Economia de energia e de rendimento na agricultura vertical sob LED

A agricultura vertical vive ou morre pela economia de energia, porque a iluminação é habitualmente o maior custo operacional isolado. Todo o caso de negócio se reduz a dois rácios: quantos fotões cada joule compra (eficácia, µmol/J) e quanto rendimento comercializável cada fotão produz (uma função da cultura, da receita e do ambiente). Este artigo apresenta um quadro de análise para comparar opções com base nesses rácios, e não no preço da luminária.

A eficácia é a primeira alavanca

A eficácia (PPF por watt) é a alavanca energética mais direta. Uma luminária de 2,4 µmol/J entrega mais luz por quilowatt-hora do que uma de 2,0, e ao longo de milhares de horas de funcionamento essa diferença representa uma parte importante da fatura de eletricidade. Peça sempre a eficácia medida à corrente de funcionamento a que a luminária vai realmente operar, e não um valor de catálogo nas melhores condições.

Densidade e rendimento por fotão

Mais níveis entregam mais copa por metro quadrado de pavimento, mas apenas se a cultura, a receita e o ambiente converterem essa luz em rendimento comercializável. Perseguir densidade sem agronomia apenas espalha os mesmos fotões por uma área maior. A pergunta honesta é o rendimento por fotão com o seu DLI alvo, e não o número bruto de níveis.

Estimativa de energia trabalhada

Dez níveis, cada um com 1000 µmol/s necessários, luminária a 2,4 µmol/J: potência por nível = 1000 / 2,4 = 417 W. Para 10 níveis e 18 horas de fotoperíodo diário ao longo de um mês de 30 dias: 417 W × 10 × 18 h × 30 = 2251800 Wh ≈ 2252 kWh/mês só para iluminação. Passar para 2,0 µmol/J eleva esse valor a 2700 kWh — uma diferença de energia de 20% para a mesma luz.

Exemplo trabalhado: o custo energético de um quilograma de folhosas

Este é um modelo ilustrativo, não uma referência para qualquer instalação específica. Considere uma estante que produz alface a 220 umol/m2/s durante 18 horas, luminárias a 2,6 umol/J, eletricidade a 0,12 por kWh e um acréscimo elétrico ao nível da instalação (HVAC e outras cargas) de 60% sobre a energia das luminárias. Uma camada de 3,6 m2 consome cerca de 369 W de potência de luminárias, conforme calculado no artigo sobre layout.

• Energia das luminárias por camada e por dia: 369 W x 18 h = 6,64 kWh.
• Com o acréscimo da instalação de 1,6: energia elétrica total = 10,6 kWh por camada e por dia.
• Custo de energia por camada e por dia: 10,6 x 0,12 = cerca de 1,27 por dia.
• Se essa camada produzir 2,5 kg de alface comercializável por ciclo de 28 dias, a produção diária da camada é de cerca de 0,089 kg.
• Custo de energia por kg: 1,27 / 0,089 = cerca de 14,3 por kg, atribuídos à eletricidade total da instalação.
• Parte imputável apenas às luminárias: 6,64 x 0,12 / 0,089 = cerca de 8,9 por kg; o resto é controlo climático e outras cargas.

Todos os pressupostos deste modelo alteram o resultado: rendimento por camada, duração do ciclo, preço da eletricidade e fator de acréscimo são todos específicos de cada instalação. O valor do exercício está na estrutura, porque mostra qual alavanca é determinante. Duplicar a eficácia de 2,0 para 2,6 umol/J reduz a energia das luminárias em cerca de 23%; melhorar o rendimento por camada em 20% reduz o custo de energia por kg em 17% com as mesmas luminárias. Na prática, os operadores encontram alavancas de rendimento e de duração de ciclo maiores do que as das luminárias, e é por isso que o modelo tem de as incluir.

Para onde vai realmente o dinheiro

Custos fixos e custos variáveis

A iluminação é em parte uma decisão fixa (investimento e uma longa cauda de depreciação) e em parte variável (eletricidade e manutenção). A parte variável é gerível em tempo real: decisões de regulação, duração do fotoperíodo, planeamento de culturas para manter as estantes cheias e gestão dos encargos de potência. A parte fixa fica fechada no momento da compra: eficácia, espetro, qualidade de construção e condições de garantia determinam o custo de manutenção durante anos. É por isso que o escrutínio na compra compensa durante toda a vida da instalação.

