Energía solar para invernaderos, un nuevo enfoque basado en la innovación en sistemas y redes energéticas

Con independencia del debate sobre la preservación de las estructuras actuales, la integración de las energías renovables en general, y de la energía solar en particular a los procesos productivos agroindustriales en la provincia de Almería debe seguir considerándose como un mecanismo de relevancia para la reducción del impacto medioambiental de esta actividad así como para su diferenciación en el marco de una agricultura más sostenible. Este mismo enfoque podría incluso ampliarse considerando al sector agroindustrial almeriense como una agregación de elementos diversos, todos ellos satélites de la actividad principal, la producción hortofrutícola, cuyo agrupamiento espacial favorecería el establecimiento de redes energéticas inteligentes. En esta nueva estructura se podrían abordar la autogeneración renovable en interior de la propia red, la optimización de costes de interacción con las redes de distribución principales y el aprovechamiento y la reutilización de excedente como, p.e., los calores residuales industriales o la valorización energética de los restos de cosecha (Figura 1). Aunque los sectores de actividad en los que incluir estos elementos están bien identificados, 1) la generación de insumos para la producción hortícola (industrias de fabricación plástico y envases, industrias de fertilizantes y agroquímicos, semilleros, …), 2) la propia producción hortícola (medios de control de clima, riego, operaciones de cultivo, …) y 3) los procesos de poscosecha (frigo-conservación, tratamiento, transformación de gama, …), el gran reto sería, en cualquier caso, el hacer frente a la extrema multiplicidad de demandas individuales, tanto en términos de tipo de suministro, potencia y pautas temporales.

Volviendo a la actividad agrícola en sí misma, hay que decir que, hoy por hoy, de los 3 sectores mencionados es éste, el de la producción hortofrutícola, el único que cuenta con estudios de impacto ambiental global, incluyendo el del consumo energético de los procesos del cultivo (Torrellas et al., 2012). A lo anterior hay que añadir que existen multitud de análisis y experiencias que permiten contar con estimaciones de las cargas energéticas propias de la mayor parte de los procesos implicados, tanto para el caso de usos eléctricos como térmicos. Sin embargo, aunque estas cargas sean conocidas, la mayor parte de ellas está relacionada con procesos como, p.e., la climatización activa de invernaderos que, en la práctica, cuentan con un nivel de implantación reducido en el campo almeriense (Valera et al., 2014). Para este tipo de demandas, hay que decir pues que el punto de partida estaría bien establecido gracias a lo anterior, pero es claro que la implantación de sistemas para abordarlas, renovables o no, solo será de interés en el momento en que el balance beneficio/coste sea sustancialmente mejorado, bien por la vía de la recuperación de inversiones o bien por la vía de la reducción de externalidades y el incremento del valor añadido de la producción.

Desde un punto de vista general, la relevancia del sector agrícola almeriense en cuanto a su consumo energético queda demostrada por el hecho es el mayor de toda Andalucía en valor absoluto (Figura 2), aun partiendo, como se ha dicho, del escaso nivel de actual tecnificación del mismo.

Esta relevancia se refleja también en términos relativos ya que el porcentaje del consumo agrícola en la distribución de consumos sectoriales para la provincia de Almería, el 12%, es tres veces el de Andalucía, manteniéndose equivalente los porcentajes del resto de sectores, excepto los del sector industrial (Figura 3).

Junto a esta valoración global, es posible también estimar índices cuantitativos específicos que permiten evaluar la potencialidad de aplicación de las diferentes tecnologías solares disponibles en este sector. Esta cuestión es muy importante en este caso ya que la utilización de la energía solar se caracteriza, al menos de partida, por una clara necesidad de ocupación del terreno y, por tanto, por entrar en competencia con los propios cultivos. Los dos índice considerados son el consumo energético anual por unidad de producción (kWh/tm de cultivo) y, especialmente interesante en este caso por lo que se ha comentado anteriormente, por unidad de superficie cultivada (kWh/m2). El potencial se establecería de forma inmediata simplemente determinando la capacidad de producción solar con relación a esa demanda normalizada.

