ⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛−++−=

−21

21

21

,2 5.21460 RRgFCOgFS vIoutvIOPT mg m−2 s−1 (9)

con la concentración exterior de CO2 en mg m–3, gv in m s−1 y los pre-cios en € mg–1. Para obtener kgCO2 ha–1 h–1 será necesario multiplicar

133


por 36. La Ec(9) muestra que la tasa óptima de aporte de CO2 sólo de-pende 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.

0.5 1 2 3 4 5 7 10 20S1

S4

S7

1400-16001200-14001000-1200800-1000600-800400-600

>

0.5 1 2 3 4 5 7 10 20S1

S4

S7

1400-16001200-14001000-1200800-1000600-800400-600

0.5 1 2 3 4 5 7 10 20S1

S4

S7

1400-16001200-14001000-1200800-1000600-800400-600

0.5 1 2 3 4 5 7 10 20S1

S4

S7

1400-16001200-14001000-1200800-1000600-800400-600

0.5 1 2 3 4 5 7 10 20S1

S4

S7

1400-16001200-14001000-1200800-1000600-800400-600

0.5 1 2 3 4 5 7 10 20S1

S4

S7

1400-16001200-14001000-1200800-1000600-800400-600

0.5 1 2 3 4 5 7 10 20 0.5 1 2 3 4 5 7 10 20


800

400

0800

400

0

sun

radi

atio

n on

cro

p (W

/m2 )

0.5 1 2 3 4 5 7 10 20S1

S4

S7

1400-16001200-14001000-1200800-1000600-800400-600

>

0.5 1 2 3 4 5 7 10 20S1

S4

S7

1400-16001200-14001000-1200800-1000600-800400-600

0.5 1 2 3 4 5 7 10 20S1

S4

S7

1400-16001200-14001000-1200800-1000600-800400-600

>

0.5 1 2 3 4 5 7 10 20S1

S4

S7

1400-16001200-14001000-1200800-1000600-800400-600

0.5 1 2 3 4 5 7 10 20S1

S4

S7

1400-16001200-14001000-1200800-1000600-800400-600

0.5 1 2 3 4 5 7 10 20S1

S4

S7

1400-16001200-14001000-1200800-1000600-800400-600

0.5 1 2 3 4 5 7 10 20S1

S4

S7

1400-16001200-14001000-1200800-1000600-800400-600

0.5 1 2 3 4 5 7 10 20S1

S4

S7

1400-16001200-14001000-1200800-1000600-800400-600

0.5 1 2 3 4 5 7 10 20 0.5 1 2 3 4 5 7 10 20


800

400

0800

400

0

sun

radi

atio

n on

cro

p (W

/m2 )

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 embotel-lado 0.20 €/kg y tomate 1.20 €/kg.


134

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 asimi-lado 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 de-muestra que en la medida que el valor esperado aumente, vale la pena aportar cantidades significativas de CO2 incluso a tasas de ventilación

135


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 ventila-ción, 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 (alma-cenamiento 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, aun-que esto incrementaría el coste de la instalación en comparación con sistemas simples con flujo constante.


136

0.5 1 2 3 4 5 7 10 20S1

S4

S7

140-160120-140100-12080-10060-8040-6020-400-20

0.5 1 2 3 4 5 7 10 20S1

S4

S7

280-320240-280200-240160-200120-16080-12040-800-40

0.5 1 2 3 4 5 7 10 20S1

S4

S7

3-42-31-20-1

0.5 1 2 3 4 5 7 10 20S1

S4

S7

6-75-64-53-42-31-20-1

0.5 1 2 3 4 5 7 10 20S1

S4

S7

420-480360-420300-360240-300180-240120-18060-1200-60

0.5 1 2 3 4 5 7 10 20S1

S4

S7

8-97-86-75-64-53-42-31-20-1

0.5 1 2 3 4 5 7 10 20 0.5 1 2 3 4 5 7 10 20


800

400

0800

400

0800

400

0

sun

radi

atio

n on

cro

p (W

/m2 )0.5 1 2 3 4 5 7 10 20

S1

S4

S7

3-42-31-20-1

0.5 1 2 3 4 5 7 10 20S1

S4

S7

6-75-64-53-42-31-20-1

0.5 1 2 3 4 5 7 10 20S1

S4

S7

8-97-86-75-64-53-42-31-20-1

0.5 1 2 3 4 5 7 10 20S1

S4

S7

140-160120-140100-12080-10060-8040-6020-400-20

0.5 1 2 3 4 5 7 10 20S1

S4

S7

280-320240-280200-240160-200120-16080-12040-800-40

0.5 1 2 3 4 5 7 10 20S1

S4

S7

420-480360-420300-360240-300180-240120-18060-1200-60

0.5 1 2 3 4 5 7 10 20S1

S4

S7

140-160120-140100-12080-10060-8040-6020-400-20

0.5 1 2 3 4 5 7 10 20S1

S4

S7

280-320240-280200-240160-200120-16080-12040-800-40

0.5 1 2 3 4 5 7 10 20S1

S4

S7

3-42-31-20-1

0.5 1 2 3 4 5 7 10 20S1

S4

S7

6-75-64-53-42-31-20-1

0.5 1 2 3 4 5 7 10 20S1

S4

S7

420-480360-420300-360240-300180-240120-18060-1200-60

0.5 1 2 3 4 5 7 10 20S1

S4

S7

8-97-86-75-64-53-42-31-20-1

0.5 1 2 3 4 5 7 10 20 0.5 1 2 3 4 5 7 10 20


800

400

0800

400

0800

400

0

sun

radi

atio

n on

cro

p (W

/m2 )0.5 1 2 3 4 5 7 10 20

S1

S4

S7

3-42-31-20-1

0.5 1 2 3 4 5 7 10 20S1

S4

S7

6-75-64-53-42-31-20-1

0.5 1 2 3 4 5 7 10 20S1

S4

S7

8-97-86-75-64-53-42-31-20-1

0.5 1 2 3 4 5 7 10 20S1

S4

S7

140-160120-140100-12080-10060-8040-6020-400-20

0.5 1 2 3 4 5 7 10 20S1

S4

S7

280-320240-280200-240160-200120-16080-12040-800-40

0.5 1 2 3 4 5 7 10 20S1

S4

S7

420-480360-420300-360240-300180-240120-18060-1200-60

Fig. 9. Tasa optima de inyección de carbono (mg m−2 s−1, izquierda) y beneficio espe-rado (€ 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.

137


Se puede determinar la tasa de ventilación?

La manera más eficaz de gestionar el aporte de CO2 sería te-niendo en cuenta la tasa de ventilación. Desafortunadamente esto se conoce en pocas ocasiones y es la fracción de apertura la que se uti-liza 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 implementa-da en controladores de clima es determinar la tasa de ventilación con la medición de variables climáticas en el interior y exterior del inverna-dero (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 úni-camente, 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:

( ) ( ) ( ) ( ) ( ) 0=−−−−−−−+−+ CELTTcgTTAAcTTcTTcI outinpvoutinsoil

covercoverinsoilsoilinpipepiperad ρτ

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, respec-tivamente (W m−2 K−1); T es la temperatura de las tuberías de calefac-ción, 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 evapora-ción (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:

( ) 0=−−− outinvgCE χχ g m−2 s−1 (11)


138

con χ indicando la concentración de vapor (g m−3). Las dos ecuaciones se pueden combinar en forma matricial:

( )( )

( ) ( ) ( )

in ⎥⎥⎥

⎦

⎤

⎢⎢⎢

⎣

⎡ −−−+−+=⎥

⎦

⎤⎢⎣

⎡ −×⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡

−−

−

01

outinsoil

covercoverinsoilsoilinpipepiperad

vout

outinp TTAAcTTcTTcI

gCETTcL τ

χχ

ρ

(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.

