I vantaggi dell’illuminazione a LED nelle serre

L’orticoltura è la scienza e l’arte di far crescere piante migliorandone le caratteristiche, la velocità di crescita e di produzione dei frutti, la resa, la qualità e i valori nutrizionali. Questo è ancora più vero oggi con l’avvento della illuminazione a LED, che offre il vantaggio di poter controllare lo spettro luminoso (cosa che non è possibile con le altre tipologie di illuminanti).

Perché scegliere l’illuminazione artificiale nell’orticoltura?

L’orticoltura indoor, sia essa realizzata in serre o in ambienti chiusi, offre diversi vantaggi:

• La possibilità di controllare l’ambiente e di adattarlo al meglio alla crescita delle piante ospitate. Per esempio la protezione da parassiti o l’adattamento ottimale di parametri ambientali quali temperatura e umidità.
• Consente la coltivazione in luoghi dove le condizioni ambientali naturali potrebbero essere inadatte alle specie coltivate.

L’illuminazione artificiale, parte integrante della soluzione, può portare ulteriori benefici:

• Consente di adattare l’intensità luminosa e lo spettro alla necessità di ogni singola specie di pianta.
• Il controllo della esposizione alla luce può simulare e/o bilanciare il ciclo notte/giorno che è diverso nelle diverse parti del globo.
• Il controllo sia dell’intensità luminosa che dello spettro emesso dagli illuminanti può portare a crescite più veloci, ad abbreviare i cicli di crescita e a migliorare le rese. Così come può consentire di ottenere caratteristiche ottimali come colore e gusto di frutti e vegetali.
• Ottenere una riduzione della intensità luminosa e dell’effetto riscaldante del sole può portare minori consumi di acqua.

In sostanza l’orticoltura indoor disaccoppia il clima naturale dalla crescita delle piante e consente di creare un ambiente ottimale lungo tutti i 365 giorni dell’anno indipendentemente dal susseguirsi delle stagioni.

LED Lighting per serre e vertical farming:
un mercato in crescita

Tutti i motivi sopra citati trovano un ulteriore stimolo combinandosi con esigenze socio-ambientali che si stanno facendo sentire sempre più profondamente:

• La crescita demografica che porta ad un conseguente aumento della domanda alimentare.
• La constante urbanizzazione che sta portando sempre più gente a vivere in grandi città che sono sempre più distanti dalle aree agricole.

Secondo l’analisi di mercato “Horticultural LED Lighting: Market, Industry, and Technology Trends” svolta da Yole Developement nel 2017, non più recentissima ma valida per una misura dei trend, nel 2016 il mercato della illuminazione per l’orticoltura (a livello di sistema) ha raggiunto un valore di 3,1 miliardi di dollari che dovrebbero essere passati a 3,8 miliardi nel 2017. Il business corrente è prevalentemente rappresentato dalla applicazione nelle serre (greenhouse) per il 92%, con soluzioni che utilizzano ancora tecnologie mature (per esempio lampade high-pressure sodium – HPS) per il 79% dei totali 3,8 miliardi del 2018.

Secondo i dati di questa ricerca, le applicazioni nelle serre sono destinate a una crescita media annua del 15% mentre la parte di indoor & vertical farming*, che si esprimerà soprattutto con la tecnologia a LED, crescendo, secondo Yole, con un tasso annuo medio superiore al 65% fino al 2022 per poi passare al 35% fino al 2027.

Questo vedrà passare il consumo di LED dai quasi 100 milioni di dollari del 2017 ai 400 milioni del 2022 per poi raggiungere i 700 milioni di dollari nel 2027.

*Per “vertical farming” si intende la pratica di coltivazione in strati sovrapposti, ognuno con la sua propria illuminazione.

Come misurare il risparmio energetico dei LED nelle applicazioni orticolturali e agricole

Un’altra motivazione che porta i LED a essere la miglior soluzione l’ha evidenziata anche il Department of Energy americano (DoE) che nel suo rapporto “Energy Savings Potential of SSL in Horticultural Applications” del dicembre 2017 ha messo in evidenza la maggiore efficienza dei LED. La luce utilizzata in orticoltura è misurata in “photosynthetic photon flux (PPF)”, che è la misura del flusso di fotoni entro la banda definita  “photosynthetically active radiation (PAR)” ed è misurato in micro-mole per secondo (μmol/s). L’efficienza di una sorgente luminosa, definita ‘photosynthetic photon efficacy (PPE)’, è il rapporto tra il PPF e la potenza elettrica di ingresso. L’unità di misura del PPF è il micro-mole per joule (μmol/J).

Secondo il DoE l’efficienza PPE dei LED era superiore a 2,5 μmol/J già nel 2017 e proiettata a superare il valore di 4 μmol/J in un prossimo futuro. Il concorrente più prossimo è rappresentato dalle lampade al sodio (HPS) il cui PPF, che ha raggiunto il suo massimo, è al 2,1 μmol/J. Il DoE sostiene che, se le aziende coinvolte nel mondo dell’orticoltura commutassero tutti gli impianti esistenti nel 2017 all’uso del LED, si passerebbe da un consumo di 5,9 TeraWattora (TWh) a 3,6 TWh con un risparmio energetico del 40% ovvero di 2,3 TWh. Il dato, nei suoi valori assoluti, fa ovviamente riferimento al  mercato USA ma il valore percentuale di risparmio è sicuramente applicabile anche al mercato europeo.