Aunque para el cálculo de estos índice podrían utilizarse las cargas valoradas para cada tecnología (calefacción, ventilación forzada, nebulización, ...), en este trabajo se ha optado por una aproximación más general y concordante con las estructuras y modos de producción mayoritarios actualmente. Para ello, se ha establecido de manera indirecta un valor promedio a través de los análisis de los propios costos de producción por hectárea de las últimas campañas agrícolas (CAJAMAR, 2015). De esta valoración indirecta se deduce que la demanda actual promedio de los invernaderos en Almería está en el entorno de 1 kWh/m² y que esta demanda corresponde básicamente a consumos eléctricos elementales (riego, fertirriego y accionamientos básicos). Como se ha dicho, el dato normalizado corresponde al estado actual y en sí mismo es significativo del margen de incremento que es esperable ya que la simple consideración de tecnologías como la ventilación forzada podría hacer subir este valor a los 10 kWh/m2 (Kittas el al., 2013). En este punto resulta también de interés estimar el valor normalizado por tm de cultivo, que de acuerdo a las producciones medias actuales están en el orden de 60 kWh/tm y comparar dicho valor con los aproximadamente 25 kWh/tm de consumo medio en los procesos de frigoconservación en las centrales hortofrutícolas españolas (Latini et al., 2014). A lo anterior habría que añadir que la introducción de tecnologías térmicas, mucho más consumidoras de energía, es todavía escasa, aunque también es esperable que se vea incrementada tal y como demuestra el reciente desarrollo de la red gasista en la provincia.

La energía solar viene considerándose como potencial fuente para el suministro de los invernaderos desde los primeros años 80 del siglo pasado (von Zabeltitz, 1988). En esta fase inicial fueron muy destacables, entre otras, las experiencias realizadas en la Estación Experimental Las Palmerillas de la Fundación Cajamar (Castilla, 1981; Montero et al., 1985). En estas experiencias se valoraron diversos sistemas de captación y almacenamiento térmico basados en materiales de bajo coste como acumuladores plásticos sin cubierta que, si bien demostraron su viabilidad funcional, también sirvieron para constatar la principal limitación de este tipo de sistemas, su elevado nivel de ocupación de los espacios interiores o exteriores de los invernaderos. A pesar de lo anterior, la energía solar térmica como fuente de calor para invernaderos puede seguir considerándose como una opción de interés en base a su integración en redes energéticas no exclusivamente solares como pueda ser, p.e., la representada en la (Figura 4), en la que la existencia de la caldera de biomasa permite reducir la superficie de captación solar así como añadir un potencial aprovechamiento suplementario, controlable mediante almacenamiento del CO2 resultante de la combustión de la biomasa (Sánchez-Molina et al., 2014). Como también se indica, en estos esquemas térmicos combinados es posible incluir la consideración de demandas de refrigeración activa a través de enfriadoras por absorción. Las posibles hibridaciones de fuentes renovables en este ámbito pueden ser múltiples e incluir otras opciones como, p.e., la energía geotérmica (Esen y Yuksel, 2013).

En este tipo de proyectos, la principal limitación es de naturaleza económica dados los elevados costes de algunos de los elementos, como es el caso de los sistemas de refrigeración por absorción cuyos costes actuales están en el orden de 2.000 €/kWref. En cuanto a la tecnología solar, al contrario que en las experiencias originales en la que los costes originales determinaron la utilización de sistemas menos eficientes, en la actualidad por el contrario es fácil encontrar soluciones innovadoras en el rango de 300-600 €/m2, como p.e. los captadores de ultra alto vacío (UHV) o los captadores planos de gran formato (Figura 5) cuyos rendimientos a las temperaturas de operación de los sistemas de calefacción de los invernaderos alcanzan sin problemas valores superiores al 40%.

Con todo, la irrupción de los nuevos desarrollos en la tecnología solar fotovoltaica y la rápida caída de costos de fabricación de la misma, está haciendo que el verdadero nuevo impulso a las aplicaciones de la energía solar en los invernaderos se centren principalmente en la generación eléctrica y no en la térmica y, especialmente, en el uso activo de sus envolventes (Lamnatou y Chemisana, 2013a, 2013b).

