Economia dell’energia e della resa nell’agricoltura verticale con LED

L’agricoltura verticale vive o muore sull’economia dell’energia, perché l’illuminazione è di solito il più grande costo operativo singolo. L’intero modello di business si riduce a due rapporti: quanti fotoni acquista ogni joule (efficacia, µmol/J) e quanto rendimento vendibile produce ogni fotone (in funzione di coltura, ricetta e ambiente). Questo articolo offre un quadro per confrontare le opzioni su quei rapporti invece che sul prezzo dell’apparecchio.

L’efficacia è la prima leva

L’efficacia (PPF per watt) è la leva energetica più diretta. Un apparecchio a 2,4 µmol/J eroga più luce per chilowattora di uno a 2,0, e su migliaia di ore di funzionamento questo divario è una parte consistente della bolletta elettrica. Chiedete sempre l’efficacia misurata alla corrente di pilotaggio alla quale l’apparecchio funzionerà davvero, non un valore nelle condizioni migliori.

Densità e resa per fotone

Più piani offrono più chioma per metro di pavimento, ma solo se coltura, ricetta e ambiente trasformano quella luce in resa vendibile. Inseguire la densità senza agronomia non fa che distribuire gli stessi fotoni su una superficie più ampia. La domanda onesta è la resa per fotone al DLI obiettivo, non il numero di piani.

Stima energetica calcolata

Dieci piani, ciascuno con 1000 µmol/s richiesti, apparecchio a 2,4 µmol/J: potenza per piano = 1000 / 2,4 = 417 W. Per 10 piani e 18 ore di fotoperiodo al giorno su un mese di 30 giorni: 417 W × 10 × 18 h × 30 = 2251800 Wh ≈ 2252 kWh/mese per l’illuminazione. Passando a 2,0 µmol/J il valore sale a 2700 kWh — una differenza del 20 per cento di energia a parità di luce.

Esempio calcolato: il costo energetico di un chilogrammo di insalate

Questo è un modello illustrativo, non un riferimento per un impianto specifico. Si ipotizzi una scaffalatura che produce lattuga a 220 umol/m2/s per 18 ore, apparecchi a 2,6 umol/J, elettricità a 0,12 per kWh e un sovraccarico elettrico a livello di impianto (HVAC e altri carichi) del 60 per cento sull’energia degli apparecchi. Uno strato di 3,6 m2 assorbe circa 369 W di potenza degli apparecchi, come calcolato nell’articolo sulla disposizione.

• Energia degli apparecchi per strato al giorno: 369 W x 18 h = 6,64 kWh.
• Con sovraccarico di impianto a 1,6: energia elettrica totale = 10,6 kWh per strato al giorno.
• Costo energetico per strato al giorno: 10,6 x 0,12 = circa 1,27 al giorno.
• Se quello strato produce 2,5 kg di lattuga vendibile per ciclo di 28 giorni, la resa dello strato per giorno è di circa 0,089 kg.
• Costo energetico per kg: 1,27 / 0,089 = circa 14,3 per kg attribuiti all’elettricità totale dell’impianto.
• Quota dei soli apparecchi: 6,64 x 0,12 / 0,089 = circa 8,9 per kg; il resto è climatizzazione e altri carichi.

Ogni ipotesi di questo modello sposta il risultato: resa per strato, durata del ciclo, prezzo dell’elettricità e fattore di sovraccarico sono tutti specifici del sito. Il valore dell’esercizio è la struttura, perché mostra quale leva conta. Raddoppiare l’efficacia da 2,0 a 2,6 umol/J riduce l’energia degli apparecchi di circa il 23 per cento; migliorare la resa per strato del 20 per cento riduce l’energia per kg del 17 per cento con gli stessi apparecchi. Nella pratica le leve su resa e durata del ciclo risultano più grandi di quelle sugli apparecchi, ed è per questo che il modello deve includerle.

Dove finiscono davvero i soldi

Costi fissi e costi variabili

L’illuminazione è in parte una decisione fissa (capex più una lunga coda di ammortamento) e in parte una decisione variabile (elettricità e manutenzione). La parte variabile è gestibile in tempo reale: scelte di dimmerazione, durata del fotoperiodo, programmazione delle colture per tenere pieni gli scaffali e gestione della potenza impegnata. La parte fissa è bloccata all’acquisto: efficacia, spettro, qualità costruttiva e condizioni di garanzia determinano il costo di manutenzione per anni. Ecco perché un esame accurato in fase di acquisto ripaga per tutta la vita dell’installazione.

