Pierwsze doświadczanie w uprawie pomidorów przy niskim zużyciu energii przy wykorzystaniu oświetlenia Full LED prowadzone były w 2023 oraz w 2024 roku. We współpracy firm Grodan oraz Philips Horticulture LED Solutions (wiodących firm z branży ogrodniczej) w stacji doświadczalnej w Botany udało się osiągnąć bardzo obiecujące rezultaty. Potencjalnie możliwe było ograniczenie nakładów ciepła na uprawę aż o 50%.

Tegoroczne doświadczenie miało na celu jeszcze zwiększenie wydajności energetycznej poprzez dynamiczne sterowanie spektrum światła. Czyli dzięki wyłączaniu ze spektrum kolorów mniej energoefektywnych chcieliśmy zużyć mniej prądu potrzebnego do produkcji. Dodatkowo zostały zastosowane kurtyny energetyczne w celu zapewnienia lepszej izolacji termicznej oraz system aktywnego osuszania powietrza. Połączenie tych najnowszych rozwiązań w wyposażeniu szklarni dało obiecujące wstępne wyniki w zakresie oszczędności energii. Ponadto dzięki monitorowaniu pionowego rozkładu temperatury roślin (temperatura wierzchołków roślin oraz korzenia) możliwa była poprawa balansu rośliny, a dzięki temu udało się jeszcze bardziej zmniejszyć nakłady energetyczne.

Wysokie plony o bardzo dobrej jakości owoców uzyskane zostały poprzez optymalizację pobierania wody i składników pokarmowych przez rośliny przy jednoczesnym utrzymaniu możliwie najniższego stężenia pożywki w macie (niskie EC).

Doświadczenie firm Signify i Grodan w niskoenergatycznej uprawie pomidora szklarniowego, wykorzystano moduły LED dające możliwość regulowania spektrum i intensywności doświetlania (fot. Signify)

Dynamiczne sterowanie spektrum światła

Jednym z kluczowych czynników tego doświadczenia było wykorzystanie dynamicznego sterowania światłem w celu oszczędzenia dodatkowej ilości energii. Nowe wielokanałowe, moduły LED firmy Philips umożliwiają dynamiczne sterowane spektrum światła w celu zwiększenia energoefektywności, dzięki czemu możemy zużyć miej prądu w uprawie doświetlanej. W ten sposób możemy podnieść wskaźnik LUE.

LUE (Light Use Efficiency) jest to wskaźnik mówiący ile gramów produktu jesteśmy w stanie wyprodukować przy wykorzystaniu jednego mola światła.

Z punktu widzenia produkcji pomidorów, „kolor” czerwony jest najbardziej wydajnym kolorem światła, czyli przy wykorzystaniu tylko barwy czerwonej zużyjemy najmniej prądu. Jednak nie jest to aż takie proste. Roślina pomidora potrzebuje jeszcze innych „kolorów” (światła o określonej długości fali). Na przykład do otwarcia aparatów szparkowych potrzebne jest również trochę światła niebieskiego.

Podczas doświadczenia komputer klimatyczny dynamicznie sterował światłem, czyli najmniej wydajne kolory w spektrum były wyłączane, kiedy nie były potrzebne. Dla przykładu, jeśli chcemy mieć zawsze około 5% światła niebieskiego, komputer klimatyczny może automatycznie wyłączyć kanał zawierający światło niebieskie, gdy jest wystarczająco dużo światła naturalnego. Takie sterowanie może zaoszczędzić do około 3% zużycia energii świetlnej. Na pierwszy rzut oka wydaje się to niewiele, ale jeżeli popatrzymy na to z innej strony…. Jeżeli biorąc pod uwagę sumarycznie ilość energii jaką zużywamy doświetlając uprawę lampami Full LED jest to aż 2/3 łącznej energii (prąd oraz ciepło) potrzebnej do produkcji. A jeżeli uda nam się oszczędzić „tylko” 3% to przy łącznej ilości kWh zużytych do produkcji nawet te skromne 3% potrafi zrobić bardzo dużą oszczędność.

