Tecnologie innovative per un utilizzo efficiente dell energia in serra

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1 Review n. 7 Italus Hortus 15 (1), 2008: Tecnologie innovative per un utilizzo efficiente dell energia in serra Sjaak Bakker 1*, Steven Adams 2, Thierry Boulard 3, Juan Ignacio Montero 4 1 Wageningen UR Greenhouse Horticulture, P.O. Box 16, 6700 AA Wageningen (Olanda) 2 Warwick HRI, University of Warwick, Wellesbourne, Warwick, CV35 9EF (Regno Unito) 3 INRA-URIH, 400, Route des Chappes, BP 167, Sophia Antipolis (Francia) 4 IRTA, Centre de Cabrils, Ctra. Cabrils s/n, Barcelona (Spagna) Ricevuto 22 gennaio 2008; Accettato 29 febbraio 2008 Innovative technologies for an efficient use of energy Abstract. Efficient use of energy in greenhouses has been subject of research and development for decades. The final energy efficiency, e.g. the amount of energy used per unit of product, is the determined by improvements in energy conversion, reductions in energy use for environmental control and the efficiency of crop production. The new European targets on reduction of CO 2 emission have resulted in a renewed interest in innovative technologies to improve energy efficiency in greenhouses designed for North- as well as South European regions. In this paper an overview of the recent developments is presented from both the Northwest European as well as the Mediterranean perspective. The developments range from new modified covering materials, innovative and energy conservative climate control equipment and plant response based control systems, to integrated energy efficient greenhouse designs. Key words: greenhouse, energy consumption, energy efficiency, innovative technologies. Introduzione Dopo la prima crisi energetica, avvenuta tra il 1973 e il 1986, quando il calo degli approvvigionamenti causò il primo significativo incremento del prezzo del petrolio, l utilizzo dell energia in serra (fig. 1) è diventato nuovamente uno dei principali argomenti di ricerca. Ridurre i costi energetici torna ad essere una necessità primaria in quanto rappresentano una consistente quota del costo totale di produzione. Per l Italia è stato stimato che l energia utilizzata per il condizionamento delle serre incida già per il 20-30% del costo totale di produzione (De Pascale e Maggio, 2004), mentre in Francia risulti pari al 12-14% (Boulard, 2001) e, nel caso degli ortaggi, al 22%, dato comparabile con quello del nord Europa (van der Knijff et al., 2004). Poiché l obiettivo finale della produzione in serra è ottenere il massimo profitto economico, l utilizzo finale dell energia deve necessariamente tener conto del bilancio fra ricavi e costi, specifico di ogni regione: ad es., per la Finlandia il consumo totale di energia è stato stimato intorno a MJm -2 all anno (Olofsson et al., 2006), per l Olanda a MJ m -2 (van der Knijff et al., 2004) e per il sud dalla Francia a MJ m -2 (Vésine et al., 2007). Inoltre, con l attuale e spiccato interesse per il riscaldamento globale e i cambiamenti climatici, l utilizzo di combustibili fossili è nuovamente all attenzione della comunità internazionale e del mondo politico, come testimoniato anche da Al Gore nel recente film An inconvenient truth (Una verità scomoda). In seguito al protocollo internazionale di Kyoto molti governi hanno fissato i livelli di emissioni massime di CO 2 per i diversi comparti industriali, ad esempio, in Olanda l obiettivo è di ridurre del 30% le emissioni di CO 2 nel 2020 rispetto al Di conseguenza, anche l industria serricola è di fronte a pressioni economiche, politiche e sociali tese alla riduzione dei consumi e all incremento dell efficienza energetica. Semplificando, ci sono due vie per migliorare l efficienza energetica in serra: ridurre l energia in ingresso nel sistema e incrementare la produzione per unità di energia. La prima soluzione prevede due strategie: l impiego di tecnologie per una più efficiente conversione delle sorgenti energetiche, al fine di massimizzare la quota parte di energia utile (per es. riscaldamento, raffrescamento, illuminazione), e la riduzione delle dispersioni energetiche nell ambiente. L incremento della produzione per unità di energia può essere raggiunto in molti modi, specialmente in condizioni di crescita sub-ottimali. Il miglioramento e la razionalizzazione dei sistemi di irrigazione, nutrizione, controllo di malattie e infestanti, ecc., nonché il migliore utilizzo dell area disponibile per la coltivazione in serra comportano di fatto un incremento della produzione e dell efficienza energetica. Concentrare l attenzione solamente sull efficienza energetica, senza considerare l energia totale utilizzata, potrebbe causare inaspettate e, da un punto di vista ambientale, indesiderate conseguenze. Nell area 25

2 Bakker et al. Fig. 1 - Uso dell energia nella serricoltura Europea. Fig. 1 - Energy use in European greenhouse horticultur. mediterranea, il riscaldamento è attualmente utilizzato anche per ottenere anticipi di produzione e raccolti costanti in termini quantitativi e qualitativi (Baudoin, 1999), portando da un lato, a un elevata efficienza energetica ma, dall altro, ad elevati consumi (Boulard, 2001, Vésine et al., 2007). In tali regioni, anche i programmi di produzione intensiva che prevedono il controllo di altri parametri climatici (esempio tramite erogazione di CO 2 o illuminazione supplementare) (Boulard, 2001), nonché l utilizzo di sistemi di raffrescamento per estendere il periodo di crescita nei periodi più caldi (De Pascale e Maggio, 2004), concorrono ad un incremento del consumo energetico. Queste stesse considerazioni sono valide per le regioni del nord Europa con particolare riferimento agli elevati livelli di illuminazione artificiale: esempio, oltre 200 Wm -2 in Finlandia (Olofsson et al., 2006) e più di 100 Wm -2 in Olanda. In Italia, Francia, Regno Unito e Olanda il consumo totale di energia e le relative emissioni di CO 2 evidenziano fluttuazioni poco significative nonostante gli sforzi attuati in campo serricolo per migliorare l efficienza energetica: esempio, in Olanda le emissioni di CO 2 nel 2004 sono state di 6,44 milioni di tonnellate, rispetto ai 6,76 del 1990 (van der Knijff et al., 2004). È da segnalare, tuttavia, che l efficienza energetica in serra è gradualmente migliorata, principalmente per effetto dell incremento delle produzioni. La sfida maggiore consiste nel trovare la strada che contemperi il miglioramento dell efficienza energetica con la riduzione del consumo di energia globale, da cui dipendono le emissioni di CO 2 dell industria serricola. Un sistema efficiente lo si ottiene attraverso un processo di ottimizzazione ed è il risultato di un continuo miglioramento e adattamento dei fattori produttivi alle condizioni limitanti che si possono verifi- 26

