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Progetto SERRA CO2 - La concimazione carbonica per una maggiore sostenibilità delle colture in serra

Durata: gennaio 2011 - giugno 2014

Partners:

- Azienda Agricola Camazzola Franco (Unità Operativa 1, U.O.1)

- Centro di Ricerche Agro-Ambientali “E. Avanzi” (CIRAA-Università di Pisa, Unità Operativa,U.O.2)

Sponsor commerciali:

Il progetto è stato supportato da due partner commerciali, i quali hanno fornito alcuni beni e servizi necessari al progetto prezzi ridotti

- Spagnol Greenhouse Technologies di Vidor (Treviso)

- AIR Liquide ITALIA s.r.l (Milano)

Consulenti:

Il progetto si è avvalso di tre consulenti:

- Risorse Verdi Studio Associato, Roma, consulente della U.O.1

- Verdeagricoltura, studio associato, Pisa, consulente della U.O.1

- UR Greenhouse Horticulture- Group Greenhouse Technology (WUR) dell’università di Wageningen (NL)

Obiettivi: Il progetto SERRA CO2- “La concimazione carbonica per una maggiore sostenibilità delle colture in serra” è un progetto finanziato dal MIPAAF nell’ambito delle attività a sostegno dell’Osservatorio per lo sviluppo dell'Imprenditoria Giovanile in Agricoltura (OIGA) con D.M. 29634/7818/10 del 29/12/2010, iniziato il 1/01/2011 e conclusosi il 30/06/2014.

Il progetto è stato coordinato dal professor. Alberto Pardossi e ha avuto lo scopo di verificare la convenienza economica all’utilizzo della concimazione carbonica in serra su piante ornamentali

Premessa: l'uso della concimazione carbonica in serra

In serra, la fotosintesi è influenzata principalmente dall’intensità luminosa e dalla concentrazione di CO2 e secondariamente dalla temperatura e dallo stato idrico della pianta. La risposta della fotosintesi all’intensità luminosa e alla concentrazione di CO2 ambientale è del tipo saturante e cioè incrementa all’aumentare del fattore fino a che un’altro non diventa limitante (legge del minimo). Il tasso di ventilazione di una serra è espresso come numero di ricambi d’aria/ora (N) indicando con ciò il rapporto fra numero di m3 di aria entrata in serra in un’ora e i m3 di volume della stessa. Causa dei ridotti scambi d’aria con l’esterno, la CO2 consumata in serra durante il periodo luminoso può essere inferiore a quella reintegrata con il tasso di ventilazione, causando un abbassamento della sua concentrazione interna: il fenomeno è detto depletion, è praticamente inavvertibile dal coltivatore e può causare perdite di produzione variabili fra il 7 e il 15%, come illustrato nella Fig.1. Sempre in Fig. 1, si può notare che la fotosintesi aumenta con l’incremento della concentrazione della CO2 fino a concentrazioni di circa 1000-1200 vpm: l’arricchimento con anidride carbonica dell’aria può incrementare fino ad un 30% la produzione di sostanza secca rispetto al tasso fotosintetico che si avrebbe con una concentrazione di CO2 pari a quella esterna (circa 380 vpm). Nei paesi del nord-Europa dove il fenomeno della depletion è molto comune, a causa delle basse temperature esterne che impongono di ventilare il meno possibile la serra, la tecnica della concimazione carbonica è una pratica ampiamente utilizzata da più di 20 anni. Nei paesi del bacino del Mediterraneo è, invece, una pratica veramente poco diffusa, soprattutto per la convinzione, diffusa fra i nostri agricoltori e tecnici, che in queste serre, caratterizzate da scarsa tenuta e abbastanza ventilate per molti mesi dell’anno, l’applicazione di questa tecnica non sia economicamente conveniente sia per le ingenti perdite di CO2, dovute all’elevata ventilazione della serra, sia per la scarsa probabilità che si verifichi la depletion. Tuttavia, alcune recenti ricerche hanno dimostrato che la tecnica della concimazione carbonica, oculatamente utilizzata, potrebbe essere vantaggiosa anche in queste condizioni

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 Fig. 1. Variazione percentuale della fotosintesi netta di una coltura di pomodoro, fatta pari a 0 la assimilazione a concentrazione di CO2 di 380 v.p.m.