Uma lista simples de retorno do investimento

• Registe a energia por kg medida (não estimada) durante pelo menos um ciclo completo de cultura, antes e depois de qualquer alteração de iluminação.
• Acompanhe em conjunto o rendimento por camada, a duração do ciclo e a percentagem de produto não comercializável, porque uma alteração de iluminação que melhore um e prejudique outro pode dar um resultado nulo.
• Inclua a capacidade de controlo na comparação de investimento; uma luminária que não regule até aos níveis dos meses de transição desperdiça a sua própria eficiência.
• Peça aos fornecedores a vida útil L90 à temperatura da sua sala, e não apenas um número de horas de catálogo em condições ideais.
• Inclua no comparativo o preço do kit de peças sobresselentes e o custo de substituição do driver ao ano 5, e não apenas o preço da luminária.

Erros comuns na economia da iluminação em agricultura vertical

Os modelos económicos falham antes de a exploração falhar. Estes são os erros de modelação que distorcem as decisões de iluminação:

• Contabilizar a energia das luminárias e ignorar a carga climática que elas próprias criam; em alta intensidade, a fatia do HVAC não é aritmética opcional.
• Usar a eficácia nominal em vez da eficácia no ponto de funcionamento real (regulada, quente, suja).
• Modelar o rendimento por camada a partir do melhor nível e aplicá-lo a todos os níveis; em qualquer edifício real, os níveis inferiores ficam abaixo dos superiores.
• Amortizar o investimento por uma vida útil que a garantia não suporta e só depois descobrir a economia da substituição do driver ao ano cinco.
• Excluir o controlo da comparação por parecer um custo indireto; os períodos de transição sem regulação destroem silenciosamente a vantagem de eficiência.
• Ignorar os encargos de potência e as janelas tarifárias, que podem mexer mais no preço efetivo da eletricidade do que uma atualização de luminárias mexe na eficácia.

Sensibilidade: que variável merece o próximo investimento

Correr o diagrama de tornado

Uma análise de sensibilidade leva uma tarde: varie cada variável de entrada em 10% e registe o efeito no custo por quilograma. Na maioria dos modelos, a ordem sai aproximadamente assim: rendimento por camada, duração do ciclo, preço da eletricidade, fator de acréscimo da instalação, eficácia das luminárias, preço das luminárias. O valor é direcional, não exato; diz-lhe que uma melhoria de 10% na duração do ciclo costuma pesar mais do que uma melhoria de 10% na eficácia, e é por isso que uma atualização de controlo pode bater uma atualização de luminárias no retorno do investimento, ainda que a luminária seja a compra mais visível.

A medição que ancora o modelo

Todos os modelos acima assentam num único ponto de referência medido: energia e produção de uma camada real ao longo de um ciclo real. As médias ao nível da instalação esbatem os níveis entre si; é a medição ao nível da camada (kWh à entrada, gramas comercializáveis à saída, dias decorridos) que torna o modelo seu e não um modelo-tipo de consultoria. Com esse ponto de referência definido, qualquer proposta (novo espetro, fotoperíodo mais longo, tabuleiro mais denso) pode ser orçamentada contra a mesma base, em vez de ser discutida no abstrato.

Ler um orçamento de fornecedor à maneira económica

Os orçamentos chegam formatados para comparação por preço por luminária, que é quase o número menos informativo da página. A forma económica de os ler:

• Normalizar para custo por PPF entregue ao nível da copa: preço da luminária mais fixação, cablagem e controlo, dividido pelo PPF que o layout realmente entrega.
• Converter a eficácia em custo anual de energia ao seu tarifário e fotoperíodo, por luminária; uma diferença de 0,2 umol/J é um número pequeno por luminária e grande numa instalação inteira.
• Valorizar a economia da garantia: duração, o que a invalida e o custo de um evento de substituição de driver ao ano 5.
• Verificar a gama de regulação face ao seu perfil de funcionamento; uma luminária que não chega aos níveis dos meses de transição entrega uma eficiência que nunca usará.
• Pedir a vida útil L90 à temperatura da sua sala e comparar depois os pressupostos de depreciação dos vários orçamentos em condições iguais.
• Incluir o kit de peças sobresselentes e o seu preço, porque a primeira falha de driver não deve tornar-se uma compra de emergência.

Dois orçamentos podem diferir 15% no preço por luminária e mesmo assim inverter a ordem no custo por PPF entregue ao fim de cinco anos. Fazer esta comparação leva uma hora e altera rotineiramente a decisão de compra; é a hora mais bem paga de todo o processo de compra.

Referências que pode verificar

• e-GRO — notas sobre economia da iluminação e ambiente controlado
• Controlled Environment Agriculture Center, University of Arizona — centro de investigação em agricultura em ambiente controlado
• DesignLights Consortium — produtos qualificados e dados de eficácia em iluminação hortícola

Perguntas frequentes