3 Energia in serra care in un determinato ambiente. In generale, gli obiettivi definiti da De Pascale e Maggio (2004) per l area mediterranea sono validi anche per le regioni settentrionali e sono i seguenti: durante il periodo autunno/inverno, massimizzare la quantità di radiazione (sia artificiale che naturale) e minimizzare le perdite di energia; durante il periodo primavera/estate, ridurre le alte temperature attraverso il raffrescamento. Sistemi di raffrescamento in serra sono stati introdotti perfino in Finlandia (Särkkä et al., 2006). Tutto questo permette di ottimizzare il livello di produzione e conseguentemente l efficienza energetica in serra per (quasi) tutto l anno. Poiché le tecnologie e le innovazioni nel campo dell efficienza energetica delle serre sono numerose, questo lavoro si concentrerà su diversi aspetti relativi alla progettazione di serre energeticamente efficienti, con particolare riguardo a componenti fondamentali come: materiali di copertura, sistemi per il controllo climatico e sistemi di controllo basati sulla risposta delle piante. Massimizzare e modificare la radiazione in entrata nelle serre Il primo passo per la creazione di serre energeticamente efficienti è di massimizzare l utilizzo della radiazione naturale incidente, sia per il positivo impatto sulla produzione che per la riduzione dell energia supplementare per il riscaldamento. Per la coltura di pomodoro in Olanda, l aumento del 10% della trasmittanza radiativa in serra provocherebbe un miglioramento dell efficienza pari all 8% (Elings et al., 2005). Un ulteriore miglioramento dell efficienza della serra si può ottenere sia mediante un aumento della trasmissione della luce da parte della struttura sia attraverso una minimizzazione delle perdite dovute alla riflessione, modificando la pendenza del tetto. Nell Europa meridionale un considerevole aumento della trasmissione luminosa è stato raggiunto aumentando l inclinazione del tetto da valori prossimi a 0 C, tipici di aree con bassa piovosità, a valori intorno a 30ºC, con effetti positivi sulle colture nei mesi invernali (Soriano et al., 2004). Nel Nord Europa, l adozione di componenti costruttive integrate che prevedono gronde di ridotte dimensioni, ampi pannelli di vetro (>1,7 m) e telai dipinti di bianco hanno consentito di ottenere strutture con limitata intercettazione luminosa (Janssen e t Hart, 2006). Considerando le limitazioni date dalle attuali tecnologie dei materiali e dalle norme costruttive internazionali, si possono prevedere solo ulteriori miglioramenti marginali della trasmissione delle strutture (2%), ad esempio dall utilizzo di colonne a traliccio. Al momento attuale, quindi, un incremento significativo della trasmissione luminosa è da attendersi principalmente dalle innovazioni nei materiali di copertura. Possiamo dividere i materiali di copertura approssimativamente in tre gruppi: vetro, film plastici e laminati di plastica rigida, ciascuno con le proprie caratteristiche rispettivamente per trasmissione della luce a differenti lunghezze d onda, capacità isolante, ma anche sostenibilità e costo. Per quanto concerne l efficienza energetica e l utilizzo ottimale della radiazione solare, si deve considerare la trasmissione della luce visibile (o radiazione foto-sinteticamente attiva, Photosynthetically Active Radiation - PAR) e dell infrarosso IR (Hemming et al., 2004a). Per il periodo invernale, si deve puntare a materiali che combinino un alta trasmissione della radiazione visibile con una bassa trasmittanza della radiazione IR e un alto livello d isolamento. In questo modo in serra entra la maggior quantità di energia solare utile per la produzione agricola ( energia verde ) e per l incremento di temperatura, mentre viene limitata la perdita di calore. Molti dei film plastici attualmente in uso sono al di sotto dei livelli considerati ottimali per serre energeticamente efficienti, dato che la loro trasmissione IR è elevata; fa eccezione la membrana ETFE di recente introduzione (Hemming, 2005; Waaijenberg, et al., 2005). Per migliorare ulteriormente la trasmittanza luminosa dei materiali, sono stati sviluppati, negli ultimi decenni, molti rivestimenti antiriflesso che permettono un incremento del 5-6% della trasmissione della luce (Hemming et al., 2006a). Tali materiali possono anche ridurre le perdite di luce causate dalla condensa, altrimenti considerevoli specialmente per i materiali plastici. Recenti innovazioni in questo campo riguardano modifiche della struttura superficiale, ad es. a forma di micro V, che sono state messe a punto per aumentare l efficienza dei pannelli solari ma che costituiscono una promettente tecnologia per la copertura delle serre (Sonneveld e Swinkels, 2005a). Benché la trasmissione della radiazione globale sia di primaria importanza, recenti studi dimostrano che la luce diffusa è in grado di penetrare più a fondo all interno della copertura vegetale rispetto alla luce diretta. I materiali di copertura che diffondono la luce in entrata, a parità di livelli di trasmissione globale e di coibenza, migliorano la produzione delle colture e l efficienza energetica (Pollet et al., 2000; Jongschaap et al., 2006; Hemming et al., 2006b). In condizioni di elevato irraggiamento solare, può essere considerato l impiego di lenti di Fresnel per separare la radiazione diretta da quella diffusa e utilizzare il surplus di radia- 27

