MEMORIA PROYECTO: RTA C02. TITULO: Ecodiseño y manejo sostenible de invernaderos para cultivo de tomate en Canarias.

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1 MEMORIA PROYECTO: RTA C02 TITULO: Ecodiseño y manejo sostenible de invernaderos para cultivo de tomate en Canarias. Financiado por INIA con Contribución de Fondos FEDER INVESTIGADORAS PRINCIPALES: María Carmen Cid Ballarín (ICIA) María Asunción Anton Vallejo (IRTA) Entidades participantes: INSTITUTO CANARIO DE INVESTIGACIONES AGRARIAS (ICIA) INSTITUT DE RECERCA I TECNOLOGIA AGROALIMENTÀRIES (IRTA)

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3 Ecodiseño y manejo sostenible de invernaderos para cultivo de tomate en Canarias. EQUIPO INVESTIGADOR GRUPO ICIA Investigador principal del Proyecto: Maria Carmen Cid Ballarín ICIA Investigadores: Vanesa Raya Ramallo Ana Rosa Socorro Monzon Margarita Parra Gomez Axel Ritter Rodriguez Domingo Rios Mesa Belarmino Santos Coello ICIA ICIA ICIA ICIA E. T. S. de Ingenieria Agraria y Cabildo de Tenerife Cabildo de Tenerife GRUPO IRTA Investigador principal del Proyecto: Maria Asunción Antón Vallejo Investigadores: Juan Ignacio Montero Camacho Pedro Muñóz Odina IRTA IRTA IRTA 3

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5 Ecodiseño y manejo sostenible de invernaderos para cultivo de tomate en Canarias. 1. INTRODUCCIÓN Y OBJETIVOS 1.1 Introducción Canarias es la segunda Comunidad Autónoma en cuanto a superficie en cultivo protegido, con unas 7000 ha, representando el 15% del total de superficie española de invernaderos (Pérez Parra J., 03). Los cultivos con mayor superficie protegida son el plátano y el tomate, siendo este último el que más aportaba a la Producción Final Agraria canaria a comienzos del presente siglo (Servicio de Estadística. Consejería de Agricultura, Ganadería, Pesca y Alimentación del Gobierno de Canarias, 03). Aparte de la importancia económica, el tomate tiene gran trascendencia social, por el volumen de mano de obra que precisa, tanto en el cultivo como en el proceso de comercialización. Además, las actividades auxiliares generan un importante número de puestos de trabajo indirectos. No obstante, a lo largo de la última década se ha producido una importante reducción de la superficie de cultivo de tomate para exportación y paralelamente de las cantidades exportadas, y en consecuencia el sector productor de Canarias ha perdido importancia respecto al total de las exportaciones españolas. Este descenso de superficie y producción se ha producido fundamentalmente como consecuencia de la introducción de virosis que se han expandido rápidamente debido a la gran presión de sus vectores (pulgones, trips y mosca blanca). Esta problemática ha obligado al sector a descartar el cultivo al aire libre prácticamente en su totalidad y a modificar las instalaciones existentes que han pasado de ser simples estructuras de madera con cubierta de malla, con el fin de proteger el cultivo del viento, a otras con estructura metálica, mallas antiinsecto, dobles puertas, etc. No obstante, el mantenimiento de las estructuras tradicionales, de baja altura y techo plano que se han ido cubriendo de mallas más densas, hace que en épocas de climatología desfavorable la producción sufra oscilaciones importantes, y la calidad del fruto se vea considerablemente deteriorada (Ríos, 00; Tabares, 00a, 00b). Ello origina una gran inestabilidad en la oferta, dificulta la planificación comercial, y en consecuencia reduce la cuota y competitividad en el mercado. 1.2 Objetivos Objetivo general Adaptar o modificar el diseño de una estructura simple, pero eficaz, como es el invernadero tipo canario, con el fin de conseguir un agrosistema que permita garantizar la producción y calidad del tomate canario al mismo tiempo que logra la reducción del impacto ambiental originado por el sistema productivo. Objetivos específicos: 1. Aplicación de la dinámica de fluidos por computación (CFD) en la definición de los criterios de mejora en el diseño de los invernaderos. 