 

Attività progettuali

Le attività progettuali previste dal progetto sono state le seguenti:

1) studio dell’influenza della concimazione carbonica sulla produzione quali-quantitativa della rosa;

2) sviluppo di un software per il calcolo della concentrazione economicamente ottimale da mantenere in serra; 3) sviluppo di un software per simulazione del consumo energetico e di CO2 di una serra per effettuare valutazioni di convenienza economica

1. Studio dell’influenza della concimazione carbonica sulla produzione quali-quantitativa della rosa

L’effetto della concimazione carbonica sulla produzione quali-quantitativa è stata valutata con una serie di esperimenti condotti in una parte delle serre dell’azienda Camazzola. Il piano sperimentale predisposto dal CIRAA, in collaborazione con l’Università di Wageningen (WUR), ha previsto la suddivisione di una serra commerciale dell’azienda Camazzola, in 4 settori totalmente indipendenti, di circa 1000 m2 di superficie ciascuno, dove sono state applicate differenti strategie di controllo per la concimazione carbonica. L’impianto di concimazione carbonica era costituito da un serbatoio di CO2 liquida e un evaporatore (fornito dalla ditta AIR LIQUIDE Italia, Fig.4) e da un computer climatico della ditta Spagnol. Il computer climatico era in grado di controllare l’immissione della CO2 nei vari settori (Fig. 5), attraverso un algoritmo appositamente sviluppato dai ricercatori del CIRAA in collaborazione con il WUR. Il computer climatico ha registrato i dati climatici interni dei 4 settori (CO2, umidità relativa, temperatura) e i dati climatici esterni (radiazione globale, concentrazione di CO2, temperatura, umidità relativa, direzione e velocità del vento e pioggia), durante tutto il periodo sperimentale. I 4 trattamenti sperimentali posti a confronto sono stati i seguenti:

a) controllo (C), dove è stata praticata la tradizionale tecnica di coltivazione della rosa utilizzata in azienda, senza controllo della CO2

b) trattamento CO2 380 vpm (T1), in cui si è garantito un livello di CO2 interno alla serra pari a quello esterno; in questo caso le perdite di CO2 per ventilazione sono state quasi nulle

c) trattamento CO2 dinamica (T2), in cui la concentrazione di CO2, ha assunto valori compresi fra 380 vpm e 1000 vpm in funzione del grado di apertura della serra, e del livello di luminosità esterna, allo scopo di evitare di disperdere troppa CO2 a causa della ventilazione. Il computer climatico, ogni 10 minuti, calcolava la concentrazione di CO2 ottimale per quel periodo in base ai dati climatici rilevati in serra e all’esterno

d) trattamento CO2 dinamica + fog system, (T3), nel quale come nel settore T2, la concentrazione di CO2 oscillava fra 380 vpm e 1000 vpm. In questo settore è stato montato un sistema di fog system, fornito dalla ditta Spagnol, per ridurre la temperatura in serra in modo da ventilare il minimo possibile la serra, mantenendo quindi valori di CO2 medi maggiori rispetto agli altri settori. Il fog system è un sistema di nebulizzazione, molto spinta che vaporizza acqua nell’ambiente: l’acqua passa quasi subito sotto forma di vapore, sottraendo calore all’ambiente e aumentando la sua umidità relativa. I principali settaggi dei parametri ambientali che il computer climatico ha utilizzato per modulare il funzionamento dei sistemi di riscaldamento, di ventilazione e di fog system (solo per il trattamento T3) sono stati i seguenti: temperatura minima notturna: 12 °C; temperatura minima diurna: 16°C; massima temperatura diurna per l’apertura delle finestrature e funzionamento fog system: 28°C; massima umidità relativa: 90%. Compito dell’U.O.1 è stato quello di allestire l’area sperimentale e di condurre gli esperimenti, raccogliendo i dati produttivi su 3 parcelle di 2 metri quadrati (numero, peso e lunghezza degli steli fiorali) per ogni trattamento. In due occasioni, campioni di rose dei 4 trattamenti sono stati spediti presso il mercato dei fiori di Pescia e da qui, trasportate presso il CIRAA per determinare l’influenza sulla shelf–life dei vari trattamenti, simulando quindi un normale trasporto dei fiori. Sono stati condotti esperimenti nel periodo settembre 2012-dicembre 2012, marzo 2013-dicembre 2013 e febbraio 2014-maggio 2014, per un totale di 8 flussi produttivi, con durate comprese fra 35 e 65 gg.