4 Bakker et al. zione diretta per la produzione di elettricità (Souliotis et al., 2006). In ogni caso, l effetto positivo di tali innovazioni tecnologiche si ha solo se la copertura viene pulita regolarmente dato che la trasmissione del materiale si riduce notevolmente a causa della polvere. Minimizzare le perdite di energia tramite l utilizzo di schermi termici e di materiali di copertura isolanti Allo scopo di realizzare serre in grado di conservare l energia è fondamentale incrementare l isolamento e ridurre i ricambi d aria, poiché le perdite per convezione e irraggiamento dalle pareti della serra e il trasferimento di calore sensibile e latente attraverso la ventilazione sono i maggiori processi di perdita di energia nelle serre con sistema di ventilazione naturale. Uno schermo termico aggiunge una barriera addizionale fra l ambiente della serra e la zona circostante riducendo sia le perdite per ventilazione che per convezione. Inoltre se mobile, lo schermo presenta un minor impatto sulla trasmissione della luce rispetto a schermi fissi o a doppi strati di copertura. In Olanda il 79% dell area destinata a coltivazione serricola e in Francia il 33% delle serre riscaldate sono equipaggiate con schermi termici (Van der Knijff et al., 2004; Vésine et al., 2007). In teoria, gli schermi se rimangono chiusi quasi permanentemente possono ridurre l utilizzo di energia di oltre il 35-40% a seconda del materiale (Bakker e van Holsteijn, 1995). In pratica però, ciò non avviene essendoci delle restrizioni alla chiusura imposte dalle condizioni di umidità e luminosità, tanto che nelle pratiche commerciali il risparmio energetico è limitato al 20% (Dieleman e Kempkes, 2006). Bisogna considerare, inoltre, che la presenza degli schermi determina una riduzione della luce in entrata, più o meno marcata in funzione degli aspetti costruttivi e dei materiali utilizzati; di conseguenza l effetto sull efficienza energetica può essere ulteriormente ridotto. Nel campo della costruzione di schermi termici è stata indagata un ampia gamma di soluzioni, ma ad oggi i sistemi mobili a scorrimento sono i più diffusi in tutta Europa. Le innovazioni mirano a ridurre sempre più l intercettazione della luce provocata dai sistemi costruttivi e dagli schermi in posizione ripiegata (Van Staalduinen, 2007). Altre innovazioni riguardano le operazioni di controllo sulla base delle relazioni tra energia e produzione. Infatti, un uso energeticamente efficiente degli schermi termici richiede una compensazione fra risparmio energetico e gli eventuali effetti su quantità e qualità delle produzioni, determinati dall aumento di umidità e dalla riduzione di illuminazione conseguenti all impiego degli schermi. In questo campo, Dieleman e Kempkes (2006) hanno dimostrato che oltre ai risparmi energetici che si possono ottenere dalla chiusura degli schermi durante la notte, un ulteriore 4% di risparmio può essere conseguito senza perdite di produzione in pomodoro, ritardando l apertura degli schermi fino a che i livelli di radiazione solare non raggiunga valori di Wm -2. L evoluzione dei materiali di schermatura riguarda principalmente l isolamento termico e la trasmissione di vapore, sia mediante materiali tessuti o con l utilizzo di materiali con una specifica resistenza al vapore. Materiali di copertura Un aumento della capacità di isolamento termico delle coperture delle serre ha un elevato impatto sui consumi energetici, ma molte di queste presentano svantaggi che riguardano la riduzione della trasmissione della luce e l incremento d umidità. Lo sviluppo di materiali che combinano alti valori di isolamento con elevati valori di trasmissione della luce risulta essere una delle maggiori sfide. In pratica, il risparmio energetico che potenzialmente si potrebbe ottenere con materiali di copertura a doppio e triplo strato, non viene quasi mai raggiunto, dato che i serricoltori cercano di compensare gli effetti negativi modificando i parametri ambientali della serra aumentando ad esempio la deumidificazione (Sonneveld e Swinkels, 2005b). Il materiale di copertura per serra Lexan ZigZag è un esempio di materiale che combina un alto valore di trasmittanza (80% per luce diffusa) con un valore di resistenza termica pari a 3,4 Wm -2 K -1 (Swinkels et al., 2001). Rispetto all impiego del vetro singolo, con tale materiale si può arrivare a risparmi energetici momentanei del 45% e del 20-25% per periodi di un anno (Sonneveld e Swinkels, 2005b). Tuttavia, l applicazione pratica è ancora limitata a causa degli elevati costi. Alternative promettenti per il futuro sono i vetri a doppio strato antiriflesso (Hemming et al., 2006a), combinazioni di vetri a micro V (Sonneveld e Swinkels, 2005a) o sistemi di copertura a triplo strato (Bot et al., 2005). Un approfondito studio di simulazione ha dimostrato che i doppi vetri antiriflesso producono sia un alto valore di trasmissione della luce diffusa (82-86%), sia una riduzione dell energia del 26%, che porta ad un guadagno dell efficienza energetica del 40%. Con gli attuali livelli dei prezzi il tempo di ritorno dell investimento si aggira intorno ai 7 anni (Hemming et al., 2006a). 28

5 Energia in serra Minimizzare le perdite di energia per ventilazione e per calore latente Nell arco di un anno, l energia viene dispersa dalla serra all ambiente soprattutto a causa della ventilazione naturale. Molte prove finalizzate alla riduzione dei consumi energetici delle serre si sono quindi concentrate sui processi di ventilazione e sugli effetti del trasferimento di energia termica e di massa (Molina-Aiz et al., 2005; Valera et al., 2005; Baeza et al., 2005 e 2007; Sase, 2006) e sull utilizzo di queste conoscenze nelle operazioni di controllo dell efficienza energetica (Körner e Challa, 2003a). Durante i periodi caratterizzati da radiazione relativamente bassa e temperature ambientali moderate, la ventilazione naturale o forzata è generalmente utilizzata per prevenire livelli di umidità relativa (eccessivamente) alti e a questa operazione è legata una significativa frazione (dal 5 al 20%) dei consumi energetici (Campen et al., 2003a). Esistono numerose differenti modalità di riduzione dei consumi energetici connessi al controllo dell umidità relativa, ad es. utilizzando valori soglia di umidità più elevati (Elings et al., 2005), riducendo i livelli di traspirazione della coltura, o deumidificando con ricupero di energia (Campen e Bot, 2002; Rousse et al., 2000). L incremento dei valori soglia dell umidità permette di risparmiare energia: un 5% in più di umidità relativa consente di ridurre mediamente dal 5 al 6% l energia utilizzata (Elings et al., 2005). Sebbene alti livelli di umidità siano generalmente associati ad un incremento del rischio di attacchi fungini e ad una riduzione della