2. Evaluación ambiental mediante Análisis de Ciclo de Vida (ACV) del cultivo de tomate en invernadero canario. 3. Conocer el comportamiento bioclimático de las estructuras tradicionales para el cultivo de tomate en Canarias y del invernadero prototipo diseñado 4. Valoración agronómica y ambiental de diferentes sistemas de cultivo de tomate (en suelo y sobre diferentes sustratos) 5. Evaluación de las necesidades de gestión de residuos en los diferentes sistemas estudiados 2. PLANTEAMIENTO Y DESARROLLO DE LAS ACIVIDADES REALIZADAS 2.1 Planteamiento Los intentos de mejora de las estructuras tradicionales canarias realizados en muchas ocasiones paralelamente al cambio a cultivo sin suelo, sin estudios previos de caracterización del clima, ventilación, etc., no han permitido solucionar los problemas anteriores, e incluso en algunos casos los han agravado, por lo que existía una importante demanda de criterios científicos para definir instalaciones y pautas de producción que permitan mejorar la competitividad de este sector. Por otra parte, las normativas europeas relacionadas con la protección medioambiental y la creciente demanda social de una producción más respetuosa con el medio ambiente, inciden sobre los productores obligándoles a buscar tecnologías sostenibles contribuyan a la preservación del entorno y la salud humana, así como al cumpliendo las normativas legales al respecto. En este contexto y ante la necesidad de aumentar la calidad en sus dos vertientes, producto y entorno, se planteó este proyecto cuyo objetivo general es diseñar instalaciones y establecer tecnologías de cultivo que permitan aumentar la competitividad y sostenibilidad del sector productor de tomate de invierno para exportación en Canarias. 5

6 PROYECTO INIA - RTA C Desarrollo del Proyecto Tarea 1. Puesta a punto de un modelo del clima bajo invernadero basado en la herramienta numérica CFD (Equipo IRTA) Tarea 1.1 Definición y mallado de la geometría del invernadero Se ha llevado a cabo la puesta a punto del modelo de clima bajo invernadero basado en la herramienta numérica CFD, se ha procedido al diseño, definición y mallado en código Gambit de la geometría del invernadero tipo canario. Se han construido los modelos en tres dimensiones de invernadero de techo plano con tres alturas diferentes, 3 m, 4.5 m y 6 m. Para los tres casos se ha definido un cultivo caracterizado como medio poroso que permite el paso del aire. Tarea 1.2 Definición de los métodos numéricos de cálculo Asimismo se han definido los métodos de cálculo para la ejecución de las diferentes simulaciones, (modelos de continuidad de la masa, de conservación de la cantidad de movimiento, de turbulencia y de intercambio de calor). También se han definido las condiciones de contorno. Posteriormente se han efectuado simulaciones comparativas de los invernaderos con distintas alturas y con distintos materiales de cubierta. Tarea 1.3 Estudio de la adaptación del módulo solar Después de los estudios realizados se puede concluir que el nuevo módulo del código de cálculo (FLUENT 6.2 módulo solar) no resulta suficientemente preciso para calcular la transmisión de radiación solar en función de la geometría de los invernaderos, por tanto el cálculo deberá realizarse aparte, fijándose ésta como una variable a introducir en el programa FLUENT Tarea 2. Uso del modelo CFD en el diseño bioclimático de invernaderos (Equipos IRTA e ICIA) Se ha estudiado el comportamiento climático de los siguientes invernaderos, todos ellos con mayor o menor grado de implantación en Canarias, y sus correspondientes modificaciones: Invernaderos de techo plano, con 30 m y 90 m de anchura, de diferentes alturas 3, 4.5 y 6 m, cubiertos de malla, con o sin cultivo. Invernaderos multicapilla, simétricos, de raspa y amagado, tipo Motril, con 3 naves (18 m. de ancho) y 15 naves (90 m. de ancho) en situación de barlovento y sotavento, con cultivo y sin cultivo. Invernaderos multitunel con arco gótico, con 12 naves Tarea 3. Construcción y manejo de las estructuras