139


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 compartimen-tos 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 reposi-ción 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 experi-mental de la Fundación Cajamar, Almería. La Figura 10 muestra los resultados para un día soleado de primavera en dos compartimen-tos: 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 €/


140

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 previa-mente 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 tempera-turas 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 ópti-ma, 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 relati-vamente caras dada la escasez de demanda, como en Italia. Obser-varon 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.

ConclusiónSiempre 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 ex-plotaciones mayores a 1 Ha. El sistema debería tener una capacidad de inyección máxima no inferior a los 180 kg/Ha·h típicos de las insta-laciones 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

141


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 on-line 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.


142

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 monitoring van transpiratie en fotosyntheseactiviteit. Wagenin-gen : Wageningen UR Greenhouse Horticulture, Wageningen, Nota 451.

De Koning, A.N.M. 1994. Development and dry matter distribution in glasshouse tomato: a quantitative approach. PhD dissertation Wageningen Agricultural University, Wageningen, 240 pp.

Dieleman, J.A., E. Meinen and L.F.M. Marcelis H.F. de Zwart and E.J. van Henten, 2005. Optimisation of CO2 and Temperature in Terms of Crop Growth and Energy Use, Acta Horticulturae, 691: 149-154.

Fundación Cajamar, 2006. Análisis de la campaña hortofrutícola de Almería: Campaña 2005/2006. Fundación Cajamar, Almeria, 38 pp.

Fundación Cajamar, 2007. Análisis de la campaña hortofrutícola de Almería: Campaña 2006/2007. Fundación Cajamar, Almeria, 40 pp.

Heuvelink, E. 1989. Influence of day and night temperature on the growth of young tomato plants. Scientia Horticulturae, 38: 11-22.

Heuvelink, E. & Dorais, M. 2005. Crop growth and yield. In: Heuvelink E. (Ed.) Tomatoes. CABI publishing, Wallingford, ISBN 085199 3966: 85-144.

Heuvelink, E., Bakker, M., Marcelis, L.F.M. and Raaphorst, M., 2008. Climate and yield in a closed greenhouse. Acta Horticulturae, GreenSys, October 2007, in press.

Incrocci, L., Stanghellini, C., Dimauro, B. and Pardossi, A., 2008. La concimazione carbonica in serra nella realtà italiana: aspetti produttivi ed economici. Il Floricultore, 45(5):35-40

Kläring, H.-P., Hauschild C., Heißner A., Bar-Yosef B., 2007. Model-based control of CO2 concentration in greenhouses at ambient levels increases cucumber yield. Agricultural and Forest Me-

143


teorology 143: 208–216.Nederhoff, E.M. 1994. Effects of CO2 concentration on photosynthe-

sis, transpiration and production of greenhouse fruit vegetable crops. PhD dissertation, Agricultural University, Wageningen, 213 pp.

Stanghellini, C. 2005. La serra, mediatrice fra coltura e clima. In: Stra-tegie per il miglioramento dell’orticoltura protetta in Sicilia, U.O.S. 83, Comiso (RG), Italy: 29-38.

Stanghellini, C. & Heuvelink, E. 2007. Coltura e clima: effetto microcli-matico dell’ambiente serra. Italus Hortus, 14(1): 37 – 49.

Stanghellini, C., L. Incrocci, J.C. Gázquez, B. Dimauro, 2008. Car-bon dioxide concentration in Mediterranean greenhouses: how much lost production? Acta Horticulturae, 801: 1541-1549

Stanghellini, C., F.L.K. Kempkes, L. Incrocci, 2009. Carbon Dioxide Fertilization in Mediterranean Greenhouses: When and How is it Economical? Acta Horticulturae, 807:135-142

Venema, J.H., Posthumus, F. & Van Hasselt P.R. 1999. Impact of su-boptimal temperature on growth, photosynthesis, leaf pigments and carbohydrates of domestic and high-altitude wild Lycoper-sicon species. Journal of Plant Physiology, 155: 711-718.

145

SISTEMAS CERRADOS EN CULTIVOS SIN SUELO

Alberto Pardossi y Luca IncrocciDipartimento 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 pa-pel 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 ce-rrados sin suelo y control biológico de plagas y enfermedades.

En los sistemas cerrados el agua de drenaje se recoge y se

SISTEMAS CERRADOS DE CULTIVO HIDROPÓNICO

146

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 compa-ramos 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 to-das las técnicas desarrolladas para crecer plantas en medios sólidos distintos al suelo (cultivo en sustrato) o en soluciones nutritivas airea-das (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; circula-ción, estancada o aeroponía) y también el destino de la solución nutri-tiva drenada (SN; sistemas de drenaje libre o recirculantes).

La Tabla 1 resume las principales características de las distin-tas 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 corta-da 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

147

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 intermiten-temente 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 inor-gánicos, 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 po-tencial al ambiente dado que pueden contener pesticidas, alterando además el aspecto visual del paisaje, especialmente cuando son ver-tidos 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.


148

Tabla 1. Principales características de distintos sistemas de cultivo sin suelo.

Sustrato y riego por

goteo

Sustrato y subirrig-

aciónNFT Mesas flotantes Aeroponía

Apli-cación comer-cial

Alto Alto Escaso En aumento Raro

Tipo cul-tivo

Hortalizas de frutoFresasFlores

cortadas

Plantas maceta

Hortaliza hoja

Hortaliza hojaFlores bulbo Hortalizas

Sustrato Sí Sí No No No

Solución nutritiva recircu-lante

Sí/no Sí Sí Estática o practi-camente estática Sí

Costes de inver-sión

Modera-do/alto Alto Alto Bajo Muy alto

Costes Corrien-tes

Modera-do/alto

Modera-do/alto Moderado Bajo Razonable/

alto

Capa-cidad tampón

Alto Alto Bajo Alto Muy bajo

Riesgos Moderado Mod-erado Alto Moderado Muy alto

Sistemas abiertos contra sistemas cerradosAmbos 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

149


nutrientes (en realidad la conductividad eléctrica – CE) y eventualmen-te se realiza una desinfección para minimizar el riesgo de enfermeda-des 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 drena-da 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 res-pectivamente de 2123 m3 ha-1 y 340 kg ha-1. Por ello la adopción de sistemas cerrados es esencial en una horticultura protegida sosteni-ble. 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 generali-zado en cultivos de invernadero dada su mayor simplicidad.


150

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 tulipa-nes (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 supo-ne 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 nor-

151


malmente hasta que la CE o/y la concentración de algún ión potencial-mente 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 via-bles económicamente en el caso de existir un reglamento medioam-biental estricto, siendo la estrategia mejor valorada la mejora de la ca-lidad 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 con-tenido 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 FERTIRRIGACIÓNProgramación del riegoEn 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 sobre-irrigación o el riego deficitario pueden afectar al rendimiento productivo también en los sistemas cerrados, por ejemplo al favorecer la inciden-cia de fisiopatías (necrosis apical en tomate y pimiento; Savvas et al.