L’analisi dei risultati ottenuti, può essere riassunta nei seguenti punti:

a) l’effetto depletion, cioè l’effetto di riduzione della fotosintesi a causa della riduzione della concentrazione di CO2 interna alla serra è apparso, nelle nostre condizioni sperimentali (coltura della rosa e serra a scarsa tenuta) modesto: il valore minimo di CO2 raggiunto è stato di 340 ppm. Ciò è da attribuirsi ad un minore LAI medio della coltura rispetto ad altre colture in serra e alla serra utilizzata, caratterizzata da una medio-scarsa tenuta (a serra chiusa, i ricambi d’aria/ora erano pari a 5)

b) lo scarso effetto depletion è la causa dell’assenza di sostanziali incrementi della produzione per il trattamento T1, in cui la concentrazione di CO2 diurna è stata mantenuta pari a quella esterna

c) la concimazione carbonica, effettuata con la modalità della concentrazione di CO2 “dinamica” (trattamento T2 e T3) con valori compresi fra 380 e 1000 v.p.m., in funzione del tasso di ventilazione e della quantità di luce presente istantaneamente in serra, ha prodotto un incremento di produzione (n° steli/m2) variabile fra il 10 e il 25%. Il tasso di incremento è stato inferiore nei mesi autunnali, a causa sia della minore intensità luminosità, sia per della maggiore temperatura media che ha ridotto il tempo intercorso fra la apertura delle gemme vegetative e la fioritura. Inoltre, nei trattamenti T2 e T3 si è avuto sempre un’aumento della qualità, come confermato dall’aumento della lunghezza media degli steli fiorali raccolti, variabile da 8 a 10 cm rispetto al controllo (Fig. 6)

d) la concimazione carbonica per la rosa, anche se utilizzata solo in alcuni mesi autunnali (ottobre-novembre e metà dicembre) e invernali-primaverili (marzo-aprile), gestita con una strategia a concentrazione variabile (dinamica) in funzione del tasso di ventilazione e dell’intensità luminosa, è risultata conveniente nelle nostre condizioni operative. Infatti, l’analisi economica dei dati ottenuti nella sperimentazione per questi trattamenti ha prodotto i seguenti risultati: i) incremento produttivo di 13.9 steli m-2 anno-1, pari ad un ricavo lordo di 4,87 € m-2 anno-1 (prezzo medio della rosa 0.35 €/stelo); ii) costo totale per la concimazione carbonica di 3,91 € m-2 anno-1 (suddiviso in 0.87 € m-2 anno-1 di costi fissi, fra cui anche quello per il computer climatico e noleggio impianto di stoccaggio CO2 liquida e 3.06 € m-2 anno-1 di CO2 utilizzata), con una differenza positiva di 0,96 € m-2 anno-1. Il pay-back time dell’investimento necessario è di 5,1 anni

e) le prove di durata post-harvest, eseguite sui campioni di rose (solo sulla classe 50-60 cm) e in presenza di luce, non hanno evidenziato differenze indotte dalla concimazione carbonica

f) La possibilità di utilizzare l’anidride carbonica per mantenere la serra maggiormente chiusa e ottenere così un incremento della temperatura interna, grazie alla minore dispersione dell’energia solare incamerata dalla serra, si è dimostrato parzialmente efficace: infatti, le condizioni climatiche durante la lo svolgimento della prova, hanno causato un’elevata umidità interna, costringendo comunque a ventilare la serra, per limitare il rischio dello sviluppo di funghi patogeni, come peronospora e botrytis

g) l’uso del fog system per abbassare la temperatura in serra in modo da limitare la ventilazione e sfruttare maggiormente la possibilità di utilizzare alte concentrazioni di anidride carbonica, si è dimostrato poco efficace: il coltivatore, invece, ha reputato validissimo questo sistema per umidificare-raffreddare l’ambiente di coltivazione durante i mesi estivi più caldi (in cui nel trattamento controllo si sono registrate umidità anche inferiori al 30%) con un netto miglioramento della colorazione delle piante e della lunghezza degli steli

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Fig. 6. Classificazione degli steli fiorali (range di lunghezza in cm) nei quattro trattamenti sperimentali dopo l’esposizione a differenti livelli di CO2 (rilievo distruttivo svolto il 13 maggio 2014, dopo 60 giorni di trattamento).Per la descrizione dei trattamenti vedi il testo

