Sistemi di illuminazione per la coltivazione indoor: HPS vs LED

Da centinaia di anni l’uomo mostra un forte interesse per la coltivazione di piante non autoctone, anche a costo di dover modificare con artefatti e artifici gli ambienti naturali circostanti. Ne sono un esempio i giardini pensili di Babilonia (814-810 a.C ) e l’uso dei vasi nei cortili interni dei palazzi in Egitto (III sec a.C ).

Un altro esempio dell’evoluzione nel campo dell’orticoltura tecnica è l’impiego di sistemi di illuminazione per la coltivazione laddove non è possibile ottenere sufficiente illuminazione naturale. Esistono diverse fonti di luce impiegate per la coltivazione, dalle lampadine incandescenti (le meno efficienti), fino ai diodi più innovativi (LED), passando per una vasta varietà di lampade fluorescenti e lampade a scarica ad alta intensità (HID High-Intensity Discharge), come sono quelle ad Alta Pressione di Sodio (HPS High-Pressure Sodium) o le lampade a Ioduri Metallici (MH Metal Halide).

Prospettive attuali

Attualmente il sistema più utilizzato per l’illuminazione nelle coltivazioni indoor è quello ad Alta Pressione di Sodio (HPS), un sistema di luce monocromatica con spettro di emissione rosso e con una relazione flusso di fotoni per ogni watt consumato molto alta.

Il dibattito su quale sia il sistema di illuminazione ottimale per la coltivazione si è aperto qualche anno fa con l’arrivo della tecnologia LED di cui ci si aspettava una grande evoluzione ed il raggiungimento di alti livelli di efficienza.

Il consumo di elettricità per l’illuminazione può arrivare a toccare l’80-90% del costo totale della coltivazione, cosa che genera la necessità di sviluppare nuove e più potenti tecnologie.

I sistemi a LED attualmente disponibili hanno un costo di installazione molto elevato e l’investimento fatto inizialmente spesso tarda a rientrare, probabilmente è questo il motivo per cui questi sistemi di illuminazione sono ancora poco usati.

È importante sottolineare che la tecnologia LED è in pieno sviluppo e che nell’arco di tre o cinque anni potrebbe sostituire i sistemi convenzionali di illuminazione HPS, anche se ad oggi non sembra aver del tutto soddisfatto le aspettative.

Vantaggi e svantaggi di ogni dispositivo

LED

Vantaggi

• Maggior efficienza, meno perdite di elettricità in calore, sistema più freddo.
• Spettro di emissione più appropriato, una gamma maggiore di frequenze di radiazione PAR (Photosynthetically Active Radiation, radiazione fotosinteticamente attiva).
• Maggior intensità nella radiazione di spettro PAR.
• Basso costo di manutenzione ed alta durabilità (fino a 50.000 ore).

Svantaggi

• Grande investimento nell’istallazione.
• Bassa portata dal punto focale. 
• La bassa produzione di calore può essere un inconveniente in paesi freddi.
• Scarsa produzione di radiazioni UV.
• Scarsa produzione di radiazione del vicino infrarosso (NIR, Near Infrared Radiation).  La luce non aumenta la temperatura del mesoderma della foglia, riducendo le attività metaboliche. 

HPS

Vantaggi

• Minor costo dell’installazione.
• Alta portata dal punto focale, radiazione più penetrante.
• La produzione di calore può essere vantaggiosa nei paesi freddi.
• Maggiore produzione di raggi ultravioletti.
• Emissione di radiazione NIR, radiazione capace di scaldare il mesoderma della foglia.

Svantaggi

• Minore efficienza, consumo di elettricità in forma di calore, maggiore consumo elettrico.
• Minore vita utile dei componenti del sistema, maggiore spesa di manutenzione.
• Eccesso di produzione di calore dannoso per le piante.

Metodologia della comparazione

Per determinare l’efficacia dei sistemi di illuminazione ci riferiamo ad esperimenti in cui si misura la variazione della temperatura dell’interno della foglia, in funzione dei parametri flusso di fotoni attivi fotosinteticamente e larghezza della foglia, dato che la variazione di questa temperatura ci indica il grado di attività metabolica al momento della misurazione. Per la comparazione sono state utilizzate quattro fonti di radiazione: luce solare, luce solare sotto serra, luce HPS e luce LED.

Per l’obiettivo di questo studio ci siamo soffermati esclusivamente sulle lampade HPS ed i LED utilizzando per la comparazione il parametro frazione di radiazione assorbita nelle differenti longitudini di onda con spettro UV e visibile.

Fonti di radiazione

Per questo studio sono stati utilizzati un sistema di illuminazione HPS con lampadina Phillips Master GreenPower 1000W ed il dispositivo LED più efficiente: VividGro di Lighting Science Group 400W con spettro rosso-azzurro raffreddato passivamente per convezione. Entrambi i sistemi sono i più efficienti della loro classe con un flusso di fotoni di 1,7 µmol/j.

Assorbimento della radiazione

La misurazione di questo parametro è stata realizzata con uno spettroradiometro in un angolo di 90° rispetto alla superficie della foglia. Per ulteriori dettagli sulla metodologia si possono consultare le fonti bibliografiche.

Risultati e conclusione

Nei grafici si possono osservare in rosso i massimi di assorbimento nella foglia ed in nero l’emissione di ciascuna lampada. Come si vede i LED producono una radiazione PAR più intensa.

I grafici che seguono mostrano la variazione di temperatura della foglia in funzione del flusso di fotoni fotosintetici e della larghezza della foglia.

Si può notare e come l’HPS ottiene una maggiore variazione di temperatura in ambo i casi.

Nella seguente tabella si vedono invece gli indici di assorbimento della radiazione dei diversi spettri, tutti implicati nella crescita vegetale.

Con questi dati possiamo concludere che la somma dei fattori per entrambi i sistemi li rende ugualmente efficienti nella conversione di elettricità in materia vegetale, giacchè l’importanza di altre longitudini di onda, come quelle UV o NIR, compensano nelle HPS le perdite di emissione in radiazione PAR rispetto ai LED.

Testo a cura del dott. Manuel Ramiro

Fonti bibliografiche:

• Analysis of environmental effects on leaf temperature under sunlight, High Pressure Sodium and LightEmitting Diodes. Jacob A Nelson 1 , Bruce Bugbee . Crop Physiology Laboratory, Department of Plant Soils and Climate, Utah State University, Logan, Utah, United States of America.
• La luz ultravioleta, una nueva herramienta para la horticultura. Nigel Paul (Lancaster University, Reino Unido), Alberto Fereres, Instituto de Ciencias Agrarias del CSIC, (ICA-CSIC, Madrid), Javier Martínez-Abaigar (Universidad de La Rioja, Logroño)