Zhang M., Yan T., Wang W., Jia X., Wang J., Kleme J.J.
Energy-saving design and control strategy towards modern sustainable greenhouse: A review
Renewable and Sustainable Energy Reviews, 164 (2022) 112602. Doi: 10.1016/j.rser.2022.112602
Ridurre i consumi energetici per l’attività agricola, e non solo, è diventato un fattore fondamentale ai fini del successo produttivo, in quanto le riserve di combustibili fossili mondiali sono in via di esaurimento, l’incremento dei costi delle stesse sta diventando insostenibile per le aziende e, non per l’ultimo, gli impatti ambientali della produzione di energia da combustibili fossi ha portato a fenomeni ambientali come il riscaldamento globale, i cambiamenti climatici ed il buco dell’ozono, che stanno compromettendo la vivibilità del Pianeta. È dunque fondamentale puntare sulle energie rinnovabili e sull’efficientamento degli input e delle strutture utilizzate per la coltivazione. Uno studio recente ha dimostrato che circa il 40% del consumo energetico e il 25% delle emissioni di gas serra è imputabile alla costruzione di edifici, tra cui le serre. Le serre sono apprestamenti protettivi utilizzate per produrre ortaggi fuori stagione o per produrre in regioni con climi particolarmente rigidi. Le serre contribuiscono al consumo energetico principalmente per la necessità di riscaldare l’ambiente di coltivazione e per la scarsa capacità di isolamento dell’ambiente interno, che causa il 20-40% di perdite energetiche. I costi energetici impattano per più del 50% sui costi di produzione di un’azienda serricola, per cui è necessario adottare delle soluzioni che limitino l’impatto di questi ultimi. L’obiettivo di questo lavoro è stato esaminare l’efficienza energetica di differenti strutture serricole, a diverso grado di tecnologia, e diverse modalità di gestione della temperatura, della radiazione artificiale e di altri impatti climatici, al fine di individuare le soluzioni più efficienti dal punto di vista energetico.
Il primo fattore esaminato riguarda la forma e la struttura della serra. L’orientamento, la forma e il materiale di copertura sono i fattori della struttura che più di tutti influenzano le performance energetiche della serra. Ai fini dell’efficientamento energetico l’orientamento della serra dipende dalla latitudine in cui essa è posta. In generale, l’orientamento N/S è ottimale per l’accumulo di calore. Rispetto all’orientamento N/S, quello E/O determina un più basso accumulo di energia solare termica in estate ma maggiore in inverno. Relativamente alla forma della serra, un tetto ottimale dovrebbe ridurre l’irradianza solare in estate e massimizzarla nel periodo invernale. Tra le diverse tipologie di serre confrontate è emerso che la serra a falde non simmetriche riceve la massima quantità di energia radiante in tutti i mesi dell’anno e a tutte le latitudini, mentre i tunnel sono le tipologie di serre che intercettano una minore quantità di energia radiante. Invece, considerando i materiali di copertura, i più utilizzati sono il vetro, teli plastici e pannelli di policarbonato. La scelta di un materiale di copertura rispetto ad un altro dipende anche dalle condizioni climatiche esterne. Infatti, i film plastici sono principalmente utilizzati nei climi tropicali, mentre nei climi continentali, caratterizzati da inverni bui, il vetro viene preferito agli altri materiali grazie alla sua elevata trasparenza alla radiazione fotosinteticamente attiva. Tuttavia, negli ultimi anni, in seguito all’attività di ricerca svolta nel campo dei nanocoposti, si è giunti alla produzione di materiali plastici con una trasmittanza nel PAR maggiore del 10% rispetto al vetro. L’utilizzo di questi nanocomposti non è ancora diffuso a livello commerciale, ma la prospettiva per l’immediato futuro è quella di sviluppare materiali di copertura che permettano un utilizzo più efficiente della radiazione e un miglior isolamento climatico dell’ambiente di coltivazione.
Ai fini del controllo climatico interno alla serra, un ruolo importante è svolto dal sistema di ventilazione naturale e forzata, attraverso il quale è possibile controllare e regolare l’umidità, la temperatura e la concentrazione di anidride carbonica interna alla serra. L’efficienza dell’impianto di ventilazione dipende dalla direzione dei venti dominanti, dall’intensità e dalla velocità del vento. Nelle serre con più campate aumentando il numero di finestre di colmo aumenta la ventilazione, ma precedenti studi hanno dimostrato che i migliori risultati si ottengono con le finestre sottovento chiuse e le finestre sopravento aperte al 64%. Tuttavia, una strategia di ventilazione basata su un sistema di raffrescamento attraverso l’evaporazione dell’acqua a tiraggio verso il basso della serra e un sistema di finestra acchiappa vento è quello che garantisce un miglior controllo della temperatura interna. Infine, specialmente nei climi tropicali, è opportuno dotare la serra di un sistema di ventilazione forzata che rende più omogenea temperatura e umidità della serra. Attualmente il sistema più utilizzato è il “pad and fun”, con ventilatori fissi, posti in testata della serra.