152

2009) o la susceptibilidad a enfermedades de raíz (Saha et al., 2008).

La determinación de la dosis óptima de riego precisa del cóm-puto 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 mul-tiplicada por un coeficiente de seguridad, que depende del cultivo y del coeficiente de uniformidad y del riesgo de salinización del sus-trato. 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 rea-liza normalmente con control automático por medio de:

153


• Temporizador cuyas consignas se marcan basadas en la experien-cia del productor

• Estación meteorológica o sensor de luz simple, que permite la es-timación de la ET con ecuaciones más o menos complicadas (en-foque de modelos)

• Balanza (Figura 2) que mide gravimétricamente la ET de unas cuantas plantas testigo durante periodos de tiempo cortos (minu-tos 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 con-trol de riego en un cultivo en sacos de tomate (Foto: A. De Koning, Hortimax, Pijnac-ker, NL).

Modelizando la ET

Se han desarrollado modelos de distinta complejidad para predecir la


154

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):

VPDLAIBR

AET int ⋅⋅+λ

⋅= Ec. 1

en donde A (adimensional) y B (kg m-2 h-1 kPa-1) son coeficientes empí-ricos, 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:

( ) Rexp1R LAIkint ⋅−= ⋅− 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.

155


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 Referencia

Begonia

Cyclamen

Hibiscus

Impatients

Geranium

Poinsettia

Schefflera

Gardenia

Gardenia

Francia; invernadero con ca-lefacción; otoño y primavera; plantas en maceta

2.7

2.9

2.4

5.1

5.7

2.0

4.4

4.5

6.6

0.20

0.32

0.37

0.67

0.61

0.12

0.60

0.46

0.53

0.026

0.019

0.037

0.013

0.017

0.017

0.014

0.019

0.013

Baille et al., 1994.

PepinoAlmería, España; otoño y primavera; cultivo en conte-nedor perlita

0.5 - 2.6

0.26

0.42

0.24

0.24

0.034

0.042

0.032

0.055

Medrano et al., 2005.

Geranio España 2.5 0.56 0.018 Montero et al., 2001.

CalabacínItalia; otoño y primavera; cultivo en pumita

0.5-5.5 0.63 0.009Rouphael and Colla, 2004.

GerberaAlmería, España; otoño y primavera; sistema semice-rrado lana de roca.

1.0 – 2.2 0.55 0.019Carmassi et al., unpublished

RosaGrecia; perlita en contene-dores

2.5-3.5 0.24 0.026 Kittas et al. 1999

TomateEspaña; otoño y primavera; cultivo en perlita

2.5 0.58 0.025Medrano, 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 po-tencial matricial (ym; también llamado tensión o succión) en el sustrato (Pardossi et al., 2009). En cultivos en suelo y sin suelo, la relación en-tre q y ym se expresa por medio de la curva de retención de agua, que


156

se determina en laboratorio siguiendo procedimientos estandarizados (De Boodt and Verdonck, 1972; EN 1301 metódo).

Sistemas más caros y complicados, como la sonda de neutro-nes y el TDR (time-domain reflectometry) son utilizados en la investi-gación de suelos y plantas, mientras que instrumentos más baratos y prácticos son los empleados en control de riego de cultivos comer-ciales. 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 man-tenimiento y experiencia en comparación con los tradicionales tensió-metros. 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 ten-sión 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 simultánea-mente 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 con-trolada. 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

157


valor umbral pre-establecido de q era alcanzado y que además gestio-naban 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 di-ficultades propias de mantener en la zona radicular una concentración iónica relativamente constante;

• preparar automáticamente la SN con equipos de fertirri-gación 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 inver-naderos 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 micronutrien-tes (hierro, boro, cobre, manganeso, zinc y molibdeno) a concentracio-nes del orden de mili- y micro-moles por litro, respectivamente (Tabla 2). En función de la fisiología del cultivo (por ejemplo tolerancia a sali-nidad) y de su estado de desarrollo, condiciones climáticas y sistema hidropónico adoptado, se emplean concentraciones molares que osci-lan entre los 20 y 40 mM (1 a 2 g l-1). En base molar el nitrato es el ión


158

dominante. Normalmente los cultivos hortícolas no toleran el nitrógeno en forma amoniacal, por lo que éste sólo se emplea a muy bajas con-centraciones. Los valores óptimos de pH están entre 5,5 y 6,5.

La concentración se expresa como CE (dS m-1). Para la ma-yoría 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 concen-tración 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, in-cluso 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 cal-cular la cantidad de fertilizantes necesarios para preparar las solucio-nes 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/.

159


Tabla 2. Concentración de macro- y micro-nutrientes en soluciones nutritivas utiliza-das 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 3.5-4.5 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 1.5-2Beren-jena 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 1.5-2Calabacín 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 1-1.5Melón 16-19 0.5-1 1-1.75 1.25-2 5-8 4-5 1.5-2Clavel 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 1.5-2Rosa 12-15 1-1.5 1.5-2 2.75-3 4.5-6 3.5-4.5 2-2.5

Anthur-ium 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)Fe3 B3 Cu Zn Mn Mo

Tomate 20-25 30 1 5 10 0.5Pimiento 20-25 30 1 7 10 0.5

Berenjena 15-20 30 1 5 10 0.5Pepino 15-20 25 1 5 10 0.5

Calabacín 10-15 30 1 5 10 0.5Fresa 20-25 15 1 7 10 0.5Melón 10-15 25 1 5 10 0.5Clavel 30-35 30 1 5 5 0.5

Gerbera 35-45 35 2 5 5 0.5Rosa 35-45 30 1 5 10 0.5

Lisianthus 25-35 30 1 5 10 0.5Anthurium 15-20 20 0.5 3 5 0.5


160

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 recircu-lante (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 uni-dad de desinfección se emplean únicamente en los sistemas más so-fisticados.

Figura 3. Esquema típico de un sistema de cultivo sin suelo en sustrato

161


Estrategias de fertirrigación en sistemas cerrados

En los sistemas cerrados las necesidades de agua se corres-ponden 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 me-nos 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 encon-tramos 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-


162

lante pero deriva en pérdida de nutrientes si hay iones lastre disueltos en el agua de riego. En este sistema la CE no proporciona informa-ción 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 concentra-ción 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 tan-que 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

163


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 acepta-ble 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).

Electro-valve

Irrigation controllerClimate data Crop

Substrate

DisinfectionNS unit

Drainagecollection tank

Day-storage tankDisinfecteddrainage tank

Reservoirtank

FlushingifEC>ECMAX;Na>NaMAX

(NO3->NO3

-MIN)

Mixing tank

H+-

OH

-

1 8

Clean water tank

Ground water Rain water

Stock nutrient tanks

…

Semi-closed soilless systemOption B- constantnutrients in the recycling NS

Fig 6. Esquema de fertirrigación según estrategia B (ver texto).

C) Este procedimiento es similar a estrategia A con la diferen-cia 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 contami-nantes 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-


164

rrigación (A-C, según descripción previa) sobre la eficiencia en el uso de agua y nitrógeno en un sistema semicerrado de tomate de inverna-dero 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 dre-naje, 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 Direc-tiva Europea sobre Nitratos a la descarga de aguas residuales en las aguas superficiales.