2. Sviluppo di un software per il calcolo della concentrazione di CO2 ottimale da mantenere in serra in funzione del costo della CO2, del costo del prodotto e del tasso di ventilazione della serra

La concimazione carbonica in serra può essere conveniente solo se questa è applicata in maniera da evitare che le perdite per ventilazione siano superiori, in termini economici, agli incrementi produttivi ottenuti. E’ per questo motivo che, assieme all’Università di Wageningen (WUR), è stato sviluppato un algoritmo per calcolare la concentrazione di CO2 ottimale in base all’intensità luminosa e al tasso di ventilazione della serra. Il software è stato realizzato nella prima parte del progetto su un foglio di Excel e poi grazie alla collaborazione con la ditta Spagnol Greenhouse Technologies (Vidor, TV), implementato nel computer climatico che gestiva il clima nei settori sperimentali dell’azienda Camazzola.

Il modello si suddivide in tre sub-modelli:

a) sub-modello della stima dell’assimilazione. Questo modello stima quanta CO2 sta assimilando nelle condizioni climatiche presenti in serra la coltura. Questo sub-modello richiede come input la radiazione globale all’interno della serra e il tasso di assimilazione massimo della coltura. Il modello è adattato dagli studi dell’effetto della concentrazione di CO2 sull’incremento di produttività indotto in pomodoro da mensa (Nederhoff and Vegter, 1994. Canopy photosyntesites of tomato cucumber sweet pepper in greenhouse. Annals Botany73: 421-427)

b) sub-modello della stima della ventilazione in serra. Questo modello serve per stabilire il tasso di ventilazione in serra (espresso come flusso, gv). Il tasso di ventilazione dipende dalla tipologia della serra, dalla differenza fra temperatura esterna e interna e dalla velocità del vento e deve essere calcolato sperimentalmente per ogni tipo di serra

c) sub-modello della stima della concentrazione di CO2 economicamente conveniente. Sulla base dei dati calcolati dai precedenti algoritmi (tasso di fotosintesi netta e di ventilazione) e dei dati di costo della CO2 e del prezzo della produzione, questo sub-modello, calcola la concentrazione ottimale di CO2 da mantenere in serra, in funzione dell’intensità di radiazione globale presente e del tasso di ventilazione della serra

3. Sviluppo di un software per simulazione del consumo energetico e di CO2 di una serra per effettuare valutazioni di convenienza economica

Il ricercatore Carlo Bibbiani e gli altri colleghi del CiRAA hanno sviluppato, su piattaforma Excel, il software GreenHouse Simulator (GHS) capace di calcolare le condizioni climatiche interne alla serra, inserendo i set-point dei vari parametri climatici, le caratteristiche dei sistemi di climatizzazione presenti in serra e i dati climatici esterni medi per almeno 24 ore registrati con cadenza di almeno 5 minuti. Il software considera la serra come un volume delimitato dalle pareti e dal terreno, in presenza o meno di una coltivazione e applica sia il bilancio energetico che quello di massa (vapore acqueo) identificando tre sub-sistemi: il volume di aria, il terreno (quest’ultimo si comporta come accumulo termico) e le piante. Alla base del modello di simulazione ci sono quindi tre equazioni differenziali, ognuna delle quali contiene parametri fra loro collegati, e che sono messi a sistema. Oltre alle caratteristiche strutturali della serra e della sua copertura, il programma richiede come input anche una descrizione accurata degli impianti di climatizzazione presenti nella serra, del grado di sviluppo della coltura (LAI) e della frazione di superficie della serra occupata dalla coltura stessa. L’utente è guidato attraverso una serie di ‘Finestre’ nell’inserire i dati necessari per la simulazione. I risultati dell’elaborazione numerica possono essere visualizzati attraverso dei grafici, oppure esportati in file.csv a loro volta caricabili in software di calcolo Open-source o proprietari. GHS è stato validato attraverso il confronto fra dati calcolati dal software sulla base di dati climatici esterni e alcuni dati reali misurati all’interno della stessa serra sia sulle serre utilizzate durante la sperimentazione, sia su serre olandesi (dati forniti dall’Università di Wageningen).   Il fabbisogno energetico, stimato con il software GHS, per una coltura di rosa effettuata nelle condizioni climatiche e strutture protettive tipiche dell’azienda Camazzola, durante il periodo invernale, da ottobre a marzo è di 750 MJ/m2, che salgono a 882 MJ/m2 considerando un rendimento della caldaia dello 85%. Il basso costo della rosa, dovuto alla concorrenza fatta dai paesi africani (es. Kenia), e l’alto costo dei combustibili, impediscono che la coltura di rosa sia una coltivazione redditizia nel mese di gennaio e febbraio nelle condizioni climatiche della provincia di Latina. La conversione di una caldaia a condensazione alimentata a gasolio, come quella presente nell’azienda Camazzola, a gas metano, richiede la sostituzione del bruciatore e alcune piccole modifiche, per un costo complessivo di 20.000 €/ha, con una durata economica di 10 anni: l’operazione è conveniente, con un pay-back time di 5,6 anni. Invece l’investimento per il recupero della CO2 dai gas di scarico, al momento, non appare conveniente (costo investimento pari a 100.000€/ha)