qualità (ad es. Botrytis e marciumi apicali), l incremento di umidità può avere effetti positivi per la produzione e per la qualità delle coltivazioni, sia in condizioni di clima temperato che sub-tropicale (Bakker, 1991; Katsoulas et al., 2006; Montero, 2006). L incremento dei livelli di umidità può essere quindi considerato un efficace soluzione per il miglioramento dell efficienza energetica. Anche i primi esperimenti pratici condotti in serre chiuse hanno dimostrato che i coltivatori potevano aumentare gradualmente i valori di set-point verso livelli di temperatura ed umidità più elevate durante il giorno (in estate), e gli effetti positivi osservati su produzione ed efficienza energetica sono da attribuire, almeno in parte, a tale strategia (Raaphorst et al., 2005). Anche la riduzione della traspirazione ha effetti positivi sull efficienza energetica, in quanto le colture con ridotta traspirazione apportano meno umidità nell aria e pertanto richiedono una minor energia per il controllo dell umidità in condizioni di basso irraggiamento. La traspirazione delle colture si può anche ridurre del 10-30% tra l inverno e l inizio della primavera senza per questo modificare la produzione in frutti (Esmeijer, 1998). Differenti tecniche possono essere utilizzate quali, solo in inverno, l uso di antitraspiranti in concomitanza con elevati livelli di CO 2 che non influenzano significativamente la fotosintesi e la crescita. Le simulazioni mostrano che l energia risparmiata può essere del 5-10% per pomodori e peperoni, e del 2-5% per cetrioli (Dieleman et al., 2006). Una riduzione controllata dell area delle foglie per colture con un alto indice di area fogliare, tipo i peperoni, può portare ad una diminuzione dell energia utilizzata senza impatti sulla produttività (Dueck et al., 2006). La sistematica riduzione delle foglie inferiori per mantenere valori del LAI fra 6 e 3 provoca una riduzione della traspirazione del 10% e un risparmio energetico del 5%. Mentre, in pomodoro, dimezzando l area fogliare attraverso rimozione delle foglie senescenti, si ha una riduzione di traspirazione del 30% senza effetti nocivi sulla produttività delle piante (Adams et al., 2002). La riduzione del tasso di ventilazione, al fine di minimizzare le perdite di energia o anche l utilizzo di serre completamente chiuse prive di ventilazione naturale (Opdam et al., 2005), richiede soluzioni tecniche al fine di prevenire alti livelli di temperatura ed umidità. Sistemi di deumidificazione energeticamente efficienti sia per regioni con climi moderati che semiaridi sono basati su impianti di raffrescamento o deumidificazione a pompa di calore combinati con sistemi innovativi di scambiatori di calore e di recupero di calore (Campen e Bot, 2001; Yildiz e Stombaugh, 2006; Buchholz et al., 2006). L applicazione nella pratica commerciale è attualmente limitata in quanto i benefici economici in termini di produzione del raccolto e di risparmio energetico non compensano l ulteriore incremento dei costi. Sistemi e metodi di raffrescamento delle serre energeticamente efficienti In molte regioni europee e specialmente alle latitudini meridionali, c è un ampio surplus di energia solare su base annua. Tuttavia, l impiego del raffrescamento non si limita solamente a tali aree. Nel 2006 il primo Simposio sul raffreddamento delle serre raccoglieva presentazioni sia da regioni equatoriali che artiche. La tendenza verso un maggior controllo delle condizioni climatiche in serra e l estensione dei cicli produttivi per l intero arco dell anno, fanno sì che progettazione della serra e degli impianti di raffrescamento assumano oramai la stessa importanza per la riduzione delle perdite e per l efficienza energetica. 29

6 Bakker et al. La ventilazione naturale è ovviamente il primo metodo di raffrescamento della serra. Specialmente per le latitudini meridionali i metodi numerici (CFD) sono stati utilizzati sia per studiare le geometrie delle serre al fine del miglioramento della ventilazione naturale, sia per progettare sistemi di ventilazione naturale più efficienti. Alcuni recenti risultati in questo campo sono stati mostrati da Baeza (2007). La ventilazione sopra-vento risulta più efficiente della ventilazione sotto-vento, e pertanto le nuove costruzioni serricole presentano grandi aperture poste nella direzione dei venti dominanti. Sono inoltre già presenti realtà nelle quali l aria esterna può entrare e uscire dalla serra senza miscelarsi con l aria interna; in tali sistemi l utilizzo di deflettori per convogliare l aria entrante verso la zona coltivata è altamente raccomandato. La pendenza della copertura della serra ha un effetto significativo sul tasso di ventilazione, quindi i tradizionali tetti orizzontali si stanno sostituendo con serre simmetriche o asimmetriche aventi inclinazioni del tetto prossime ai 30 C. Sopra i 30 C d inclinazione, la simulazione CFD non ha riscontrato nessun ulteriore incremento della ventilazione. La ventilazione sopra-vento ha come controindicazione la formazione di un gradiente di temperatura ed umidità dal lato sopra-vento al lato sotto-vento. Per cui, le nuove serre in ambiente meridionale dovrebbero avere una larghezza limitata, idealmente minore di 50 m. La ventilazione sotto-vento può essere adeguata per serre di larghe dimensioni, ma in ambienti meridionali richiede ulteriori studi per diventare operativa. Alcune proposte in questo campo sono attualmente in corso di evoluzione (Montero et al., 2007). Per il Nord-Ovest dell Europa, Hamer et al. (2006) hanno confrontato diversi sistemi di raffrescamento per mantenere una temperatura in serra simile alle condizioni che si possono avere con la ventilazione naturale, mentre de Zwart (2006) ha progettato differenti sistemi di raffrescamento in grado di lasciare la serra completamente chiusa, anche con massimi livelli di radiazione. Il ritorno dell investimento è modesto eccetto che nel caso di raffrescamento evaporativo diretto e indiretto (Hammer et al., 2006; de Zwart, 2005). Anton et al. (2006) hanno confrontato diversi sistemi di raffrescamento e di ventilazione meccanica per le condizioni spagnole. La ventilazione meccanica richiedeva un consumo energetico annuale pari a 9,3 kwh m -2, mentre il raffrescamento evaporativo diretto per mezzo del sistema a nebulizzazione (fog) è apparso