NutrientsBallast ionsNut. Sol.

EC

Time

Low

H

igh

Low

H

igh


EC

Time 00Flushing

Low

H

igh

0

End

Low

H

igh


EC

Time0Flushing Nutrients

Ballast ionsNut. Sol.

EC

TimeFlushing

Strategy A Strategy B

Strategy C Open system

Figura 7. Contribución de iones nutritivos y lastre (por ejemplo Na) a la CE de la so-lución nutritiva recirculante en un sistema semi-cerrado gestionado según distintos

165


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 diariamen-te: i) la evolución del índice de área foliar y absorción de agua median-te el uso de ecuaciones empíricas; ii) las variaciones de las concentra-ciones 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 ióni-ca.

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 concen-tración 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 fá-cilmente 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 toma-te; Stanghellini et al., 2007). Modelos de simulación del consumo esta-cional 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


166

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 en-tre unos pocos euros (ensayos colorimétricos con tiras reactivas) has-ta 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.

167


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 emplea-das para analizar los siguientes iones, en ciertos rangos de concen-traciones, 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 permi-te 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


168

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 comer-ciales 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 pue-

de derivar una ecuación simple asumiendo los siguientes puntos: i) la concentración de absorción es despreciable comparada con la con-centración 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:

IMAX

I

CCCLR−

= Ec. 4

En donde Cmax se define como anteriormente.

Esta ecuación puede ser empleada para estimar la CI máxi-ma (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

169


agua de riego disponible – Wmax), lo que a cambio determina la LR:

( )LRLRCCI +

⋅=1max Ec. 5

en donde

( )LRLRCCI +

⋅=1max Ec. 6

La figura 9 muestra el valor de CI,max como una función de Cmax y LR.

0.0

1.0

2.0

3.0

4.0

5.0

6.0

7.0

8.0

0.0 4.0 8.0 12.0 16.0 20.0

Max

imum

ion

conc

entr

atio

n in

raw

wat

er (C

I,max

; m

ol m

-3)

Maximum ion concentration in raw water (CI,max; mol m-3)

LR = 50%

LR = 40%

LR = 30%

LR = 20%

LR = 10%

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 nutriti-va recirculante) y el porcentaje de lavado buscado (LR).


170

MANEJO DE LAS ENFERMEDADES DE SUELO

En los sistemas sin suelo puede producirse una acumulación de microorganismos fitopatógenos, especialmente en la SNrecirculan-te. 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 (me-sas, 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 patogéni-cos en el sistema (sustrato y/o SNrecirculante);

•desinfectar la SNrecirculante;

•desinfectar el sustrato antes de cada cultivo en el caso de in-cidencia 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 arries-gada aún con desinfección.

Los diagnósticos tempranos son esenciales para prevenir la in-cidencia de enfermedades de raíz. Se recomienda la realización regu-lar de tests con el fin de determinar si es necesaria o no la desinfección

171


de la SN recirculante. La adopción de métodos ADN permite la detec-ción 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

Tratamiento térmico95°C durante 30 s

85°C durante 3 minAlta eficacia

Alta inversion y costes ele-vados (sólo explotaciones >

1 Ha).

Radiación UV-C

(Figura 11)100-250 mJ/cm2 UV-C

Eficacia e inversión moderadas

A veces resultados no fiables; precisa de pre-filtración;

degradación de los quelatos de hierro.

Filtro de membrana

Tamaño de poros: 0.05 mm para Fusarium; 0.1

mm para VerticillumMuy eficaz

Muy caro; vida útil corta de la membrana

Ozono 10 g m-3 h-1Muy eficaz

Caro; precisa de filtración y acidificación preventivas;

degradación de quelatos de hierro.

Cloro2 ppm Cl, 1 min; para P.

Cinnamomi

Muy eficaz; empleado para la desinfección de la estructura del

invernadero y equipos

Dificultad en el estable-cimiento de dosificación

eficaz; acidez y compuestos orgánicos afectan eficiencia .

Peróxido de hidrógeno100 ppm para Fusarium

spp.Costes de inversion

bajos

No elimina completamente nemátodos; degrada quelatos

de hierro.

Filtración lenta

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.


172

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 compues-tos 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 evi-tar 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 in-hibición 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 ger-minación 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).

173


REFERENCIAS

Baille, M., Baille, A., Laury, J.C. (1994). A simplified model for predic-ting evapotranspiration rate of nine ornamental species vs cli-mate factors and leaf area. Sci. Hort. 59, 217-232.

Carmassi, G., Incrocci, L., Maggini, R., Malorgio, F., Tognoni, F., Par-dossi, A. (2007). An aggregated model for water requirements of greenhouse tomato grown in closed rockwoll culture with sa-line water. Agr. Water Manage. 88:73-82.

De Boodt, M., Verdonck, O. (1972). The physical properties of the substrate in horticulture. Acta Hortic. 26, 37-44.

EFSA (European Food Safety Authority), 2010. Scientific Opinion on emissions of plant protection products from greenhouses and crops grown under cover: outline for a new guidance. Panel on Plant Protection Products and their Residues (PPR). EFSA J. 8, 1567. Available at: <http://www.efsa.europa.eu/en/scdocs/doc/1567.pdf> (accessed 1.11.2011).

Ehret, D.L., Alsanius, B., Wohanka, W., Menzies, J.G., Utkhede, R. (2001). Disinfestation of recirculating nutrient solutions in gre-enhouse horticulture. Agronomie 21, 323–339.

EN 13041 1999. Soil improvers and growing media. Determination of physical properties, dry bulk density, air volume, water volume, shrinkage value and total pore space.

Heinen, M., (2001). FUSSIM2: brief description of the simulation mo-del and application to fertigation scenarios. Agronomie 21, 285-296.

Incrocci L., Marzialetti P., Incrocci G., Balendonck J, Spagnol S. and Pardossi A. (2010). Application of WET Sensor for Manage-ment of Reclaimed Wastewater Irrigation in Container- Grown Ornamentals (Prunus laurocerasus L). In: Transactions of the “Third International Symposium on Soil Water Measurement Using Capacitance, Impedance and TDT”, Murcia, Spain, April 7-9, 2010, editors: I.C. Paltineau and J.V. Muñoz; Paper 2.8, pp.12.

Kittas, C., Katsoulas, N., Baille, A. (1999). Transpiration and canopy


174

resistance of greenhouse soilless roses: measurements and modelling. Acta Hortic., 507:61-68.

Maggini, R., Carmassi, G., Incrocci, L., Pardossi, A. (2010). Evaluation of quick test kits for the determination of nitrate, ammonium and phosphate in soil and in hydroponic nutrient solutions. Agrochi-mica, 44, 331-341.

Malorgio, F., Scacco, M., Tognoni, F., Pardossi, A. (2001). Effect of nutrient concentration and water regime on cut rose production grown in hydroponic system. Acta Hortic. 559, 313-318.

Massa, D., Incrocci, L., Maggini, R., Bibbiani, C., Carmassi, G., Ma-lorgio, F., Pardossi, A. (2011). Simulation of crop water and mi-neral relations in greenhouse soilless culture. Environ. Modell. Softw. 26, 711-726.

Massa, D., Incrocci, L., Maggini, R., Carmassi, G., Campiotti, C.A., Pardossi, A. (2010). Strategies to decrease water drainage and nitrate emission from soilless cultures of greenhouse tomato, Agr. Water Manage. 97, 971–980.