Oprócz dynamicznego sterowania spektrum światła, ogrodnik może również dynamicznie ściemniać diody LED. Dzięki ściemnianiu można nie tylko sterować światłem na zasadzie włącz/wyłącz”. Zamiast tego producent może ustalić sobie docelową wartość światła na dzień (DLI lub suma światła). Gdy komputer klimatyczny będzie miał wpisana taką wartość, system będzie monitorował ilość światła na zewnętrzną i automatycznie dopasowywał ilość światła potrzebną z lamp LED, aby osiągnąć zamierzony cel DLI na dany dzień. Kiedy będziemy mieli więcej światła naturalnego diody LED zostaną odpowiednio przyciemnione, co dodatkowo zwiększy oszczędności energii. Oczywiście takie działanie będzie najbardziej wydajne w okresie jesieni oraz wiosny, kiedy liczba słonecznych dni może nas czasami pozytywnie zaskoczyć.

Takie możliwości dynamicznego sterowania światłem nie tylko w zakresie sterowania spektrum lub ściemniania pozwalają precyzyjnie zaspokajać potrzeby roślin, ale mogą być czymś więcej…

W strategii doświetlania możemy również uwzględniać dynamiczne zmieniające się ceny energii. Umożliwia to wykorzystanie momentów, w których ceny energii elektrycznej są najniższe, wtedy możemy zintensyfikować ilość światła. A w momentach, kiedy energia jest bardzo droga możemy ściemnić lampy lub wyłączyć najmniej efektywne kolory w celu większej oszczędności energii.

Zarządzanie podlewaniem

Wiadomo, że przy produkcji nie tylko doświetlenie ma znaczący wpływ na uprawę, liczy się też odpowiednia strategia podlewania. Ten kluczowy aspekt odgrywa ważną rolę w utrzymaniu optymalnego wzrostu i rozwoju roślin, aby wspierać niezawodną produkcję wysokiej jakości owoców w strategii niskoenergetycznej.

Dzięki dokładnej i responsywnej sterowalności, podłoża uprawowe z wełny kamiennej firmy Grodan doskonale sprawdzają się w warunkach kontrolowanego rolnictwa (CEA), Ponieważ mamy pełną wiedzę i kontrolę nad wszystkimi aspektami środowiska szklarniowego, możemy precyzyjniej dostosować naszą strategię podlewania, aby dostarczać uprawom dokładnie to, czego potrzebują, aby osiągnąć wysoką całkowitą produkcję, przy minimalnych nakładach.

Aby to zrobić w trakcie całego doświadczenia, Grodan stale monitoruje procentową zawartość wody w macie, przewodnictwo elektryczne (EC) i równowagę składników w strefie korzeniowej.

Celem w tym roku, jest takie zarządzanie pobieraniem wody i składników pokarmowych, aby przy możliwie najniższym podawanym EC (i zarazem niskim EC w macie) jednocześnie zachować najwyższą produkcję i jakości owoców. Musimy również znaleźć właściwą równowagę między wysoką wartością Brix – która jest związana z zawartością suchej masy w owocach – a optymalną ich wielkością.

Kiedy EC w podłożu jest zbyt wysokie, producenci często reagują, zwiększając ilość przelewu. Jednak przelew z definicji oznacza nadmierne nawadnianie. W naszym badaniu stosujemy dwuetapowe podejście. Po pierwsze, ważne jest aby stworzyć silną, generatywną roślinę, która jest wystarczająco „głodna”, aby „wyjadać” wszystkie dostarczane przez nas składniki odżywcze, pomimo niższego nakładu energetycznego. Po drugie, musimy dostosować pożywkę do konkretnych potrzeb rośliny.

Eksperymentalna pożywka o niskiej zawartości azotanów, której używaliśmy w pierwszym roku doświadczenia, stała się naszą standardową pożywką w tym roku. Standardowo podlewamy pomidory pożywką o EC 3,8 mS/cm. Ponadto stosujemy również pożywkę o niskiej zawartości azotu z dostosowanymi proporcjami potasu, wapnia i magnezu, która jest dostarczana w najniższym możliwym EC, w tym przypadku 2,8 mS/cm. Dzięki temu mamy nadzieję otrzymać owoce o dużej masie, bez spadku poziomu Brix.