productivas (Equipo ICIA) Tarea 3.1 Puesta a punto de la infraestructura En la Estación de Investigación Hortícola de Santa Lucia de Tirajana del ICIA se disponía de una instalación de techo plano y 3 m de altura, cubierta de malla de 35 mesh (10x14 filamentos/cm2), similar a las generalmente usadas en Canarias para cultivo de tomate de exportación. Durante el desarrollo del proyecto se han construido 3 nuevas instalaciones, siguiendo las directrices aportadas por la aplicación del modelo CFD. Invernadero de raspa y amagado, tipo Motril, con cubierta de PE, con 3 naves, 4 m de altura a canal y 5,5 m a cumbrera, dotado de ventanas cenitales de cremallera tipo mariposa en todas las naves, y laterales enrollables, todas ellas protegidas por malla antiinsectos (10x filamentos/cm2) y accionadas mediante un programador de clima. Dos invernaderos multitunel, uno de ellos con cumbrera de arco curvo y otro con cumbrera de arco gótico (financiados por el Gobierno de Canarias en el marco del Proyecto INTEAGRACAN), ambos con 3 naves y 4 m de altura a canal, dotados de ventanas cenitales de cremallera tipo mariposa en todas las naves, y laterales de guillotina, todas ellas protegidas por malla anti-insectos (10x filamentos/cm2) y accionadas mediante un programador de clima. Uno de estos invernaderos (el de arco gótico) se equipó con un sistema simple de nebulización a baja presión, gestionado mediante un controlador (diseñado por el equipo IRTA) que calcula los tiempos de funcionamiento e intervalos de reposo en función del déficit de presión de vapor, con el fin de atenuar las situaciones de elevado Deficit de presión de vapor (DPV) Posteriormente se introdujeron dos modificaciones constructivas en estos invernaderos multitunel, diseñadas para mejorar la ventilación en invernaderos comerciales de gran anchura, en función de los resultados obtenidos con la modelización mediante CFD, con el fín de poder validar experimentalmente dichos resultados. - un deflector situado a lo largo de la cumbrera, cuya finalidad es dirigir la circulación del aire hacia la zona de cultivo (multitúnel de arco gótico). 6

7 Ecodiseño y manejo sostenible de invernaderos para cultivo de tomate en Canarias. - una ventana suplementaria, junto al canalón de la nave situada a barlovento, cuya finalidad sería igualmente contribuir a mejorar la ventilación, al facilitar la salida del aire caliente, dado que en dicha zona se observa una presiòn negativa mediante simulación por CFD. Tarea 3.2 Comportamiento agronómico de las instalaciones Se ha estudiado el comportamiento agronómico de un cultivo de tomate cv. Boludo injertado sobre Beaufort, en campaña de invierno para exportación en las distintas instalaciones construidas a lo largo de 3 campañas. En los distintos experimentos efectuados se ha utilizado el medio de cultivo: suelo o sustrato, como factor anidado para poder analizar estadísticamente el efecto de las instalaciones que se indican a continuación. Tradicionales con cubierta de malla Techo plano y baja altura (3-3,5 m de altura a canal) Invernaderos con cubierta de PE, Ventanas cenitales tipo mariposa y laterales, accionadas mediante controlador de clima Multicapilla simétrico (Artesanal). Raspa y amagado (tipo Motril), con 3 naves, 4 m de altura a canal y 5,5 m altura a cumbrera Multitunel (Industrial) Con 3 naves y 4,3 m de altura a canal Techo de Arco Curvo 5,9 m altura a cumbrera Techo de Arco Gótico 6.6 m altura a cumbrera También se han realizado ensayos, con el fin de comparar distintos sustratos: lana de roca, fibra de coco y picón, utilizando igualmente tomate cv. Boludo injertado sobre Beaufort. Se han estudiado asimismo algunos indicadores básicos de crecimiento miento (tasas de aparición de hojas y racimos y crecimiento del tallo principal), así como las eficiencias de uso de agua y fertilizantes. Foto 1. Instalación tradicional de techo plano con 3 m de altura y cubierta de malla (izquierda) e invernadero de raspa y amagado, tipo Motril, con cubierta de PE y altura de 4 m a canal y 5,5 m a cumbrera, dotado de ventanas cenitales de cremallera y laterales enrollables (derecha). 7