Mathieu, J., Linker, R., Levine, L., Albright, L., Both, A.J., Spanswick, R., Wheeler, R., Wheeler, E., Villiers, D.D., Langhans, R. (2006). Evaluation of the NiCoLet model for simulation of short-term hydroponic lettuce growth and nitrate uptake. Biosyst. Eng. 95, 323-337.

Medrano, E., Lorenzo, P., Sanchez-Guerrero, M.C, Montero, J.I. (2005). Evaluation and modelling of greenhouse cucumber-crop transpiration under high and low radiation conditions. Sci. Hort., 105, 163-175.

Montero, J.I., Antón, A., Muñoz, P., Lorenzo, P. (2001). Transpiration from geranium grown under high temperatures and low humidi-ties in greenhouses. Agricultural and Forest Meteorology 107, 323-332.

Pardossi, A., Incrocci, L., Incrocci, G., Malorgio, F., Battista, P., Bacci, L., Rapi, B., Marzialetti, P., Hemming, J., Balendonck, J. (2009). Root zone sensors for irrigation management in intensive agri-culture. Sensors 9, 2809–2835.

Pardossi, A., Malorgio, F., Incrocci, L., Tognoni, F., 2006. Hydroponic

175


technologies for greenhouse crops, in: Ramdane Dris (Ed.), Crops: Quality, Growth and Biotechnology, WFL Publisher, Hel-sinki (Finland), pp. 360-378.

Rouphael, Y.,Colla, G. (2004). Modelling the transpiration of a gre-enhouse zucchini crop grown under a Mediterranean climate using the Penman-Monteith equation and its simplified version. Austr. J. of Agric. Research 55, 931-937.

Saha, U.K., Papadopoulos, A.P., Hao, X., Khosla, S., (2008). Irriga-tion strategies for greenhouse tomato production on rockwool. HortScience 43, 484–493.

Savvas, D., Ntatsi, G., Passam, H.C. (2009). Plant nutrition and phy-siological disorder in greenhouse grown tomato, pepper and eggplant. Eur. J Plant Sci. Biotec., 45-61.

Savvas, D., Passam, H. (2002). Hydroponic production of vegetables and ornamentals. Embryio Publications, Athens, pp 463.

Silberbush, M., Ben-Asher, J., Ephrath, J.E. (2005). A model for nu-trient and water flow and their uptake by plants grown in a soi-lless culture. Plant Soil 271, 309-319.

Sonneveld, C., Voogt, W., Spanns, L.,(1999). An universal algorithm for calculation of nutrient solutions. Acta Hortic. 481, 331-359

Stanghellini, C., Pardossi, A., Kempkes, F.L.K., Incrocci, L. (2005). Closed water loops in greenhouses: effect of water quality and value of produce. Acta Horticulturae 691, 233-241.

Stanghellini, C., Pardossi, A., Sigrimis, N. (2007). What limits the appli-cation of wastewater and/or closed cycle in horticulture? Acta Hortic. 747, 323-330.

Stewart-Wade, S.W., 2011. Plant pathogens in recycled irrigation water in commercial plant nurseries and greenhouses: their detection and management. Irrig Sci., in press. DOI 10.1007/s00271-011-0285-1.

Thompson, R.B., Martínez-Gaitan, C., Gallardo, M., Gimé-nez, C., Fernández, M.D http://www.sciencedirect.com/science?_ob=ArticleURL&_udi=B6T3X-4N7RD65-2&_user=10&_rdoc=1&_fmt=&_orig=search&_sort=d&view=c&_acct=C000050221&_version=1&_urlVersion=0&_userid=10&


176

md5=f5c261f66d4a8f92c454325069d3c808 - aff3#aff3(2007). Identification of irrigation and N management practices that contribute to nitrate leaching loss from an intensive vegeta-ble production system by use of a comprehensive survey. Agr. Water Mgt. 89, 261–274.

Van Os, E.A., Van der Mass, A.A., Meijer, R.J.M., Khodabaks, M.R., Blok, C. (2012) Advanced oxidation to eliminate growth inhibi-tion and to degrade plant protection products in a recirculating nutrient solution in rose cultivation. Acta Hortic. in press.

Van Os, E.A., Wohanka, W., Bruins, M.A, Seidel, R. (2003). Disinfezio-ni delle soluzioni nutritive in sistemi fuori suolo a ciclo chiuso. L’Informatore Fitopatologico 51(3), 30-34.

Vermeulen, T., van der Linden, A.M.A., van Os, E.A. (eds.) (2010). Emissions of plant protection products from glasshouses to sur-face water in The Netherlands. 2010 Wageningen, Wageningen UR Greenhouse Horticulture (Wageningen UR Glastuinbouw). 81 p. http://www.rivm.nl/bibliotheek/rapporten/607407001.pdf.

179

ANÁLISIS ECONÓMICO Y CICLO DE VIDA DE LOS DISTINTOS SISTEMAS DE INVERNADERO

A.Antón Vallejo1, M.Torrellas Iglesias1, M.Ruijs2 and J.I. Montero Camacho11IRTA. Centre de Cabrils, 08348 Cabrils, Barcelona, Spain2Wageningen 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 pro-ductividad 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 me-joradas para reducir los impactos de tipo económico y medioambiental: consumo de energía, estructura de invernaderos, fertilizantes y sustra-tos. 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

180


de los sistemas productivos. En ste curso se va a mostrar un resu-men 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-benefi-cio. El objetivo es valorar las consecuencias financieras de la aplica-ción 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 inver-nadero 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 (deprecia-ción y mantenimiento), pago de intereses y costes gene-rales (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 pro-yecto EUphoros. El objetivo no es el resultado neto financiero absolu-

181

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 inverna-dero, 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 protec-ción 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 limita-da 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 referen-cia 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 renta-bilidad 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.

182


Para los factores más relevantes el efecto estará determinado por cantidades, niveles o precios fluctuantes sobre el resultado finan-ciero 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 ite-rativas 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

Figura 1 Marco metodológico de ACV: de un ACV. ((ISO-14040)

Definición de objetivo y alcance

scope definition

Interpretación

Valoración de impacto

Análisis de inventario

183


Definición de objetivo y alcance

Objetivo: Evaluar dos escenarios representativos del cultivo en invernadero en Europa en la actualidad. La razón para realizar el estu-dio consiste en utilizar estos perfiles medioambientales como situación de referencia para la comparación con diseños alternativos de siste-mas de invernadero con reducción de inputs y de emisiones. En este estudio hemos considerado las prácticas agrícolas habituales en Euro-pa 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 eco-nómico se realizan comparando los resultados de las alternativas de mejora con la situación de referencia.

Alcance: Se estudian dos escenarios representativos de la pro-ducción 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 cu-alquier 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 ref-

184


erencia para normalizar todos los flujos de inputs y outputs del sistema (ISO-14040, 2006).

