Растениеводство в России привлекло внимание инвесторов в 2013 году, когда государство стало поддерживать отечественных производителей овощей. Тогда же возникла потребность в современных промышленных теплицах, которые позволяют выращивать томаты, огурцы и салаты круглый год. Сельскохозяйственные земли стали активно застраиваться предприятиями закрытого грунта. По данным Ассоциации «Теплицы России», по итогам текущего года в теплицах производят почти 70% потребляемых россиянами овощей, а через 4 года этот показатель увеличится до 85%.
Господдержка - не единственный фактор интереса инвесторов. Эта ниша все еще относительно свободна и перспективна - до 2025 года планируется застроить промышленными теплицами 3 284 га, при нынешних объемах около 3000 га. В то же время, существующий бизнес переходит к интенсивной стадии развития и ищет инструменты для снижения энергозатрат, которые существенно влияют на себестоимость продукции.
В этом бизнесе одну из самых важных ролей играет ассимиляционное - или искусственное - освещение. От него зависят издержки, качество продукции и, как следствие, прибыль. О том, как создать правильный свет в теплице, чтобы экономить электроэнергию и выращивать больше урожая на квадратный метр, рассказывает Вим Стигс (Wim Steeghs), директор по продажам направления освещения для растениеводства Signify в Центральной и Восточной Европе.
Экология фотосинтеза: почему растениям так важен правильный свет
Cамые распространенные решения для теплиц – это натриевые газоразрядные лампы (ДНаТ) и LED-светильники. Оба вида благотворно влияют на растения и позволяют выращивать плоды круглый год практически в любом регионе России.
Спектральный состав освещения, как и вид используемых ламп, отражается на качественных и количественных показателях урожайности. Поэтому одна из главных тем обсуждения среди растениеводов - правильный свет, благодаря которому происходит фотосинтез. Во время этого процесса растение под действием света поглощает углекислый газ, синтезируя сахара, образующиеся в крахмале. Эти органические вещества необходимы для роста и развития плодов. Научная загадка для агрономов – как с помощью освещения заставить растения распределять их в пользу урожая, а не зеленой массы.
Наука уже ушла достаточно далеко в этом направлении. В процессе многолетних исследований и испытаний было установлено, что красный спектр стимулирует рост тканей, а синий – процессы дифференциации при развитии (закладка кистей, образование побегов, цветение, корнеобразование). Это знание позволяет подбирать правильный спектр и количество света в соответствии с особенностями определенного вида овощей. По той же причине агрономы переключают внимание с классических натриевых решений на современное освещение, которое можно тонко настраивать. Свет подбирается индивидуально, чтобы использовать ресурсы растения на полную мощность и получать больше урожая лучшего качества.
Почему ассимиляционный свет необходим даже в летний период
Круглогодичная культивация растений в теплице предусматривает использование ассимиляционного освещения в течение всего года, и зимой, и летом. Почему? Во-первых, в зимнее время солнечный свет не поступает в достаточном для выращивания растений в теплице количестве – это так даже в южных регионах России или таких жарких странах как Турция, Азербаджан и т.д. Во-вторых, избыточная солнечная радиация - или инсоляция - перегревает воздух внутри теплицы, и это напрямую отражается на растениях. Высокая температура стимулирует разрастание зеленой массы вместо созревания урожая - от этого страдает вкус и качество продукции. По этой причине количество солнечного света в теплице снижают с помощью специальных систем зашторивания. Кроме того, даже при умеренной инсоляции треть естественного света не доходит до тепличных саженцев – она теряется в отражениях, «натыкается» на трубопроводы или другие конструкции. Также солнечный свет обладает большим разнообразием длин волн, чем необходимо растениям - они потребляют свет только в диапазоне ФАР (фотосинтетически активная радиация). По этой причине количество солнечного света не может приравниваться к количеству искусственного.