8 PROYECTO INIA - RTA C02 Foto 2. Aspecto del cultivo a mediados de enero, en la instalación tradicional con cubierta de malla (izquierda) y el invernadero de raspa y amagado con cubierta de PE (derecha). Foto 3. Vista de los dos invernaderos multitunel (izquierda) y aspecto del cultivo bajo los mismos, a mediados de enero (derecha). Tarea 3.3 Seguimiento de las variables climáticas en el invernadero. En las cuatro instalaciones estudiadas se han registrado a lo largo de los ciclos de cultivo efectuados en el transcurso del proyecto los siguientes datos: temperatura y humedad relativa a la altura del dosel de las plantas (varios puntos), y radiación global y PAR sobre el dosel de las plantas. Mediante un data logger se han efectuado lecturas cada minuto y se han registrado los valores medios de las mismas cada 30 minutos. Por otra parte, una vez instalados los elementos diseñados mediante CFD para mejorar la ventilación (deflectores entre las ventanas cenitales del invernadero multitúnel de arco gótico, y una ventana adicional a la altura del canalón) se efectuaron medidas de la velocidad y dirección del viento en 3 puntos adecuadamente seleccionados dentro del invernadero y en el exterior (como referencia) con el fin de validar los resultados obtenidos mediante la modelización. Se utilizaron para ello anemómetros sónicos 3D sónicos (Young 81000). 8

9 Ecodiseño y manejo sostenible de invernaderos para cultivo de tomate en Canarias. Deflectores. Las medidas se realizaron con las ventanas laterales totalmente cerradas y las cenitales totalmente abiertas, colocando anemómetros sónicos (Young 81000) en las siguientes posiciones: En el exterior del invernadero A la altura de la ventana cenital situada a barlovento de la primera nave, aproximadamente a 15 cm por debajo del arco, para medir la entrada de aire. En el centro de la primera nave, 1 m por debajo de la vertical del canalón, bajo el deflector. Entre la primera y segunda nave a 2.10 metros del suelo (en el pasillo). Foto 4. Detalle de un deflector en la cumbrera del invernadero multitúnel gótico (izquierda) y ventana cenital adicional en la primera nave del invernadero multitúnel curvo (derecha). Foto 5. Anemómetros en la zona de apertura de la ventana adicional en canalón (izquierda), lateral del invernadero en posición horizontal (centro) y en el centro de la primera nave a 1,2 m de altura en (derecha). Ventana adicional a la altura del canalón (apertura hacia la cumbrera). Para realizar estas medidas se mantuvieron totalmente cerradas todas las ventanas laterales, y también las cenitales orientadas a barlovento, abiertas las cenitales a sotavento y la ventana extra colocada junto al canalón abierta al 50%, y los anemómetros sónicos se colocaron en las siguientes posiciones: En el exterior En el centro de la ventana adicional en el canalón, a 4.8 m de altura, midiendo el caudal de salida. En posición horizontal, a 40 cm de la pared lateral del invernadero y 2 m de altura, para medir el posible flujo ascendente del aire caliente en dirección a la ventana adicional del canalón. En el centro de la primera nave (pasillo entre plantas), a 1.2 m de altura. 9

10 PROYECTO INIA - RTA C02 Tarea 4. Evaluación ambiental mediante Análisis de Ciclo de Vida (Equipos IRTA + ICIA) El Análisis del impacto ambiental del cultivo de proceso en invernadero Canario se ha llevado a cabo siguiendo la metodología propuesta por la normativa ISO (06) para los estudios de Análisis de Ciclo de Vida. Tarea 4.1 Definiciones Objetivo El objetivo de este estudio ha sido evaluar los daños ambientales atribuibles a diferentes alternativas de cultivo de tomate bajo invernadero a lo largo de su ciclo de vida, es decir, desde los orígenes de las materias primas utilizadas hasta el final de los residuos generados (Fig. 1). Esta evaluación permite seleccionar y mejorar las técnicas de cultivo más respetuosas con el entorno y recursos