Límite del sistema: ACV se realiza definiendo sistemas produc-to como modelos que describen los elementos clave de sistemas físi-cos. 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 sis-tema serían los límites físicos del invernadero, sin considerar etapas posteriores como la comercialización y sí teniendo en cuenta la elimi-nación 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 indi-cador de flujo de energía (por ejemplo demanda cumulativa de ener-gía) y cinco categorías de impacto (por ejemplo agotamiento abiótico,

185


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 rela-cionados con el consumo de energía. Emisiones relacionadas con inputs agrícolas, fundamentalmente fertilizantes y pesticidas, contribu-yen 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 oxi-dantes 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 sis-tema 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 relaciona-dos con los participantes en este proyecto, por ejemplo Estación Ex-perimental Fundación Cajamar, España, Mórakert Production Organi-zation, 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 LCA-Foods (Nielsen, et al., 2003), que sirven para completar el inventario de ciclo de vida. Los números considerados son valores representati-vos 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 espacia-les, los datos se relacionan con el area de cultivo como flujo de refe-rencia. 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

186


sólo las fases obligatorias de clasificación y caracterización. El pro-grama 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 da-tos 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.

Waste managementTransport : vehicle and road manufacturing, maintainance, diesel consumption

Landfill

Incinerator

Compost plant

GREENHOUSEPRODUCTION

Climate systemMaterials: steel, aluminium, plastics.

Manufacture process: pipes, film, drawing, extrusion, etc

Transport: vehicle and road manufacturing, maintainance, diesel consumption.

Operating Energy: Natural Gas, electricity

FertilizersProduction N

Production P2O5

Production K2O

Air emissions

PesticidesInsecticides

Fungicides

Application

Auxiliary equipmentWatering equipment: material and manufacture

Substrate: rockwool/perlite

Transport : vehicle and road manufacturing, maintainance, diesel consumption

Water: watering

Greenhouse structureMetal frame: steel, aluminium, concrete

Covering material: glass/plastic

Manufacture process: drawing, coating, extrusion, etc

Transport : vehicle and road manufacturing, maintainance, diesel consumption

TOMATOES/

ROSES

ELECTRICITYNDL

TOMATOES

Figura 3 Diagrama de flujo general para producción en invernadero (en inglés)

187


· Características de la estructura de invernaderoSe 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 invernade-ro consistía de una estructura metálica y una cubierta, de film plásti-co 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 auxiliarEl 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 secunda-rias 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 distribu-ción 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 climaEn función del sistema productivo el sistema de control de cli-

ma puede incluir calefacción, sistema de cogeneración, equipo de dis-tribución, agua termal, ventilación natural, sistema de enriquecimiento carbónico, enfriamiento de cubierta e iluminación.

188


En el escenario Venlo el total de energía consumida en el in-vernadero 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 deta-lles se puede consultar en el sitio web del proyecto (www.euphoros.wur.nl/uk).

• Fertilizantes El uso de fertilizantes implica importantes impactos medioam-

bientales, tanto para los procesos de fabricación como para las emi-siones producidas tras su aplicación. Es cierto que la emisión de fertilizantes es un tema controvertido que precisa de estudios más pro-fundos. 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 (Bren-trup, 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 fer-tilizante 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 lixivia-dos. Se asume que en el caso de realizar un lavado este será consi-derado 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.

189


• Tratamientos fitosanitariosEn esta sección se consideran las cantidades de principio acti-

vo de los pesticidas aplicados (específicamente el impacto medioam-biental 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.

• ResiduosEl manejo de residuos se estudia agrupando todos los materia-

les en el invernadero en función de su vida útil (materiales estructura-les), 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, hor-migón, 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 inverna-dero. De experiencias anteriores se asume que el 40% del peso fresco de las plantas se transporta a la planta de compostaje.

190


Los materiales destinados al proceso de reciclaje no se consi-deran 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 car-gas 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 ma-teriales. 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.

• TransporteSe considera transporte el reparto de materiales y equipos des-

de su origen al invernadero. Todo el transporte en los lugares analiza-dos se realiza por carretera, en camión o furgoneta.

Los procesos del transporte incluyen la fabricación y manteni-miento de vehículos y carreteras, y el consumo de diesel.

El consumo de fertilizantes no se incluye en este estudio. Nor-malmente los productores adquieren los fertilizantes en un distribuidor cercano. Por otra parte, los distribuidores normalmente reciben los fer-tilizantes 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.

191


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 am-bos 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).

192


Tabla 1. Características principales de los dos escenarios de referencia

Escenario a)Tomate, multitúnel, España

Escenario b)Tomate, Venlo, Países Bajos

EstructruraSuperficie (m2) 19,440 40,000Número de naves 18 25Hormigón (m3·ha) 63 45Cubierta LDPE (kg·ha-1) 3,787Paredes PC (kg·ha-1) 1,707Acero (kg·ha-1) 76,994 109,829Aluminio 28,110Vidrio (kg·ha-1) 118,927CultivoRendimiento (kg·ha-1) 16.5 kg·m-2·y-1 56.5 kg·m-2·y-1

Periodo cultivo 52 semanas 52 semanasDensidad cultivo(tallos·m-2) 2.5 2.5Equipamiento auxiliarSustrato Perlita Lana de rocaSustrato (kg·ha-1) 18,877 4,476Sustrato por planta (l) 10 5.22Sistema Fertirrigación Goteros, Ciclo abierto Goteros, Ciclo cerrado

Desinfección (calor)Fuente de agua Pozo PluvialesAgua (l·m-2) 474.8 794Uso de agua 28.8 l·kg-1 14.1 l·kg-1

Fertilizantes (kg·ha-1)N 798 1688P2O5 506 406K2O 1,562 1855Emisiones gaseosasNH3-N 24 51N2O-N 10 21NOx-N 1 2.1Emisiones aguaNO3 359Pesticidas (kg·ha-1) 32 10Sistema control climaSistema clima Ventilación natural Co-generaciónFuente energía no Gas naturalLuz artificial no noPantalla energética no SíEnriquecimiento CO2 no síResiduosEmisiones gestión residuos Transporte

VertederoTransporteVertedero

Incineración

193


Asignación de flujos y emisionesSe 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 elec-tricidad. 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 out-put 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 exceden-te de energía volcado a la red pública es de 168 kWh·m-2. Se conside-ró 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 emplea-ron 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.

194


Tabla 2. Consumo de energía y producción en escenario b)

Escenario bConsumo de gas natural en el CHP m3·m-2 m3·ton tomate-1

Total, calefacción+electricidad 64.7 1,145Asignación de energía, calefacción 41.7 738Asignación de energía, electricidad 23.0 407Electricidad kWh·m-2 kWh·ton tomato-1

Consumo invernadero 10 177Producido por CHP 178 3,150Excedente 168 2,973Comprada a la red 0 0

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 poten-ciales utilizando los resultados del ACV. Este proceso implica la aso-ciación de los datos de inventario con las categorías específicas de im-pacto 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 obliga-torios 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 im-pacto del ciclo de vida a las distintas categorías de impacto seleccio-nadas y 3) caracterización o cálculo de los resultados de los indicado-res 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 proporcio-nan un valor importante a los distintos problemas medioambientales. Las fases opcionales de normalización y valoración son excluidas de

195


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 caracte-rísticas locales y reducen la información aportada con respecto a los impactos medioambientales (Bare, et al., 2006, Finnveden, 1997).

Global WarmingImpact category

LCI Results NO3, N2O, CO2,SO2, etc

Amount of greenhouse gas: CO2, CH4, N2O...

