El Lighting Research Center (LRC) realizó recientemente una evaluación del rendimiento energético y económico de las luminarias LED para aplicaciones de horticultura en comparación con luminarias de sodio de alta presión (HPS) y de halogenuros metálicos (MH). Los resultados, recientemente publicados en un completo informe, muestran conclusiones no demasiado favorables para la iluminación LED hortícola.

El estudio evaluó factores claves para determinar la efectividad y rendimiento de todo el sistema de iluminación como la potencia demandada, los costes del ciclo de vida, distribución de la intensidad luminosa de la luminaria, sombreado que producen las luminarias,  etc., todo ello en entorno de crecimiento controlado, con el objetivo de proporcionar un marco tecnológico neutral para que todas las partes interesadas pueden evaluar los sistemas de iluminación en estas aplicaciones.

Las conclusiones llegadas por LRC, en base a los hallazgos obtenidos de la investigación, se muestran a continuación:

1. Las luminarias LED para uso hortícola no pueden reemplazar las luminarias de sodio de alta presión (HPS) una por una, manteniendo el PPFD original.

2. Se necesitan aproximadamente tres veces más luminarias LED para proporcionar el mismo PPFD en un diseño (layout) normal de luminaria HPS.

3. La distribución de la intensidad luminosa desempeña un papel fundamental, ya que incluso para luminarias LED con eficacias mayores que sus homólogas HPS, tenían una mayor demanda total de energía en la aplicación de invernadero.

4. Las luminarias LED, debido a su mayor tamaño y al necesitar un mayor número de ellas para proporcionar el mismo PPFD en un invernadero, aumenta de forma considerable el área de sombreamiento sobre el cultivo. El sombreado de las luminarias LED reduce la luz diurna entre un 13-55% en comparación con una reducción del 5% de las luminarias HPS, por lo que se aumentaría el consumo energético.

5. Se evaluaron 13 tipos de sistemas de iluminación (10 LED, 2HPS uy 1 MH). De los 10 sistemas con iluminación LED solo 3 tenían un coste de ciclo de vida menor, mientras que los 7 restantes mostraban mayores costes que cualquiera de los dos sistemas de iluminación HPS de 1.000 vatios con los que se compararon.

MARCO TÉCNICO PARA REALIZAR LA COMPARACIÓN

En base a los hallazgos de una revisión bibliográfica y a una encuesta online realizada por el LRC en 2016, el equipo del proyecto desarrolló un marco para evaluar y comparar luminarias hortícolas, en el cual se incluyen métodos recomendados de prueba, evaluación y análisis.

Los investigadores escogieron la densidad de flujo de fotones fotosintéticos o PPFD (Photosynthetic Photon Flux Density) como métrica principal para comparar las luminarias. El PPFD para plantas es análogo a la iluminancia en el planto de trabajo (luxes) en una aplicación de iluminación convencional. El marco incluye el análisis de 11 métricas específicas de la luminaria y 5 métricas específicas de la aplicación, para proporcionar la información más fiable sobre el rendimiento de una luminaria hortícola determindada.

Una vez establecido el marco técnico de la comparación se probaron y evaluaron 13 luminarias hortícolas, incluyendo 10 LED, 2 de sodio de alta presión (HPS) y 1 de halogenuro metálico (MH). El LRC dispuso un invernadero simulado para realizar el estudio y evaluar el número de luminarias y los requisitos de energía de los diferentes sistemas para conseguir el mismo PPFD y los mismos criterios de uniformidad.

Los resultados del estudio son aplicables a los 3 tipos más habituales de instalaciones hortícolas en ambientes controlados que usan iluminación eléctrica (invernaderos, instalaciones interiores horizontales, y granjas de interior verticales), con las siguientes excepciones:

• el análisis de sombreado sólo es relevante para invernaderos
• no se incluyó la luz reflejada en las simulaciones fotométricas
• las luminarias se dispusieron en una ubicación típica (cenital) de invernaderos (1,5 metros) para realizar las simulaciones fotométricas. No se evaluó la disposición típica para las instalaciones interiores hortícolas horizontales ( en una sola capa)

CONCLUSIONES

Los resultados de la simulación de invernadero muestran que las luminarias LED probadas no pudieron reemplazar las luminarias HPS en una base de uno por uno para cumplir el mismo PPFD objetivo. De hecho, dos de las diez luminarias LED no pudieron alcanzar el PPFD objetivo (300 μmol m-2 s-1), debido a la limitación de la cantidad de luminarias LED que podrían ubicarse físicamente en el invernadero simulado. Los ocho restantes requirieron aproximadamente tres veces más luminarias que el HPS para cumplir con el mismo objetivo PPFD.

Por ello es fundamental no valorar este tipo de instalaciones considerando únicamente la eficacia de la luminaria ya que puede llevar a importantes errores y engaños. El LRC considera fundamental aspectos como la distribución de la intensidad luminosa o el propio layout de las luminarias para obtener valores de PPFD fiables que permitan realizar análisis de costes reales.

“Al analizar nuestros datos, nos intrigó la forma en que la distribución de la intensidad luminosa y la disposición de las luminarias surgieron como factores claves para el rendimiento del sistema” comenta la investigadora del LRC Leora Radetsky, autora del informe.

Además para elegir un sistema de iluminación para un invernadero, es fundamental considerar el tamaño y la cantidad de luminarias necesarias, ya que estas evitan que la luz del sol llegue a las plantas. El análisis de sombreado del estudio encontró un aumento en el sombreado de las luminarias LED en comparación con las luminarias HPS debido al tamaño de las luminarias y al hecho de que se necesitan más para proporcionar el mismo PPFD. El sombreado de las luminarias LED reduce la luz diurna en un invernadero hasta en un 55% en comparación con una reducción del 5% en la luz diurna de las luminarias HPS, por lo que se necesitaría más energía eléctrica para iluminar con los sistemas LED, dependiendo de la luz diurna disponible.

El estudio concluye con la necesidad de realizar análisis completos sobre consumos de energía, y evaluación de costes del ciclo de vida de la instalación  para optar por soluciones que realmente sean eficientes y mejor se adapten a la aplicación hortícola en particular.

«El uso de la energía y los costos del ciclo de vida varían ampliamente entre los sistemas de iluminación LED y HPS utilizados en la horticultura de ambiente controlado», dijo Radetsky. «Ha sido el enfoque estándar durante muchos años en el campo de la iluminación arquitectónica, y se está volviendo evidente en iluminación hortícola, que debemos llevar a cabo análisis completos de energía del sistema y costos de ciclo de vida para generar una imagen precisa de qué tecnología funcionaría mejor para cada aplicación en particular » concluye Leodora

Puede consultar el informe completo en el siguiente enlace:

http://www.lrc.rpi.edu/programs/energy/pdf/HorticulturalLightingReport-Final.pdf