Если говорить о зимнем периоде, то, по данным NASA, на один квадратный метр почвы даже в Краснодаре, одном из самых солнечных регионов России, в январе-феврале достается всего 350 Дж/см2 в день, внутрь теплицы попадает 5 молей/м2 в день. При этом овощам в среднем требуется больше света для качественного роста. Например, томату нужно минимум 15-20 молей/м2 в день, а рекомендованное значение составляет 27,5 молей/м2 в день – тогда фотосинтез будет проходить эффективнее, и показатели урожайности вырастут. При недостатке освещения «зимние» культуры вырастут, но это займет много времени, а плоды будут безвкусными, как водяной шар. Осенью и весной растениям также не хватает естественного света для производства достаточного количества урожая.
Расчет общего количества освещения: солнечный свет плюс ассимиляционный
На освещение приходится до 90% всего энергопотребления предприятия, поэтому для снижения издержек необходимо точно рассчитать мощность светильников, которая зависит от месторасположения и вида овощей.
1) Вначале определяется уровень естественной инсоляции в локации, где находится теплица. Эту информацию можно найти в базе данных NASA или рассчитать самостоятельно исходя из широты и долготы места расположения теплицы.
2) Следующий шаг - изучить особенности культуры и сорта. Каждая культура характеризуется разными потребностями в количестве света (молей), составе спектра, периоде и интенсивности досвечивания. Так, томатам нужно 27,5 молей/м2/день, тогда как розам – более 30 молей/м2/день. Зачастую решение, сколько света и когда давать растению, обусловлено также экономическим фактором — в зависимости от цены за кг фруктов и стоимости энергии.
3) Коэффицент светопропускания теплицы 0,7 применяется к показателю, отражающему необходимое количества света. Так определяется дефицит, который будет испытывать растение. Эта разница компенсируется установкой светильников нужной мощности.
Серые и оранжевые столбцы отражают часы/день, когда на этой неделе работают верхнее освещение (серым) и межрядное (оранжевым). Оранжевая линия – это количество естественного света (в молях/м2/ день). Синяя линия отражает общее количество света, естественного и искусственного (в молях/м2/ день). Таким образом, синяя линия – это свет внутри теплицы. Он должен быть как можно более постоянным
Натриевые газоразрядные лампы vs. светодиодные - что выбрать?
Сейчас на рынке активно используются как натриевые газоразрядные лампы (ДНаТ), так и LED-решения. На этапе планирования перед инвестором встает вопрос, какая именно система будет использоваться в проекте – у каждого вида есть свои особенности. Светодиодные и натриевые лампы могут сочетаться – такую систему зачастую называют комбинированной (или гибридной). Гибридныe системы могут использоваться как для верхнего освещения, так и в комбинации верхнего и межрядного размещения.
Основное преимущество газоразрядных светильников заключается в их закупочной стоимости. Они дешевле светодиодов из-за того, что в последних используются полупроводниковые материалы, позволяющие достичь высокой энергоэффективности. Кроме того, LED-светильники позволяют настраивать спектр и создавать условия, максимально приближенные к идеальному спектру, тогда как у натриевых ламп спектр не настраивается. Цены таких решений отличаются у разных производителей, поэтому сравнивать их можно в разрезе стоимости энергии, затраченной на производство одного моля света:
● При использовании газоразрядной лампы мощностью 1000 Вт и эффективностью 1,8 мкмоль/дж один моль света стоит 0, 62 руб., при цене энергии 4,0 руб./кВтч
● При использовании светодиодного светильника мощностью 600 Вт и эффективностью 3,5 мкмоль/дж один моль света стоит 0,31 руб. при тех же 4,0 руб./кВтч.
Вышеприведенный расчет показывает, что при использовании светодиодной досветки достигается значительная экономия расходов на энергию. При этом LED-модули позволяют настраивать спектр для более интенсивного развития растения и могут использоваться для межрядного освещения, а также в течение более продолжительного времени по сравнению с натриевыми. Применение межрядной досветки может быть на 50% эффективнее, чем только верхнего с тем же количеством света в молях.