LCI results assigned to impact category

Category Indicador� �= i ii mcfGW

Characterization factor

Characterization model

clas

sific

atio

nch

arac

teri

zatio

nse

lect

ion

IPCC

i cfGW

CO2 1

N2O 296

CH4 23

Figura 3 Diagrama de la fase AICV. Adaptada de ISO 14040 (2006)

La Figura 3 esboza los elementos de clasificación y caracte-rización 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 in-tervenciones (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

196


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 inter-venciones 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 (Haus-child, 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 rela-cionada con la extracción).

Los objetivos de este estudio recomiendan, con el fin de reducir las incertidumbres, escoger categorías de puntos medios en la com-paración de las mejoras que surjan en próximos avances del proyec-to. Las principales características de las distintas categorías elegidas

197


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, geo-térmica y agua.

• Agotamiento abiótico, AD, kg Sb eq (Guinée, et al., 2002)

Esta categoría de impacto, agotamiento de los recursos abióti-cos, 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 com-bustibles fósiles motivado por inputs del sistema. El factor de caracte-rización 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 im-pactos en el suelo, agua subterránea, organismos, ecosistemas y ma-teriales (edificios). Los contaminantes acidificantes más importantes son el SO2, NOx y NH3. El factor caracterizador de la acidez en lo que

198


respecta a emisiones al aire se calcula con el modelo RAINS 10, que describe el destino y deposición de las sustancias acidificantes (Gui-née, et al., 2002). AA se expresa en kg equivalentes SO2.

• Eutrofización, EU, kg eq PO4--- (Guinée, et al., 2002) (también co-

nocida como nutrificación)

Incluye todos los impactos debido a niveles excesivos de ma-cronutrientes 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 at-mósfera. 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 ho-rizonte 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 sus-tancias 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 catego-ría. El factor de caracterización del ozono fotoquímico para la emisión de sustancias a la atmósfera se calcula con el modelo UNECE Trajec-tory (incluyendo destino), y expresado en kg equivalentes de etileno (Guinée, et al., 2002).

199


• Uso del agua, L

Hoy en día a pesar de que la investigación avanza en el desa-rrollo 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 valo-ración 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 indi-cadores de agua y pesticidas se emitieron únicamente los valores de inventario. Estos valores se usan como referencia para las futuras me-joras que se están desarrollando en el transcurso del proyecto EUpho-ros.

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 dini-trógeno, Metano

Oxidación fotoquímica PO kg C2H

4 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 pro-

200


porciona resultados que son consistentes con la definición de objetivo y ámbito, llega a conclusiones, explica limitaciones y proporciona re-comendaciones 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 re-sultados 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 pun-tos calientes medioambientales y económicos del ciclo de vida de los escenarios de referencia valorados, con recomendaciones para me-jorar 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 Espa-ña. 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 can-tidad 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 contri-bución al agotamiento abiótico y a la demanda acumulativa de energía.

201


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 electri-cidad 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 proce-sos 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 medioambien-tales 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 contribu-yen en gran manera a la categoría de impacto de la eutrofiza-ción. 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 cos-tes 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 in-versión, especialmente si los inputs o emisiones de fertilizantes pueden reducirse en un 50%. La cuestión es hasta qué punto re-bajar a la mitad los inputs de fertilizantes es realista en términos de crecimiento vegetal y desarrollo. Además, rebajar a la mitad

202


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 inver-nadero es la razón principal que explica estos elevados impac-tos medioambientales. El uso de un sistema combinado de calor y electricidad (CHP) para calentar el invernadero podría contra-rrestar 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 sus-trato en todas las categorías de impacto. Este es también uno de los objetivos de mejora del proyecto EUPHOROS. Las contribu-ciones 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 fabrica-ción 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 as-cendió a un 31% de los costes totales (Figura 7). Los costes

203


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 inte-resante 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.

204


0%

10%

20%

30%

40%

50%

60%

70%

80%

90%

100%

AD AA EU GW PO CED

Con

trib

utio

n

Impact categories

Waste

Pesticides

Fertilizers

Auxiliary equipment

Climate system

Structure

a)

0%10%20%30%40%50%60%70%80%90%

100%

AD AA EU GW PO CED

Contr

ibutio

n

Impact categories

PerliteElectricityTransportMetalsPlastics manufacturePlastics material

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.

205


Figura 5. Componentes del gasto para escenario de tomate en España.

0%

10%

20%

30%

40%

50%

60%

70%

80%

90%

100%

AD AA EU GW PO CED

Contr

ibutio

n

Impact categories

WastePesticidesFertilizersAuxiliary equipmentClimate systemStructure

a)

206


0%

10%

20%

30%

40%

50%

60%

70%

80%

90%

100%

AD AA EU GW PO CED

Contr

ibutio

n

Impact categories

Substrate

Transport

Metals

Plastics manufacture

Plastics material

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 calefac-ción en un invernadero con CHP en los Países Bajos; b) detalle para equipos auxilia-res; 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

207


ALTERNATIVAS DE MEJORA

A continuación se hace una descripción de los escenarios se-leccionados 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 ener-gía. 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 am-biental por medio de una combinación de distintas alternativas indivi-duales, en el mejor de los casos una alternativa, y con un nuevo tipo de invernadero (tabla 5). En el primer caso los impactos medioam-bientales 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

208


fotoquímica; y del 17,4% en la categoría de impacto de demanda acu-mulativa de energía. Se pueden obtener reducciones más importan-tes, 10,2 y 15,3%, en la categoría del impacto de eutrofización, con una disminución en la dosis de fertilizantes del 20-30% respectiva-mente. Es notable advertir que un aumento del 40% en la proporción de energía renovable frente al total redujo las contribuciones a la aci-dificación 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 catego-rías 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 económi-cos 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 ne-gativo.

En el nuevo tipo de invernadero los impactos medioambienta-les se reducirán notablemente (36 al 42,7%) por el elevado aumento de la productividad. Los resultados en la tabla 8señalan que una inver-sión en un nuevo tipo de invernadero multitúnel con ventilación mejo-rada parece ser rentable. La inversión extra puede ser recuperada en el plazo de 5 años bajo estas suposiciones.

209


Tabla 4. Contribución por etapas a las categorías de impacto seleccionadas (IC) por ton de tomate para producción de referencia en un invernadero multitúnel.

IC Unidad Total EstructuraSistema

clima Equipo 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-02AA kg SO2 eq 1.0E+00 3.9E-01 1.5E-03 4.2E-01 2.1E-01 1.9E-02 1.2E-02EU kg PO4

-3eq 4.9E-01 1.5E-01 2.7E-04 8.0E-02 2.5E-01 6.5E-03 3.9E-03GW kg CO2 eq 2.5E+02 8.8E+01 1.5E-01 7.7E+01 8.2E+01 2.0E+00 3.1E+00PO kg C2H4 5.4E-02 2.0E-02 5.4E-05 2.7E-02 4.9E-03 1.2E-03 1.0E-03CED 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 CEDFertilizantes↓10% 1.2 2.0 5.1 3.2 0.9 1.0Fertilizantes↓20% 2.4 4.0 10.2 6.5 1.8 2.0Fertilizantes↓30% 3.6 6.0 15.3 9.7 2.7 3.020 años vida útil invernadero 5.2 6.3 6.3 5.6 6.4 5.2Perlita 4 años vida útil 4.5 3.0 1.3 3.9 2.8 4.4Perlitavolumen↓5% 0.8 0.6 0.3 0.8 0.5 0.8Perlitavolumen↓15% 2.5 1.7 0.8 2.3 1.6 2.5Perlitavolumen↓25% 4.2 2.9 1.3 3.8 2.7 4.1Perlitavolumen↓35% 5.8 4.0 1.8 5.3 3.8 5.7↑10%energíaremovable 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%energíaremovable 6.3 12.7 4.9 5.5 8.9 1.7Major caso 22.7 30.1 28.7 27.6 22.8 17.4Sistema de riego cerrado 5.2 9.9 48.2 12.3 5.1 4.9Nuevo tipo de invernadero 42.6 38.8 36.0 39.3 41.8 42.7


210


Tabla 6. Efecto de la reducción del volumen de sustrato y vida útil sobre los costes anuales de los sacos de cultivo (€/m2) *

mantenimientoSacos sustrato (perlita) 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 es-tándar.