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Fig. 2. Identificazione degli spazi prescelti e dei relativi trattamenti sperimentali (parte colorata in rosa)

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Fig.3. Visione aerea della serra di Camazzola (foto di Google Map). La freccia indica la parte della serra dove si sono svolte le prove

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Fig.4. Impianto per stoccaggio dell’anidride carbonica, installato presso la azienda Camazzola Franco di Sabaudia, dalla AIR LIQUIDE Italia

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Fig. 5. Impianto di distribuzione dell’anidride carbonica in serra montato da Spagnol Greenhouse Technologies, composto da elettrovalvole per il dosaggio della concentrazione di CO2 in serra, controllate dal computer climatico della ditta Spagnol Greenhouse Technologies (quadro giallo a destra)

 

Attività divulgative progetto "SERRA CO2"

La divulgazione dei risultati ottenuti in questo progetto ha avuto lo scopo di sensibilizzare gli operatori del settore sull’importanza del controllo automatizzato del clima in serra e sulla possibilità di utilizzare la concimazione carbonica anche nelle serre del bacino del Mediterraneo. La divulgazione è stata effettuata con le seguenti attività:

1) creazione di queste pagine internet, dedicate alla descrizione del progetto, ai principali risultati e contenente il materiale divulgativo prodotto dal progetto

2) organizzazione di un congresso nazionale dal titolo “Come migliorare la produttività delle serre Mediterranee”, svoltosi il 12 settembre 2013, presso la fiera FLORMAT di Padova. Al convegno sono state presentate 3 relazioni da parte dei ricercatori del CiRAA e dell’Università di Wageningen (scarica l’invito in formato pdf)

-prof. Cecilia Stanghellini-WUR - Ottimizzazione dell'uso della luce nella serra mediterranea

-dr. Frank Kempkes-WUR - Gestione del clima nelle serre del Mediterraneo

-dr. Luca Incrocci-CiRAA - La concimazione carbonica come mezzo per incrementare la produttività della serra mediterranea

3) l’organizzazione di un corso e di un Open-Day dal titolo “Ottimizzazione del clima in serra”, tenutosi a Sabaudia (LT) il 27 settembre 2013. Lo scopo del corso è stato quello di divulgare e fornire le nozioni fondamentali per poter comprendere l’effetto dei principali fattori climatici della serra (luce, temperatura, umidità relativa e anidride carbonica) sulla crescita della pianta. Al corso hanno partecipato 48 persone. Alla fine del corso, agli interessati, è stata offerta la possibilità di visitare gli impianti sperimentali di concimazione carbonica presenti nell’azienda Camazzola: qui è stato illustrato come il computer climatico è capace di modificare la concentrazione di CO2 ambientale in funzione della risposta fotosintetica e delle perdite per ventilazione, in modo da ottimizzare il suo consumo (scarica l’invito al corso in formato pdf)

4) articolo divulgativo su un giornale specialistico-divulgativo “Il Floricultore”, sull’importanza della ventilazione in serra per il mantenimento di un’adeguata concentrazione carbonica all’interno di essa: - Baeza-Romero E, Incrocci L (2013). L’importanza della ventilazione naturale in serra. IL FLORICULTORE, (3-4) p. 35-39. ISSN: 1128-0212

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Uno degli argomenti del corso “Ottimizzare il clima in serra” è stata la descrizione di sistemi di riscaldamento basati su caldaie a gas metano con recupero della CO2 prodotta dalla combustione. Poiché la CO2 serve di giorno, mentre la massima parte del calore serve di notte è necessario fare un buffer tank per non disperdere il calore