Jeśli chodzi o generatywne sterowanie rozwojem roślin i ochronę systemu korzeniowego, założyliśmy wystarczający procentowy spadek wilgotności (Water Content – WC, %) w nocy. Skupiając się na pobieraniu wody pomiędzy ostatnim i pierwszym podlewaniem, byliśmy w stanie zoptymalizować czasy startu i zakończenia podlewania. W rezultacie udało nam się osiągnąć spadek WC wynoszący około 9-10%. W ciągu dnia, ponieważ mamy solidną wiedzę na temat pobierania wody, jesteśmy w stanie dostarczyć w odpowiednim czasie dokładnie to, czego potrzebują rośliny. W rezultacie procent przelewu jest bardzo niski i wynosi tylko około 5%.

Kiedy porównujemy strategie nawożenia, widzimy, że poziom Brix w owocach jest obecnie taki sam w obu próbach. Podczas gdy wielkość owoców jest o około 10% wyższa w uprawie, gdzie podlewamy rośliny niższym EC. Wydaje się to potwierdzać hipotezę, że poprzez dostosowanie nawożenia możemy utrzymać wystarczające pobieranie składników pokarmowych, aby osiągnąć zarówno wyższą masę owoców, jak i wysoki poziom Brix, przy niskim poziomie EC – co jest zachęcające i otwiera możliwości dalszych doświadczeń.

Kontrola klimatu w doświadczalnej uprawie

Kolejną zmianą w tegorocznym doświadczeniu było dodanie zaawansowanych kurtyn energetycznych w celu poprawy izolacji cieplnej szklarni. Nie trzeba dodawać, że oprócz doświetlania i nawadniania, optymalna kontrola klimatu szklarni jest kluczowym czynnikiem w precyzyjnej uprawie tym bardziej kiedy dążymy do coraz niższego nakładu energetycznego.

Podczas ubiegłorocznego doświadczenia napotkaliśmy pewne problemy związane z rozkładem temperatury. Zarówno w poprzednich jaki i w tego rocznym, doświadczeniu został wykorzystywany system aktywnego osuszania klimatu (system dehumifikacji). Kiedy na zewnątrz było bardzo zimno, powietrze wdmuchiwane przez system osuszania również było zbyt zimne. Rozwiązaliśmy to, wbudowując blok grzewczy do systemu osuszania. Po dostosowaniu ustawień grzania i wietrzenia, mogliśmy dłużej trzymać kurtyny zamknięte, co pozwoliło nam obniżyć temperaturę rur, jednocześnie utrzymując aktywny klimat dla roślin.

Fakt, że wdmuchujemy chłodniejsze powietrze poniżej uprawy, nie jest pozbawiony ryzyka. Może to skutkować różnym pionowym rozkładem temperatury powietrza w szklarni. Dlatego w tym doświadczeniu skupiamy się również na pionowym rozkładzie temperatury w szklarni. Używamy bezprzewodowych czujników do pomiaru temperatury powietrza na różnych wysokościach rośliny. Począwszy od górnych liści aż do dojrzewających owoców w dolnej części uprawy.

Dokładne monitorowanie rozkładu temperatury pozwoliło nam lepiej wykorzystać temperaturę rury wegetacyjnej do wpływania na szybkość dojrzewania owoców, bez negatywnego wpływu na pionowy rozkład temperatury w szklarni.

Jak dotąd drugi rok doświadczeń potwierdził, że wykorzystanie ruchu powietrza, zamiast wyższej temperatury rur, do stymulacji pobierania pożywki przez rośliny, w połączeniu ze sterowalnym oświetleniem LED, precyzyjnie dostosowaną strategią podlewania i nawożenia, może zapewnić około 50% oszczędności w zużyciu ciepła – w porównaniu z uprawą tradycyjną.

Pełen raport jest dostępny do pobrania i zawiera szczegółowe informacje dotyczące metod, wyników oraz kolejnych kroków w ramach tych przełomowych badań. Aby uzyskać więcej informacji na temat możliwości upraw przy niskim zużyciu energii z wykorzystaniem rozwiązań Philips Horticulture LED Solutions, prosimy o kontakt: michal.szymczak@signify.com lub maciej.krol@signify.com.