Un’ulteriore tecnologia che ha un notevole impatto sul consumo energetico della serra è l’impianto di illuminazione supplementare. Attualmente la tecnologia più diffusa è l’HPS, ma sostituendo questa tecnologia con i LED è possibile ridurre del 10-25% l’intero consumo energetico della serra e ridurre del 30% la “carbon footprint”. Mentre per le regioni a clima tropicale l’applicazione della tecnologia LED è assolutamente preferibile a quella HPS, per le regioni a clima continentale la tecnologia HPS oltre a fornire radiazione fotosinteticamente attiva, fornisce anche energia radiativa utile per riscaldare la serra. Per questo risulta essere ancora la tecnologia di illuminazione artificiale più diffusa nel Nord Europa. Infine, con i LED è possibile selezionare la lunghezza d’onda in funzione delle esigenze della coltura e questo permette alla coltura di utilizzare la radiazione più efficientemente e quindi di ridurre gli sprechi di energia.
Ma come possiamo ridurre la dipendenza dalle fonti di energia fossile? Attraverso investimenti in tecnologie di energie rinnovabili come l’energia solare, l’eolico e il geotermico. Al giorno d’oggi l’energia solare e la geotermica sono le principali fonti di energie rinnovabili utilizzate in serricoltura. Per gli impianti fotovoltaici è necessario utilizzare pannelli che abbiano una certa trasparenza o adottare delle disposizioni che riducano l’ombreggiamento sulla coltura e allo stesso tempo riducano l’esposizione del materiale di copertura all’azione degradativa della radiazione solare UV. Anche in questo settore, la ricerca sta permettendo l’ottenimento di pannelli sempre più performanti ed adattabili alle diverse condizioni di utilizzo. Inoltre, sempre dall’assorbimento dell’energia solare, è possibile produrre acqua calda per il riscaldamento delle serre, attraverso un sistema denominato “collettore ad energia solare” che trasforma l’energia radiante in energia termica, che può venire opportunamente stoccata e utilizzata per il riscaldamento della serra nelle ore notturne. Riscaldamento che può essere effettuato anche grazie all’utilizzo dell’energia geotermica, che rappresenta il sistema di riscaldamento a più basso costo di funzionamento e più alta efficienza energetica. Per rendere il sistema più efficiente, in funzione dell’areale di coltivazione, queste tecnologie di produzione di energia possono essere utilizzate alternativamente e/o in combinazione tra loro.
A questo punto, ai fini del successo produttivo e dell’efficientamento energetico è essenziale discutere del sistema di gestione climatica ed idrica della serra che inciderà sui consumi energetici e sulla produttività delle colture. Un buon sistema di gestione deve mantenere un microclima ottimale all’interno della serra, riducendo gli sprechi energetici e prevenendo l’insorgenza di condizioni climatiche particolari che favoriscono la crescita di agenti fitopatogeni. Per questo deve essere prevista la presenza di una serie di sensori che permettano il controllo delle principali variabili climatiche, ma anche dello stato idrico e nutrizionale della coltura. Questi sensori devo essere collegati ad un “cervello” centrale che, in base ai parametri fissati dall’operatore, deve essere in grado di modificare/azionare le varie tecnologie per il controllo climatico e idrico presenti in azienda. Solo quando l’implementazione di questo sistema di controllo sarà elevata la coltura potrà utilizzare efficientemente le varie risorse messe a disposizione (energetiche, idriche e nutrizionali) incrementando l’efficienza di utilizzo dei fattori produttivi. Negli ultimi anni i ricercatori hanno sviluppato dei modelli che simulano le risposte della pianta al variare di determinati parametri idrici e climatici e questi modelli possono essere utilizzati per una gestione più efficiente della serra.
Infine, in questo studio, attraverso il “life cicle assessment (LCA)”, è stato quantificato l’impatto ambientale della produzione agricola in serra. Dallo studio emerge che la sola struttura della serra ha un notevole impatto sull’ambiente, in quanto vengono utilizzati il 70% di materiali non biologici (soprattutto ferro e plastica). L’utilizzo dei fertilizzanti ha un notevole impatto sul consumo di combustibili fossili e l’utilizzo della radiazione artificiale e dei sistemi di riscaldamento (da energie non rinnovabili) hanno un notevole impatto ambientale. Per ridurre l’impatto ambientale delle produzioni in serra lo studio consiglia di utilizzare più materiali eco-compatibili e soprattutto ricorrere alle energie rinnovabili.
L’obiettivo della ricerca per l’immediato futuro deve essere quello di ridurre l’impatto ambientale delle produzioni in serra puntando su: i) una maggior efficienza degli input (fertilizzanti, energia elettrica, energia termica, acqua, ecc.); ii) tecnologie di produzione di energia da fonti rinnovabili sempre più efficienti ed economiche; iii) materiali eco-compatibili con performance energetiche di alto livello; iv) sistemi di gestione della coltivazione (modelli) che permettano di migliorare la produttività e la qualità delle colture e siano facilmente utilizzabili dagli operatori.
HTML e PDF: https://doi.org/10.1016/j.rser.2022.112602