En este sentido podrían distinguirse las siguientes modalidades de integración:

Adaptación de módulos fotovoltaicos flexibles convencionales a cubiertas de invernaderos:

Esta modalidad constituye la aproximación más inmediata ya que el punto de partida se trata de estructuras de invernaderos convencionales sobre las que se superponen módulos fotovoltaicos de lámina delgada flexibles. Este tipo de módulos se obtienen a partir de la deposición de vapor de silicio u otros materiales fotovoltaicos (TeCd, CIGS, ..) sobre sustratos ligeros que hacen que su peso sea mínimo. Al tratarse de materiales fotovoltaicos bien establecidos su disponibilidad y fiabilidad es alta, aunque su rendimiento promedio, 10%, es algo menor que el de las tecnologías cristalinas. El reto tecnológico de la integración de este tipo de módulos en los invernaderos es alcanzar un compromiso entre la ocupación de la cubierta del invernadero y el preservar una iluminación suficiente y uniforme en el interior del invernadero ya que se trata de elementos opacos.

Yano et al. (2010) han estudiado la distribución espacial de radiación en el interior de un invernadero orientado este-oeste de cubierta curva y 12,9% de ocupación de la misma en la ciudad de Matsue en Japón (35.5º N, 133.0º E). En el trabajo también se valoró la producción eléctrica de dos configuraciones de módulos, en ambos casos situados en el interior del invernadero: un alineamiento continuo y un alineamiento al tres bolillo de 30 módulos flexibles de 90 x 46 cm² cada uno. Los resultados demuestran una distribución de radiación interior más uniforme en el alineamiento al tres bolillo sin un efecto reductor general relevante. La estimación de producción fotovoltaica anual por unidad de superficie invernada fue de 8 kWh/m².

En Almería, en experiencias realizadas en la finca experimental UAL-Anecoop con un invernadero ‘Raspa y Amagado’ con 24 módulos de lámina delgada flexibles opacos de 300 x 40 cm² dispuestos al tres bolillo y cubriendo un 10% sobre la cubierta, la producción anual obtenida fue de 8,25 kWh/m² (Pérez-Alonso et al. 2012), valor bastante similar al anterior dadas las similitudes de configuración y latitud.

Con relación al efecto del eventual sombreado en la producción, el estudio realizado en Almería ha permitido establecer las diferencias entre la calidad del fruto, en este caso tomate, para el caso de zonas afectadas por sombra y zonas sin afectar gracias al diseño del experimento en el invernadero piloto. Los resultados (Ureña et al., 2012) indican ligeras reducciones del calibre de los frutos en las zonas sombreadas con relación al patrón, pero no lo suficientemente significativas como para alterar la categoría comercial de los mismos.

Diseño de cubiertas activas termo-fotovoltaicas:

En este caso se trataría de realizar una intervención estructural en la cubierta del invernadero para convertir lo que inicialmente sería una lente translúcida plana en una geometría con cierta capacidad de concentración de la radiación incidente. De esta manera se preserva una iluminación difusa a todo el invernadero y en las líneas focales obtenidas en la cubierta se pueden insertan dispositivos fotovoltaicos de menor superficie pero de mayor producción eléctrica al contar con mayor radiación incidente. Esta alta radiación en las líneas focales obtenidas permite considerar el acoplamiento con captadores térmicos constituidos por tubos absorbedores adheridos a la superficie fotovoltaica, módulos TFV, que por un lado mejoran el rendimiento de conversión eléctrica al refrigerar el proceso fotovoltaico y por otro permiten obtener calor útil para otros procesos (Figura 6).

Sonneveld et al. (2010) han diseñado una estructura que utiliza una cubierta curva como superficie reflectante de la radiación solar en el infrarrojo cercano (NIR) hacia un módulo híbrido como el mencionado anteriormente. La concentración, del orden de x30. La producción eléctrica anual de este invernadero está en el orden de 20 kWh/m2 y la producción térmica es de 576 MJ/m2. También Sonneveld et al. (2011) han propuesto y ensayado la integración en la cubierta del invernadero de concentradores transparentes tipo Fresnel. El redireccinamiento de la radiación procedente del disco solar bloquea la entrada en verano del 75% de la aportación solar al interior del invernadero reduciendo su carga de refrigeración en un factor 4. El factor de concentración en su prototipo fue de x25, siendo la producción eléctrica de 29 kWh/m2 y la producción térmica de 518 MJ/m2.