naturales. Para aplicar este procedimiento a un producto agrícola cultivado en invernadero, como es el tomate, no solamente se han considerado los efectos ambientales adversos derivados del mismo proceso de producción (eutrofización, contaminación por uso de plaguicidas, generación de residuos,...) sino también otros aspectos como los daños ambientales generados por la manufactura y transporte de materias primas, por la energía utilizada, por la fabricación de los materiales de construcción del invernadero, por la generación de residuos cuando las instalaciones quedan fuera de uso y en general por todos los aspectos capaces de producir daños al entorno que formen parte del ciclo de vida del producto considerado (Fig. 1). Todos ellos se han contabilizado atribuyendo distintos daños ambientales a cada unidad de masa de producto. El conocimiento de los aspectos que resultan más negativos permite la adopción de las técnicas que mejoran ambientalmente el proceso de cultivo de tomate en invernadero. Alcance del estudio Aunque la definición de un ACV es de la cuna a la tumba, a efectos de analizar este sistema de producción agrícola, se ha considerado como límite del estudio la entrega del producto, tomate, en puerto de destino Inglaterra u Holanda. Unidad Funcional La unidad funcional, UF, viene definida como la principal función del sistema a analizar (ISO-14040, 1997). Dado que la principal función de un invernadero es producir, se ha considerado oportuno tomar como unidad funcional el kilo de tomates. Considerándose una producción media de 14,7 kg/m 2. INFRASTRUCTURA Producción y Transporte Equipo Auxiliar Equipo riego Deslinizadora Substrato Equipo Ventilación Nursery INPUTS INVERNADERO Producción y Transporte Fertilizantes Pesticidas Operaciones Culturales Maquinaria Cosecha MANEJO INVERNADERO Consumo Energía Ventilación Fertirrigación Uso maquinaria Consumo agua Emisión Fertilizantes COMERCIALIZACIóN Mercado Local Empaquetado Transporte Exportación Empaquetado Refrigeración Transporte Manejo residuos Acero Substrato Biomasa Plástico Figura 1. Esquema de los procesos considerados en el cultivo de tomate en invernadero en las Islas Canarias, en cada uno de ellos estas incluidas las materias primas y el consume de energía, así como producción y manejo de residuos. 10

11 Ecodiseño y manejo sostenible de invernaderos para cultivo de tomate en Canarias. Categorías de impacto Las categorías de impacto estudiadas han sido las propuestas por el CML: cambio climático, agotamiento de la capa de ozono, formación de foto-oxidantes químicos, acidificación del aire, agotamiento de recursos no renovables, eutrofización y toxicidad humana y de los ecosistemas acuáticos y terrestres. En la tabla 1 se detalla la metodología considerada así como las unidades equivalentes para cada una de dichas categorías. Categoría de impacto Método Símbolo Unidad equivalente Acidificación del aire CML00 AA g. eq SO 2 Agotamiento recursos abióticos CML00 DR g. eq. Sb Efecto Invernadero (directo, 100 años) CML00 GE g.eq. CO 2 Eutrofización CML00 EU g. eq. PO 4 Formación oxidantes fotoquímicos WMO PO g eq. ethylen Agotamiento de la capa de ozono WMO DO g.eq. CFC-11 Toxicidad Humana CML00 HT g.eq. 1.4-DCB Toxicidad acuática CML00 AT g.eq. 1.4-DCB Toxicidad Terrestre CML00 TT g.eq. 1.4-DCB Software: Se ha utilizado el programa Simapro para realizar el análisis ambiental. Tarea 4.2 Inventario El inventario se ha realizado siguiendo los criterios de Audsley (1977), Antón (04) y las normas ISO (ISO-1404, 06; ISO-14044, 06). Los datos para el inventario se han obtenido por el equipo del ICIA en explotaciones comerciales y en los invernaderos experimentales ensayados en el presente proyecto, que se han complementado con la base de datos Ecoinvent (07) para los procesos de fabricación de materiales (acero, plásticos, fertilizantes, transporte, etc.) Se han estudiado dos tipos de estructura: multitúnel y parral, y se analizaron tres tipos de sustrato: lana de roca, picón y fibra de coco. La gestión de los