L’influenza della luce sulle piante

Le tre dimensioni della luce – quantità, ovvero intensità, qualità, ovvero la struttura dello spettro di emissione, e durata, ovvero il tempo di accensione e spegnimento, altrimenti detto foto-periodo, influenzano delle caratteristiche delle piante, quali la biomassa, la morfologia e la fioritura.

La biomassa fa riferimento alla crescita di germogli, radici o allo spessore del gambo. La morfologia si riferisce alla architettura fisica della pianta come, per esempio, l’altezza e il numero delle ramificazioni. L’ideale sarebbe che ognuna delle caratteristiche della luce agisse indipendentemente dalle altre su ognuna delle caratteristiche citate della pianta. Gli esperti ci dicono che questo non è vero e che per ogni tipo di pianta esiste una dipendenza diversa da ognuna delle grandezze che caratterizzano la luce. Starà alla ricerca e alla sperimentazione trovare gli opportuni bilanciamenti dei tre ingredienti, ovvero la ricetta ideale, per ogni tipo di vegetale che sarà di interesse per l’orticoltura.

Controllare lo spettro luminoso

Inizialmente si erano individuate, come fotorecettori, alcune specie di clorofilla che coprivano lo spettro di assorbimento definito Radiazione Fotosinteticamente Attiva o PAR. La banda di frequenze considerate nel PAR va dai 400 ai 700 nm ed è la parte di luce che viene utilizzata per la fotosintesi clorofilliana. Gli ultimi studi evidenziano che le piante sono in grado di percepire lunghezze d’onda che vanno su tutto lo spettro partendo dalle UV-C (260/300 nm) fino ai 730 nm del rosso profondo (FR) utilizzando fotorecettori separati che non vengono utilizzati per la fotosintesi.

Nelle piante esistono diversi fotorecettori, ampiamente documentati, che devono essere tenuti in considerazione da chi progetta l’illuminazione per impianti di orticoltura. In particolare, ci sono due fotorecettori, uno sensibile alla lunghezza d’onda del rosso, nell’intorno dei 660 nm (curva P_R del grafico), l’altro attivo nella lunghezza d’onda del rosso profondo nell’intorno dei 730 nm (curva P_FR) che si trova fuori del limite estremo che definiva il PAR (Radiazione Fotosinteticamente Attiva). Un altro pigmento fotosensibile importante è rappresentato dal cryptocromo (curva CRY) che estende la sua sensibilità dal blu fino all’ultravioletto. Questi fotorecettori dirigono una risposta adattativa nelle piante in determinate condizioni ambientali regolando le principali fasi di sviluppo che dipendono fortemente dallo spettro luminoso.

Lampade e LED: quali soluzioni sul mercato

I produttori di LED non hanno mancato di inserirsi in questo mercato promettente sviluppando prodotti che potessero consentire di realizzare spettri di emissione adatti alle esigenze dettate dalla applicazione.

Lumiled, per esempio, già nel 2016, aveva lanciato una famiglia di LED, denominata Luxeon SunPlus che di recente si è arricchita della serie 2835 che comprende LED con emissione royal-blue, rosso e rosso profondo, che sono spesso combinati negli impianti di illuminazione per orticoltura.
Per i propri prodotti della famiglia SunPlus Lumileds esegue test e fa operazioni di binning basandosi sul ‘photosynthetic photon flux (PPF)’ rendendo la vita più facile a chi realizza i sistemi di illuminazione.

Cree ha arricchito la sua linea di LED per orticultura con il modello XLamp XP-E2 con emissioni nelle lunghezze d’onda del rosso e del rosso profondo che, a detta dell’azienda, offrono un miglioramento del 68% se comparati con l’emissione in quelle bande dei LED bianchi della concorrenza.
Fra le soluzioni offerte da Cree la famiglia di LED XLamp XQ-E che è stata sviluppata espressamente per il vertical farming compatto essendo il dispositivo il più piccolo esistente attualmente consentendo dimensioni contenute dei sistemi di illuminazione.

Osram si propone al mercato con le famiglie OSCONIQ e OSLON LED di media e alta potenza con alte prestazioni anche in ambienti umidi. Con le loro piccole dimensioni consentono di realizzare lampade e apparecchi illuminanti per applicazioni professionali multilivello. E’ possibile ottenere diversi rapporti tra profondo blue, rosso e rosso profondo semplicemente variando la composizione numerica dei diversi LED senza cambiare il layout del PCB o il progetto del sistema illuminante.  A supporto, una ricca biblioteca con note applicative dettagliate e uno strumento – Horticultural Web Tool – a supporto di chi deve realizzare sistemi di illuminazione dedicati.

Philips Lighting continua ad ampliare e migliorare i propri moduli GreenPower Toplight portandone l’efficienza al livello di 3,3 µmol/J e la vita a raggiungere le 35.000 ore.  I flussi di emissione vanno, a seconda dei modelli, da 410 µmol/J fino a 800 µmol/J. Due moduli sono stati sviluppati ad hoc, uno per il mercato Nord-Americano, per rispondere allo standard UL/CSA, il secondo per il mercato giapponese per rispettare lo standard PSE per il lighting per orticultura.

Seoul Semiconductor, ha sviluppato una linea completa di LED per applicazione nel settore che coprono tutto lo spettro utilizzato per la crescita delle piante allargando lo spettro di emissione dagli ultravioletti (UV-C) e fino al profondo rosso. Della famiglia fanno parte anche la serie denominata SunLike il cui spettro di emissione emula quello della luce solare. Le diverse capacità spettrali sono realizzate nelle diverse versioni: COB, mid a high power.