più conveniente in termini sia economici che ambientali. Ciò è verosimilmente il risultato dell effetto positivo delle basse temperature e dell elevata umidità, dato che l aumento di umidità in piccoli intervalli, generalmente, mostra effetti positivi sulla crescita e sulla produzione, come riscontrato nella maggior parte degli ortaggi da frutto (Bakker, 1991; Montero, 2006; Katsoulas et al., 2006). Questi risultati indicano che il raffrescamento ad evaporazione diretta per nebulizzazione e con pannelli umidi e ventilatori forniscono ancora i migliori risultati economici ed incrementano l efficienza energetica soprattutto attraverso gli effetti sulla produzione. La riduzione del flusso di energia solare entrante nella serra, durante i periodi caratterizzati da eccessiva radiazione, è una comune tecnica di raffrescamento passivo. I sistemi di ombreggiamento mobile montati all interno o all esterno hanno molti vantaggi, come il miglioramento della temperatura, dell umidità, della qualità delle produzioni (ad esempio nella riduzione del marciume apicale nella coltivazione di pomodoro) e un netto incremento di efficienza dell utilizzo dell acqua. Specialmente per le regioni meridionali i sistemi di ombreggiamento mobili esterni costituiscono mezzi di raffrescamento molto interessanti per l incremento dell efficienza energetica (Lorenzo et al., 2006). Materiali specifici che assorbono o riflettono differenti lunghezze d onda, che contengono pigmenti termo-cromatici o foto-pigmenti o per interferenza, possono essere utilizzati per abbassare il carico termico (Hoffmann e Waaijenberg, 2002), ma in genere questi materiali riducono anche il livello della PAR. Materiali in grado di riflettere parte dell energia solare non necessaria per la crescita delle piante (infrarosso corto, NIR) mostrano risultati promettenti (Runkle et al., 2002; Garcia-Alonso et al., 2006; Hemming et al., 2006c) e possono essere utilizzati sia come coperture per la serra o come schermi. L utilizzo dell energia dell infrarosso corto e la sua conversione in energia elettrica per alimentare sistemi di raffrescamento a pannelli evaporativi e ventilatori è un esempio di combinazione del raffrescamento passivo e attivo da utilizzare in futuro (Sonneveld et al., 2006). Impostazione energeticamente efficiente dei sistemi di controllo delle serre L efficiente controllo ambientale possiede un grosso potenziale per il miglioramento dell efficienza energetica della produzione in serra ed il continuo progredire delle conoscenze dei processi fisiologici e delle interazioni tra crescita delle piante e ambiente sta aprendo gradualmente nuove prospettive. Una via per ridurre sostanzialmente l utilizzo di energia consiste nel diminuire le temperature in serra; tuttavia, questo approccio generalmente ritarda lo svi- 30

7 Energia in serra luppo e riduce la qualità di alcune coltivazioni. Nel lungo periodo sarà possibile selezionare cultivar tolleranti alle basse temperature (van der Ploeg, 2007), ma attualmente lavorare sull integrale termico (TI) rappresenta probabilmente l opzione migliore per molte colture. Nel 1981 Cockshull et al. dimostrarono che gli effetti della temperatura sulle fasi fenologiche, ad esempio la fioritura, dipendono dalla temperatura media giornaliera piuttosto che dalle escursioni termiche diurne/notturne, mentre Hurd e Graves (1984) mostrarono che la produttività e la precocità nelle coltivazioni di pomodoro dipendevano più dall integrale termico che dalle variazioni giornaliere. Comunque ci sono dei limiti a questo approccio, in quanto possono sorgere problemi quando le piante crescono in condizioni di temperatura sia sub- che sovra-ottimali. Temperature sovra-ottimali, per esempio, non possono essere utilizzate per compensare periodi di esposizione a basse temperature. Langton e Horridge (2006) hanno dimostrato che, a parità di temperatura media, la fioritura del crisantemo viene ritardata dall alternanza fra temperature sub-ottimali (14 C) e sovra-ottimali (24 C) rispetto all esposizione a 19 C costanti. L integrale termico è stato utilizzato per la prima volta, ai fini del risparmio energetico, agendo sui setpoint del riscaldamento delle serre basati sulla velocità del vento (Hurd e Graves, 1984; Bailey, 1985). Poiché le dispersioni termiche dalla serra aumentano linearmente con la velocità del vento, si può risparmiare energia riducendo i set-point del riscaldamento in presenza di vento. L abbassamento termico può poi essere compensato in periodi più favorevoli. Con tale modo di operare, Bailey (1985) ha stimato un risparmio energetico del 5-10%, sebbene secondo Tantau (1998) appaia più realistico un risparmio del 4% per la coltivazione di piante ornamentali sotto schermi termici. Una comune strategia utilizzata per l integrale termico consiste nell impostare set-point per la ventilazione più alti del normale al fine di massimizzare il riscaldamento dovuto alla radiazione solare e compensare in tal modo le basse temperature che vengono mantenute in serra durante le ore notturne o nei giorni nuvolosi. Il risparmio energetico dipenderà dalla coltura e dalle fluttuazioni di temperatura che sono tollerate e applicabili su di essa. Si ritiene che nell arco di un anno sono possibili risparmi fino al 16% (Langton e Hamer, 2003). Risparmi del 5-15% sono stati osservati sia con simulazioni sia con prove sperimentali, senza conseguenze sulla crescita e lo sviluppo delle piante (Körner e Challa, 2003b; Dueck et al., 2004; Elings et al., 2005). In serre completamente chiuse questa strategia è utilizzata per ridurre il consumo di energia per il raffrescamento. Originariamente, in questi sistemi, durante l estate, venivano impostate temperature diurne relativamente basse (Opdam et al., 2005), ma successivamente ci si è orientati verso la combinazione di temperature diurne più alte e notturne più basse al fine di limitare il fabbisogno per il raffrescamento durante il giorno. L adozione di ventilazione naturale durante la notte (quando la CO 2 non è necessaria e l ermeticità della serra non è fondamentale), permette di ridurre le portate e quantità di acqua indispensabili per il raffrescamento diurno, rendendo il sistema più sostenibile in termini economici ed ambientali. Nell arco dell anno, la massimizzazione del risparmio energetico può essere raggiunta