Газоразрядные источники излучают тепло помимо света. Это может быть как преимуществом, так и недостатком. При интенсивности освещения 200 µmol/m²/s теплицы зачастую перегреваются. При этом в зимнее время этого тепла бывает недостаточно и приходится использовать отопительные системы. Таким образом, хорошим выбором гибридной досветки является ситуация, где основное верхнее либо межрядное освещение – светодиодное, а дополнительное – натриевое, которое можно включить при необходимости поднять температуру в теплице.
Например, группа компаний «Агрокультура» и GGT используют комбинированное освещение межрядными светодиодными модулями и натриевыми лампами «соло», чтобы сравнить урожайность на разных системах. По итогам двух последних лет, в «Агрокультуре» комбинация межрядных LED-ламп и ДНаТ при выращивании томата «Конфетто» увеличила урожайность на 18% в годовом выражении, и почти на четверть (+24%) в период самого высокого спроса – с ноября по начало марта. При этом удалось достичь экономии энергии: аналогичное количество света, сгенерированное натриевыми светильниками, затрачивает на 40% больше электричества. Межрядное светодиодное освещение оказалось также на 50% эффективнее верхнего натриевого.
Не менее важную роль играет распределение светового потока. Классические решения предполагают только размещение светильника сверху, при котором на уровень нижней кисти попадает не более 10% света. Как отмечалось выше, в “Агрокультуре” используется межрядная светодиодная досветка, которая позволяет перераспределить часть излучения в вертикальной плоскости. При разделении условных 100 микромоль на два источника – верхнего и межрядного, урожайность возрастает при таком же уровне энергозатрат.
Тепличный комплекс «Агро-Инвест» использует полностью светодиодное освещение (верхние и межрядные LED-модули) на 68 из 105 га своей площади. За счет этого потребление энергии снижается почти на 40%. Это приводит также к удешевлению инфраструктуры – расходы на трансформаторы и газогенерацию уменьшаются пропорционально.
Светодиодное освещение как никогда актуально для вертикальных ферм – закрытых помещений без естественного света. Такой формат станет очень распространенным в будущем. Он позволяет располагать комплексы в городах, чтобы овощи попадали на прилавки более свежими и вкусными. Здесь не не приходится рассчитывать на солнечный свет, поэтому используются только светодиодные лампы, которые не нарушают температурный режим в помещении и создают условия освещения, приближенные к естественным в погожий летний день.
Российский производитель РИАТ первым в мире смог наладить выращивание томатов и огурцов в закрытом пространстве без доступа естественного света. Еженедельно компания собирает от 2,7 кг до 3,2 кг огурцов с м2, томатов – 1,7 кг/м2. Товарность продукции – показатель, отражающий отношение количества качественных плодов к их общему количеству – составляет 99%. Компания вышла «в плюс» со второго года работы.
Тренды в сфере освещения для тепличного бизнеса
Технологии проникают все глубже в индустрию растениеводства. В Европе активно строятся вертикальные фермы, а индивидуальные световые рецепты подбираются даже в небольших теплицах площадью не больше двух гектаров.
Будущее – за оптимизацией расходов на технологичные решения. В скором времени экономика замкнутого цикла может найти свое отражение в тепличном выращивании – это позволит удешевить обслуживание и повысить выгоду инвестора. Уже сейчас в других отраслях освещения практикуется технология «циркулярности», когда бизнес может платить только за свет, а не за оборудование. По истечении срока эксплуатации предприятие возвращает светильники производителю для повторного использования или переработки. Пока что производители не реализуют таких проектов для теплиц в России, но специалисты работают этим, чтобы повысить инвестиционную привлекательность продвинутых технологий.
Кроме того, технологии для закрытого грунта распространяются и в другие отрасли растениеводства – например, цветоводство. Сейчас цветоводы в России работают в достаточно жестких условиях, продавая не более 220 млн срезанных цветов в год. Эта сумма не превышает 15% рынка – всего в России продается 1,47 млрд срезанных цветов, остальная часть приходится на импортную продукцию. Это может быть очередным фактором конкуренции, который особенно сильно влияет на производителей в отсутствие мер господдержки. Поэтому инновации могут стать актуальными для производителей в России, ведь они позволяют оптимизировать расходы и повысить качество продукции, чтобы иметь конкурентные преимущества.