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 depre-ciación

manten-imientointerés

otros var costes

abonoahorros

balancebeneficio-

cost

plazo amor-tización

€/ha €/ha €/ha €/ha €/ha €/ha yrSistema fertirrigación cerrado 7500 750 565 1200 4650 2135 3

Sistema fert. cerrado + test rápido 8300 910 625 810 4650 2305 3

Sistema fert. cerrado + test rápido + UV filtración (desinfección)

23300 3270 1750 1390 4650 -1760 11

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

211


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 9.10Costes variables 4.45Costes fijos 3.05Costes totals 7.50Resultado financiero neto 1.60Amortización 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 am-bas mostraron reducciones significativas en el consumo de gas natural (Tabla 10). Un nuevo método de cultivo con ahorro permitió reduc-ciones 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 nue-vo método energético de cultivo tuvo impactos ambientales iguales o mayores del 30% para la mayoría de categorías de impacto. Es remar-cable la baja reducción de la categoría de impacto de la eutrofización (6%). La eutrofización es una categoría de impacto en la que las emi-siones 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

212


que el efecto de reducir un 55% el consumo de gas natural. Los re-sultados 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 EstructuraSistema

climaEquipo auxiliar Abonos

Pestici-das 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 PO4---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 6.5E-03 2.2E-03 1.1E-04 7.6E-05

CED MJ 3.1E+04 8.2E+02 3.0E+04 3.1E+02 2.0E+02 3.9E+00 7.9E+00AD, 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 AA EU GW PO CEDSistema de cultivo ahorro energía 31.1 25.9 20.4 30.4 29.1 30.9Nuevo tipo de invernadero 38.8 29.9 6.4 38.0 39.9 38.7


213


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 compara-ción con el sistema de referencia de producción de tomate (€/m2).

Componente Diferencia con sistema de referencia (€/m2)Inversión 1.20Costes anuales de inversión1) 0.10Costes de energía2) 0.45Producción -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 com-paración con un sistema referencia de producción de tomate (€/m2)

Componente Diferencia con sistema de referencia (€/m2)Costes de energía1) -3.40Producción -Otros costes 0.75Balance de beneficios y costes2) 2.65Capacidad de inversión3) 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 extra2) Coste anual de la inversión: 10% (depreciación: 7%, mantenimiento: 0,5% y

interés medio: 2,5%).

214


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 impor-tante en todas las categorías de impacto para escenario a) en Espa-ña. 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 volu-men 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 equipamien-to 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 re-sultados 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

215


investigación debería orientarse a analizar la viabilidad de las alterna-tivas sugeridas.

Con el fin de apoyar a técnicos y productores a simular su propio sis-tema invernadero se ha colgado en el sitio web de Euphoros una he-rramienta informática de apoyo económico y medioambiental. Esta herramienta se basa en las técnicas y medidas estudiadas en este pro-yecto. 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.

Referencias

Audsley, E., (1997). Harmonisation of Environmental Life Cycle As-sessment for Agriculture. European Commission DG VI Agri-culture.

Bare, J. C. and Gloria, T. P., (2006). “Critical analysis of the mathema-tical relationships and comprehensiveness of life cycle impact assessment approaches” en Environmental Science & Techno-logy 40 4 1104-1113

Brentrup, F. and Küsters, J., (2000). Methods to estimate to potential N emissions related to crop production. The Haugue. Agricultural Economics Research Institute

Ekvall, T. and Tillman, A., (1997). “Open-Loop Recycling, Criteria for allocation procedures.” en International Journal LCA 2 (3) 155-162

EUPHOROS, (2008-2012). Efficient use of inputs in protected horti-culture.

Finnveden, G., (1997). “Valuation methods within LCA - where are the values?” en International Journal of Life Cycle Assessment 2 3 163-169

Frischknecht, R., Junblught, N., Althaus, H.-J., Doka, G., Dones, R., Heck, T., Hellweg, S., Hischier, R., Nemecek, T., Rebitzer, G. and Spielmann, M., (2005). “The Ecoinvent Database: Over-view and Methodological Framework” en International Journal

216


of Life Cycle Assessment 10 (1) 3-9Goedkoop, M. and Spriensma, R., (2000). The Eco-Indicator 99. A

damage oriented method for Life Cycle Impact Assessment. Amersfoort, The Netherlands. PRé Consultants B.V.

Guinée, J. B., Gorrée, M., Heijungs, R., Huppes, G., R., K., de Koning, A., Wegener Sleeswijk A., Suh, S., Udo de Haes, H., Bruijn, H., Duin, R. v. and Huijbregts, M. A. J., (2002). Handbook on life cycle assessment. Operational guide to the ISO standards. Dordrecht, The Netherlands. Kluwer

Hauschild, M. and Wenzel, H., (1998). Environmental Assessment of products. London, UK. Chapman and Hall

Heijungs, R., Guinée, J. B., Huppes, G., Lankreijer, R. M., Ansems, A. A. M., Eggels, P. G., van Duin, R. and de Goede, H. P., (1992). Environmental Life Cycle Assessment of Products - Guide and Backgrounds. Leiden. Centre of Environmental Science (CML).

IPCC, (2007). Climate Change 2007: The Physical Science Basis. Pa-ris. Intergovernmental Panel on Climate Change.

ISO-14040, (2006). Environmental management-Life cycle as-sessment-Principles and framework. Geneva. International Or-ganisation for Standardisation ISO.

Milà i Canals, L., Chenoweth, J., Chapagain, A., Orr, S., Antón, A. and Clift, R., (2009). “Assessing freshwater use impacts in LCA: Part I-inventory modelling and characterisation factors for the main impact pathways” en International Journal Life Cycle As-sessment 14 28-42

Nielsen, P., Nielsen, A., Weidema, B., Dalgaard, R. and Halberg, N., (2003). LCA food data base.

Pfister, S., Koehler, A. and Hellweg, S., (2009). “Assessing the En-vironmental Impacts of Freshwater Consumption in LCA “ en Environmental Science and Technology 43 11 4098-4104

PRéConsultants, (2010). SimaPro 7.2. Amersfoort. The Netherlands. Steen, B., (1999). A systematic approach to environmetal strategies in

product development (EPS). version 2000. Centre for Environ-mental Assessment of products and material systems. Chal-mers University of technology.

217


F U N D A C I Ó N

FUNDACIÓN - WUR · La vida útil de un film de invernadero ha pasado de 9 meses en los cincuenta a...

Documents

Transcript of FUNDACIÓN - WUR · La vida útil de un film de invernadero ha pasado de 9 meses en los cincuenta a...