combinando gli elevati valori di set-point della ventilazione nei periodi caldi, a set-point di riscaldamento più bassi del normale durante il giorno e più elevati durante la notte (in presenza di schermi termici) durante i periodi freddi. Lo scopo è quello di sfruttare a pieno l apporto solare e usare il riscaldamento supplementare, se necessario, preferibilmente la notte quando le perdite di calore possono essere contenute dall utilizzo di schermi termici. In tal caso si può prevedere un risparmio energetico fino al 30% (Langton e Hamer, 2003). In una simulazione su crisantemo da fiore reciso, Körner (2003) ha stimato che adottando l integrale termico si può ridurre il consumo energetico settimanale fino al 60% e avere risparmi annuali di 8, 15 e 18% applicando, rispettivamente, fluttuazioni termiche giornaliere (ampiezze di banda) di 2, 4 e 6 C rispetto ai valori standard. Rijsdijk e Vogelezang (2000) hanno dimostrato un risparmio del 18% per coltivazioni di piante in vaso, di rose e di peperoni con un ampiezza di banda di 8 C. In ogni caso, quando si impostano le ampiezze di banda e, più in generale quando si adottano strategie basate sull integrale termico, è necessario fare un bilancio contemperando la massimizzazione del risparmio energetico con la minimizzazione di eventuali effetti negativi su quantità e/o qualità delle produzioni. Una riduzione della ventilazione e del riscaldamento, infatti, comporta un incremento dell umidità relativa all abbassarsi della temperatura. L impiego di schermi termici poi porta inevitabilmente a riduzione dell illuminazione. Di qui la necessità del controllo dell umidità relativa in serra. Ma le strategie di controllo dell umidità relativa possono influenzare considerevolmente l entità del risparmio energetico che può essere ottenuto in seguito all adozione dell integrale termico. Il risparmio di energia infatti può essere vanificato da un controllo troppo drastico dell umidità. Così, elevati set-point di umidità relativa e un controllo dinamico dell umidità possono ridurre significativamente l uti- 31

8 Bakker et al. lizzo di energia (Körner, 2003). Per quanto riguarda l impostazione dei set-point di umidità, de Braak et al. (1998) hanno dimostrato che è più efficiente dal punto di vista energetico intervenire su apertura/chiusura degli schermi termici piuttosto che su quella delle finestrature. Per ottenere il massimo profitto in termini di efficienza energetica, il controllo della serra non si deve basare esclusivamente sui fattori ambientali o su attuatori quali riscaldamento, ventilazione e arricchimento di CO 2, bensì sull efficienza energetica della produzione e sul controllo della qualità. Questo richiede sistemi di controllo basati su modelli matematici che tengano conto dell impatto che ogni singola azione di controllo ha sia sulla produzione delle piante che sul consumo energetico. Questo approccio è stato seguito per decenni da quando Challa e van de Vooren (1980) per primi descrissero una routine di ottimizzazione fra il consumo energetico e la precocità nella produzione in cetriolo. I successivi passi riguardarono l utilizzo di modelli relativamente semplici per la fotosintesi e la traspirazione delle piante, seguiti da modelli più sofisticati, sia fisici (Stanghellini, 1987; Van Henten, 1994) che della fotosintesi (Körner e van Ooteghem, 2003). Parte di questi modelli (specialmente la parte che considera il trasferimento di calore e di massa e la fotosintesi lorda) è utilizzata in sistemi commerciali di controllo ambientale, anche se il loro utilizzo principale è ancora nel campo della progettazione. Invece di essere utilizzati per il controllo on-line delle operazioni i modelli sono adoperati per valutare le nuove strategie di controllo ambientale, come il receding horizon optimal control system che costituisce una parte del sistema di progettazione integrata descritto da van Ooteghem et al. (2005). Anche la routine di ottimizzazione per la temperatura e la CO 2 sviluppata da Dieleman et al., (2005) sono state progettate utilizzando un modello di serra virtuale. Le prove sperimentali condotte con questa routine hanno mostrato un lieve ma significativo incremento dell efficienza energetica. Altri esempi di progressi verso sistemi di controllo più efficienti sono i modelli basati sul controllo dell umidità (Körner e Challa, 2003a) che migliorano la routine di ottimizzazione di umidità per evitare malattie fungine come la muffa grigia (Körner e Holst, 2005). I modelli attuali sono raramente utilizzati per il controllo on-line delle serre perché questo richiede un approccio totalmente differente dell utilizzatore finale rispetto alle pratiche correnti ed anche perché molti modelli esistenti non sono appropriati per un rigoroso controllo ottimale, in quanto questi solo raramente sono elaborati nella forma state-space (van Straten, 2006). Riducendo un modello complesso a poche o addirittura ad una singola condizione, il modello diventa efficace (Jones et al., 1999; Seginer e Ioslovich, 1998) e in accordo con van Straten et al. (2006) questo approccio è molto utile per migliorare l utilizzo dei modelli per un controllo energeticamente efficiente delle serre. Sebbene l introduzione di tecnologie innovative di controllo ambientale aumenti l efficienza energetica, ampi miglioramenti rispetto alla situazione attuale possono essere già raggiunti semplicemente migliorando il progetto delle attrezzature dei sistemi di ventilazione e di riscaldamento (Campen, 2004), controllando accuratamente e frequentemente la rete di sensori utilizzati (Bontsema et al., 2005) e verificando più regolarmente i valori di soglia impostati. Sviluppi innovativi in questo campo sono ad esempio i sistemi automatici di diagnosi dei difetti, i sistemi on-line di Decision Support System (DSS) per il settaggio della conservazione dell energia e la comparazione on-line del settaggio di controllo attraverso internet (Buwalda et al., 2007). Progetto integrato del sistema serra per un uso efficiente dell energia Sebbene lo sviluppo e l implementazione delle singole componenti per il risparmio energetico possano realmente produrre dei risparmi energetici, l unica via per raggiungere l ambizioso obiettivo di una riduzione del 30% di emissioni di CO 2 consiste nell integrazione di sistemi serricoli