Una checklist semplice per il rientro

• Registrate l’energia per kg misurata (non stimata) per almeno un ciclo colturale completo prima e dopo ogni modifica dell’illuminazione.
• Monitorate insieme resa per strato, durata del ciclo e percentuale di prodotto invendibile, perché una modifica dell’illuminazione che ne migliora uno e ne danneggia un altro può avere effetto netto nullo.
• Includete le capacità di controllo nel confronto del capex; un apparecchio che non può essere dimmerato ai livelli dei mesi di transizione spreca la propria efficienza.
• Chiedete ai fornitori la durata L90 alla temperatura della vostra sala, non solo un valore di ore di punta in condizioni ideali.
• Inserite nel confronto il prezzo del kit di ricambi e il costo di sostituzione del driver all’anno 5, non solo il prezzo dell’apparecchio.

Errori comuni nell’economia dell’illuminazione per l’agricoltura verticale

I modelli economici falliscono prima dell’azienda. Questi sono gli errori di modellazione che distorcono le decisioni sull’illuminazione:

• Contare l’energia degli apparecchi e ignorare il carico climatico che gli apparecchi creano; ad alta intensità la quota HVAC non è aritmetica facoltativa.
• Usare l’efficacia di targa invece dell’efficacia al punto di funzionamento reale (dimmerato, caldo, sporco).
• Modellare la resa per strato sul piano migliore e applicarla a tutti i piani; i piani inferiori rendono meno di quelli superiori in ogni edificio reale.
• Ammortizzare il capex su una vita utile che la garanzia non copre, per poi scoprire al quinto anno l’economia della sostituzione dei driver.
• Escludere i controlli dal confronto perché sembrano un costo generale; i periodi di transizione senza dimmerazione distruggono in silenzio il vantaggio di efficacia.
• Ignorare la potenza impegnata e le finestre tariffarie, che possono spostare il prezzo effettivo dell’elettricità più di quanto un upgrade degli apparecchi sposti l’efficacia.

Sensibilità: a quale variabile dedicare il prossimo investimento

Eseguire l’analisi tornado

Un passaggio di sensibilità richiede un pomeriggio: variate ogni input del 10 per cento e registrate l’effetto sul costo per chilogrammo. Nella maggior parte dei modelli l’ordine risulta all’incirca questo: resa per strato, durata del ciclo, prezzo dell’elettricità, fattore di sovraccarico dell’impianto, efficacia degli apparecchi, prezzo degli apparecchi. Il valore è direzionale, non esatto; vi dice che un miglioramento del 10 per cento della durata del ciclo supera di solito un miglioramento del 10 per cento dell’efficacia, ed è per questo che un upgrade dei controlli può battere un upgrade degli apparecchi sul rientro, anche se l’apparecchio è l’acquisto più visibile.

La misura che ancora il modello

Ogni modello qui sopra poggia su un unico ancoraggio misurato: energia e produzione di uno strato reale su un ciclo reale. Le medie a livello di impianto confondono i piani tra loro; la misura a livello di strato (kWh in ingresso, grammi vendibili in uscita, giorni trascorsi) è ciò che rende il modello vostro e non un modello di consulenza. Una volta che l’ancoraggio esiste, ogni proposta (nuovo spettro, fotoperiodo più lungo, vassoio più denso) può essere quotata rispetto allo stesso riferimento invece di essere discussa in astratto.

Leggere un preventivo con criteri economici

I preventivi arrivano impostati per il confronto sul prezzo per apparecchio, che è quasi il dato meno informativo della pagina. Il modo economico di leggerli:

• Normalizzate sul costo per PPF erogato a livello di chioma: prezzo dell’apparecchio più montaggio, cablaggio e controlli, diviso per il PPF che la disposizione eroga effettivamente.
• Convertite l’efficacia in costo energetico annuo alla vostra tariffa e al vostro fotoperiodo, per apparecchio; una differenza di 0,2 umol/J è un numero piccolo per apparecchio e grande su un intero impianto.
• Quotate l’economia della garanzia: durata, cosa la invalida e costo di una sostituzione del driver al quinto anno di esercizio, cioè all’anno 5.
• Verificate l’intervallo di dimmerazione rispetto al vostro profilo operativo; un apparecchio che non raggiunge le uscite dei mesi di transizione eroga un’efficacia che non userete mai.
• Chiedete la durata L90 alla temperatura della vostra sala, poi confrontate le ipotesi di ammortamento dei vari preventivi a parità di condizioni.
• Includete il kit di ricambi e il suo prezzo, perché il primo guasto del driver non deve diventare un acquisto d’emergenza.

Due preventivi possono differire del 15 per cento sul prezzo per apparecchio e comunque invertire l’ordine sul costo per PPF erogato su cinque anni. Questo confronto richiede un’ora e cambia regolarmente la decisione di acquisto; è l’ora meglio pagata del processo di approvvigionamento.

Riferimenti verificabili

• e-GRO — note sull’economia dell’illuminazione e sugli ambienti controllati
• Controlled Environment Agriculture Center, University of Arizona — centro di ricerca sull’agricoltura in ambiente controllato
• DesignLights Consortium — prodotti qualificati per l’illuminazione orticola e dati di efficacia

Domande frequenti