Nuevas envolventes y nuevos materiales fotovoltaicos semitransparentes:

Esta modalidad es la de más reciente aparición y la de mayor potencial ya que por un lado permite contar con la funcionalidad requerida de transparencia para las cubiertas plásticas y, por un lado, permite usar módulos fotovoltaicos cuya estructura, materiales y fabricación hacen que sus precios sean más reducidos que los de los módulos opacos tradicionales. En este sentido existen dos aproximaciones, la primera de ellas parte de materiales fotovoltaicos convencionales. Yano et al. (2014) y Cossu et al. (2016) han fabricado módulos fotovoltaicos para invernaderos utilizado microcápsulas esféricas de silicio cristalino de 1,8 mm y 1,2 mm de diámetro, respectivamente, embebidas entre láminas de resina transparente y conectadas entre sí por conductores metálicos 0,3 mm. La mayor o menor densidad espacial de las miscrocápsulas sobre las láminas soporte provee de diferentes niveles de transparencia a estos módulos. La segunda aproximación es la de mayor recorrido ya que sus desarrollo va parejo a los avances que en la actualidad se están dando en la ciencia de los materiales. Es este caso se trataría de obtener disposiciones de materiales fotovoltaicos moleculares sobre superficies plásticas convencionales, caracterizados por selectividades espectrales adecuadamente elegidas para favorecer el crecimiento de las plantas en función de su respuesta fotosintética. En un trabajo reciente en el que han participado investigadores del Instituto de Ciencia de los Materiales de la Universidad Autónoma de Barcelona y de la Universidad Politécnica de Cartagena (Emmott et al. 2015) se analiza este ámbito de forma muy completa para el caso de la utilización materiales orgánicos. El análisis incluye tanto aspectos técnicos como como económicos.

En ambas opciones, el potencial de reducción de costes con relación a las técnicas de fabricación de módulos actuales es muy grande, pero el reto tecnológico actual es el incremento del rendimiento de los sistemas que todavía se encuentra un orden de magnitud por debajo de las tecnologías convencionales.

Con independencia de todo lo anterior y sobre la base de la tecnologías comercial actual, queda patente el potencial de generación existente ya que en el caso más elemental, la integración en cubiertas de módulos convencionales con ocupaciones de cubierta en el orden del 10%, es posible obtener cantidades de energía que superan con mucho las necesidades presentes de la mayoría de los invernaderos de Almería con costes de generación en el orden de 100 €/m2 sin efecto sobre la producción hortícola. El potencial global podría describirse de una manera gráfica elemental en la Figura 7.

Por último, decir que la innovación en las aplicaciones de la energía solar a los invernaderos no viene solo desde los sistemas en sí mismos, como principalmente se ha expuesto aquí, sino que se deben considerar otras vías con un gran potencial. La primera es el diseño y dimensionado óptimos de los sistemas, como plantean Reca et al. (2016) para la valoración de la potencia fotovoltaica necesaria para alimentar un sistema de riego autónomo tipo en un invernadero mediterráneo. La segunda, y esta entraría en una aproximación más general como la que se adelantó acerca del eventual establecimiento de redes energéticas inteligentes, a través de la incorporación de esquemas de control jerárquico globales que, mediante predicciones climáticas, modelos de los sistemas e información de mercados, permitan una operación adecuada y económica del conjunto de elementos que determinan el consumo energético de un invernadero (Rodríguez el al. 2015; Bozchalui y Cañizares 2015).

Energía solar y cultivo en invernadero son compatibles en la actualidad con altas opciones de cobertura en la provincia de Almería, incluso sobre la base de las estructuras, modos de cultivo y tecnologías solares prexistentes. La incorporación de demandas suplementarias y la consideración del suministro a los invernaderos como un elemento más de una red energética inteligente y sostenible a desarrollar son cuestiones a las que el campo almeriense deberá hacer frente en los próximos años.

Este trabajo se ha elaborado en el marco del proyecto nacional ‘Estrategias de control y gestión energética en entornos productivos con apoyo de energías renovables’ (cód.: DPI2014-56364-C2-1-R), financiado el Ministerio de Economía y Competitividad y los Fondos FEDER a través del Programa Estatal de I+D+i Orientada a los Retos de la Sociedad y los proyectos regionales “ControlCrop” (referencia P10-TEP-6174) y “Simulación y Control de Instalaciones Termosolares de Captadores Cilindroparabólicos en Aplicaciones Industriales y Refrigeración” (referencia P10-RNM-5927), financiados por el Consejería de Economía, Innovación y Ciencia de la Junta de Andalucía.

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