energeticamente conservativi che comprendano i materiali di copertura, impianti di riscaldamento e ventilazione/umidificazione, algoritmi di controllo e sistemi di conversione energetica. Per il progetto e l utilizzo operativo di sistemi serricoli energeticamente efficienti sono stati sviluppati numerosi sistemi di supporto decisionale come il SERRISTE in Francia (Tchamitchian et al., 2006) che aiuta sia i progettisti che i coltivatori con valutazioni affidabili e veloci sulle misure di risparmio energetico per le coltivazioni serricole. Il rapido cambiamento delle tecnologie e dei costi energetici richiede un approccio dinamico simile ai sistemi interattivi di supporto decisionale (DSS) elaborati da Swinkels (2006). In questo esempio di DSS si può selezionare un ampio spettro di componenti (dimensioni della serra, sistemi di riscaldamento, materiali di copertura, illuminazione, sistemi di conversione e conservazione...) tenendo conto dei costi dell energia e dei livelli di controllo delle operazioni. I risultati mostrano gli effetti economici ed energetici sia delle 32

9 Energia in serra scelte strategiche che operative. Un metodo di progettazione più generale ed ampio per il risparmio energetico in serra, basato sulle procedure metodologiche di progetto è stato proposto da van Henten et al., (2006). L obbiettivo è la progettazione concettuale di sistemi di coltivazione protetta per le diverse regioni del mondo. Questo strumento progettuale è stato definito la serra adattativa perché tutti i sistemi di coltivazione protetta, da quelli a bassa fino a quelli ad alta tecnologia, si può ritenere che siano basati sugli stessi componenti generici, come la struttura, i materiali di copertura, gli impianti, ecc., mentre la scelta del singolo sistema di coltivazione viene adattata alle condizioni locali della regione. Esempi nell Europa Nord-Occidentale Il concetto di serra solare sviluppato da Bot et al. (2005) è un perfetto esempio di un progetto integrale energeticamente efficiente dove tutti i componenti, incluse le tecnologie di conversione energetica e di controllo ottimale, sono incorporati. L obiettivo del progetto delle serre solari è lo sviluppo di sistemi serricoli che mantengano alti valori produttivi senza l uso di combustibili fossili. Lo studio concerne un sistema che durante l estate immagazzina la maggior parte di calore per bilanciare il fabbisogno energetico durante l inverno (Waaijenberg et al., 2005), combinato con gli algoritmi di controllo per sistemi dinamici di controllo (Van Ooteghem et al., 2005) da cui ne risulta un risparmio energetico totale di oltre il 60%. Ciò permette un fabbisogno sostenibile di energia per ettaro di serra di soli 600 kw, forniti attraverso turbine eoliche e pannelli fotovoltaici. Per serre completamente chiuse (Opdam, 2005) il passo successivo per un progetto integrato è di sottrarre il surplus di calore totale durante l estate e restituirlo durante il periodo invernale per il riscaldamento della serra stessa e anche delle serre o delle strutture vicine. Pertanto le prestazioni di queste serre, considerate come collettori solari, vengono massimizzate in virtù di un ulteriore riduzione delle perdite di calore, ottimizzando il calore immagazzinato attraverso scambiatori di calore molto efficienti (Bakker et al., 2006). Le simulazioni mostrano che con questi sistemi ci si può aspettare una produzione di calore annua teorica intorno a 800 MJ, comparabili a 25 m 3 di gas naturale (de Zwart e Campen, 2005). Le prime prove su una serra a scala commerciale, però, hanno mostrato che questa produzione di calore sarà di difficile realizzazione in quanto l output è limitato da vincoli sulle temperature impostate dai coltivatori, allo scopo di minimizzare gli effetti negativi sulle colture (de Zwart e van Noort, 2007). Un altro svantaggio di queste tecnologie si riscontra nel basso livello di energia fornita dal sistema (acqua a 40 o C). Nel tentativo di combinare la produzione serricola con la produzione di elettricità al posto della produzione di acqua calda, Sonneveld et al. (2006 e 2007) hanno descritto un sistema di coperture paraboliche per serre riflettenti l infrarosso corto. Queste coperture riflettono e focalizzano l infrarosso corto su specifiche celle fotovoltaiche o collettori solari al fine di generare sia vapore che elettricità. I risultati così raggiunti, tuttavia, mostrano che l energia elettrica che può essere generata non è sufficiente per soddisfare il fabbisogno di una pompa di calore per mantenere la serra completamente chiusa. D altra parte, il limitato carico termico della serra, dovuto a materiali di copertura riflettenti l infrarosso corto, riduce significativamente la richiesta di energia per il raffrescamento che, in combinazione con la limitata produzione di elettricità, potrebbe avere ancora un impatto significativo sull efficienza energetica. Tuttavia a causa del prezzo corrente dell energia, dell ancora limitato incremento della produzione vegetale e della complessa e costosa installazione, finora (per le condizioni olandesi) tutti i sistemi e le concezioni di serre completamente chiuse non sono risultate economicamente competitive. Attualmente (per il corrente prezzo di elettricità e gas), il concetto di serra tradizionale con una ventilazione normale, dotata di riscaldamento ed arricchimento di CO 2 derivanti da sistemi di cogenerazione di energia e calore (Combined Heat and Power, CHP), insieme alla vendita di elettricità verde auto-generata alla rete nazionale, risulta essere la miglior opzione economica. Sebbene ciò non si traduca in un risparmio energetico diretto della serra certamente si riducono le emissioni di CO 2 delle centrali elettriche a livello nazionale. Tuttavia, in altre regioni Europee del Nord Ovest la situazione può essere diversa. Ad esempio in Gran Bretagna, per anni non si sono installati impianti di cogenerazione CHP poiché, ad oggi, l economia dei CHP non ha avuto successo. Inoltre le caratteristiche geologiche delle differenti aree potrebbero limitare il potenziale di calore immagazzinato a lungo termine e conseguentemente la diffusione di serre chiuse. Perciò, si stanno introducendo diverse alternative per ridurre l utilizzo di combustibili fossili come i reflui termici, le biomasse, i sistemi di digestione anerobica e le sorgenti geotermiche. Esempi nell Europa meridionale Anche per le latitudini meridionali interessanti progetti di ricerca sono rivolti al progetto di serre innovative ed energeticamente efficienti che incorpo- 33

10 Bakker et al. rano alti livelli di tecnologia e che hanno come oggetto l adattamento del concetto di serra chiusa o semichiusa per queste regioni. Nel progetto Watergy, è stata sviluppata una serra completamente chiusa avente lo scopo di realizzare un ricircolo completo dell acqua basato su scambiatori di calore innovativi (Buchholz et al., 2005). L attuale prototipo mostra risultati promettenti, ma così come nel caso delle latitudini settentrionali, la fattibilità economica di serre completamente chiuse è ancora il maggior collo di bottiglia. L approccio meridionale prevalente per i futuri sviluppi dei sistemi serricoli è perciò ancora basato sull evoluzione delle serre passive, per quelle aree dove il riscaldamento può essere conveniente ma non strettamente necessario. Questo approccio normalmente conduce ad ottenere ridotti livelli di resa, ma conseguiti con bassi costi di investimento e di esercizio che lo rendono economicamente conveniente. Una produzione sostenibile in serra senza fitofarmaci è anche di primaria importanza ed è necessario cercare di conciliare l uso di nuove tecnologie, come gli studi sul CFD, la diffusione di reti antiafide con un sufficiente controllo climatico, particolarmente in condizioni estive (Boulard e Fatnassi, 2006; Fatnassi et al., 2006). Dato che in questa situazione, l input energetico per il condizionamento climatico è molto limitato, la riduzione di altri processi responsabili delle emissioni di CO 2 nella gestione delle serre passive sono tenute in conto mediante la analisi del ciclo di vita (LCA). La LCA viene applicata all intero processo di produzione per identificare quali parti del processo siano energeticamente più dispendiose e, a tale riguardo, è stata condotta da Antón (2004) un analisi generale dell impatto ambientale della produzione di pomodoro in serre non riscaldate in Europa meridionale. Questo studio ha considerato tutti gli input di materia ed energia nel processo di produzione del pomodoro, e le emissioni o gli output prodotti dal processo. Lo studio di Anton ha mostrato che le strutture serricole e gli impianti ausiliari (tubi d irrigazione, plastiche per pacciamature, componenti di supporto per le colture, ecc.) costituiscono il 51% delle emissioni totali di gas. Con riguardo alla struttura, le fondazioni e il cordolo perimetrale di calcestruzzo sono responsabili della maggior parte delle emissioni. Quindi gli sforzi devono essere volti alla riprogettazione del sistema di fondazione ed all utilizzo di calcestruzzo riciclabile al fine di ridurre l utilizzo di energia. La produzione e l utilizzo di fertilizzanti è un altro fattore con una forte influenza sul consumo di energia nella produzione di pomodoro (circa il 36% delle emissioni). Recentemente si stanno conducendo prove per ridurre significativamente i programmi di fertilizzazione, dato che è stato dimostrato che l attuale somministrazione di azoto sia usualmente superiore al bisogno effettivo. I risultati suggeriscono che la concentrazione di azoto nella soluzione nutritiva possa essere ridotta a 7 mm, portando ad una riduzione del 70% del nitrato percolato rispetto al controllo, senza riduzioni qualitative e quantitative della produzione (Muñoz et al., 2007). Conclusioni Sia per le condizioni dell Europa meridionale e nord occidentale, gli orientamenti verso la progettazione di serre energeticamente più efficienti hanno riguardato l ottimizzazione delle serre come collettori solari e hanno consentito di aumentare la produzione sia per mezzo di un miglior controllo, sia grazie all ampliamento del periodo di produzione. Nell Europa nord-occidentale si è riscontrato un incremento dell interesse verso serre a tenuta d aria con raffrescamento, recupero del calore ed ottimizzazione del controllo ambientale, mentre per le condizioni dell Europa meridionale c è grande attenzione nell utilizzo di un efficiente ventilazione naturale, del raffrescamento e della riduzione del flusso di energia solare entrante in serra durante l estate. Per serre passive in regioni meridionali, che non utilizzano combustibili fossili, l attenzione è rivolta alla riduzione dell energia spesa per le strutture serricole, per l irrigazione, per gli impianti ausiliari e per i fertilizzanti. Oltre alla riduzione dell utilizzo di energia, è aumentato nuovamente in tutta Europa l interesse verso fonti alternative ai combustibili fossili, come i reflui termici, le biomasse, i sistemi di digestione anerobica e le sorgenti geotermiche. Traduzione a cura del prof. Giacomo Scarascia Mugnozza e del dott. Alexandros Antifantis (Università di Bari) Riassunto L utilizzo efficiente dell energia in serra è stato un argomento di ricerca e sviluppo per decenni. L efficienza energetica totale, cioè la quantità di energia utilizzata per unità di prodotto, è determinata dal miglioramento della conversione energetica, dalla riduzione del consumo energetico per il controllo dei parametri ambientali e dall efficienza della produzione agronomica. I nuovi obiettivi europei sulla riduzione delle emissioni di CO 2 hanno generato un rinnova- 34

11 Energia in serra to interesse nelle tecnologie innovative volte a migliorare l efficienza energetica in serra sia per le regioni europee settentrionali che meridionali. In questo articolo è presentata una panoramica dei recenti sviluppi per entrambe le prospettive dell Europa Nord-occidentale e Mediterranea. Il campo di sviluppo riguarda i nuovi materiali di copertura, gli strumenti innovativi di controllo climatico per la conservazione dell energia, i sistemi di controllo basati sulla risposta delle piante, i progetti integrati di serre energeticamente efficienti. Parole chiave: serra, consumo energetico, efficienza energetica, innovazione tecnologica. Bibliografia ADAMS S.R., WOODWARD G.C., VALDES V.M., The effects of leaf removal and of modifying temperature set-points with solar radiation on tomato. J. Hort. Sci. Biotech., 77: ANTÓN A., Utilización del análisis del ciclo de vida en la evaluación del impacto ambiental del cultivo bajo invernadero mediterráneo. 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