residuos se hizo mediante transporte a vertedero. En el proceso de comercialización se ha tenido en cuenta el empaquetado y el transporte, considerando que un 83 % de la producción de tomate es exportada (52% a Rotterdam y 48% a Southampton). Tareas 4.3 y 4.4 Análisis de impacto e Interpretación El Análisis de Impacto, que consiste en asignar a cada uno de los elementos inventariados las categorias de impacto correspondientes, ha sido llevada a cabo por el equipo del IRTA, responsable asimismo de la tarea de Interpretación que ha conducido a identificar los principales aspectos susceptibles de mejora desde el punto de vista medioambiental. Tarea 5 Evaluación económica del nuevo paquete tecnológico (Equipo ICIA) Para efectuar la evaluación económica del paquete tecnológico desarrollado en los nuevos invernaderos, se han utilizado los aportados por las Asociaciones de Exportadores de Las Palmas (FEDEX) y Tenerife (ACETO) para la elaboración del Plan Estratégico para el Sector de Tomate de Exportación. Dichos datos se han obtenido sobre dos muestras de explotaciones, la primera de ellas constituida por invernaderos de malla tradicionales y la segunda integrada por aquellas que han instalado invernaderos mejorados, en general de acuerdo a los criterios establecidos en el proyecto, y utilizan entutorado alto con descuelgue. Tarea 6 Divulgación de los resultados (Equipos IRTA e ICIA) Los resultados obtenidos han sido expuestos en el XXXVIII Seminario de Técnicos y Especialistas en Horticultura, celebrado en Sitges (Barcelona) el año 08, y el XXXIX Seminario de Técnicos y Especialistas en Horticultura, celebrado en el Puerto de la Cruz (Tenerife) el año 09. ya que al contar con la presencia de técnicos y especialistas en horticultura de todas las regiones españolas, resultaba un foro particularmente apropiado para la transferencia de resultados a nivel nacional. 11

12 PROYECTO INIA - RTA C02 El equipo del IRTA ha aprovechado la participación de los investigadores del proyecto en el Master de Ecología Industrial de E. T. S. de Enginyeria, dependiente la Universidad Autónoma de Barcelona y el curso sobre Tecnología de Invernaderos realizado para técnicos del Departamento de Agricultura, Alimentación y Acción Rural de la Generalitat de Catalunya para exponer los principales resultados alcanzados, así como otras jornadas de divulgación entre el sector agrario y colaboraciones internacionales. A nivel de la Comunidad Autónoma de Canarias los resultados del proyecto han sido expuestos en Jornadas, Foros, Mesas de Trabajo etc. Como actividades más relevantes cabe destacar la participación en el Grupo de Trabajo del Tomate de Exportación de Canarias organizado por la Consejeria de Agricultura, Ganadería, Pesca y Alimentación del G. de Canarias, con el fin de elaborar el Plan de Reestructuración del Sector, y la elaboración de los informes: - Conceptos básicos sobre requerimientos y características constructivas de instalaciones de protección para cultivo de tomate en Canarias - Invernaderos de Avanzada Técnología para Cultivo de Tomate en Canarias. Directrices Técnicas Básicas Los resultados se han presentado también en diversos congresos científicos internacionales: - Simposiums de la ISHS( Greensys- Nápoles y Mild Winter Climates-Antalya - Sixth International Conference on Life Cycle Assessment in the Agri-Food Sector, Zurcí - 8th International Conference on EcoBalance, Tokio, - III International Conference on Life Cycle Assessment in Latin America (CILCA). Asimismo se han publicado artículos en revistas especializadas. 3. GRADO DE CONSECUCIÓN DE LOS OBJETIVOS Se ha logrado cumplir satisfactoriamente los objetivos previstos en el protocolo. En concreto, el trabajo realizado en estrecha colaboración por los equipos del IRTA y el ICIA ha permitido: Conocer el comportamiento bioclimático y productivo de las instalaciones de baja altura, techo plano y cubierta de malla tradicionalmente usadas para producción de tomate de exportación. Disponer de un programa preparado para llevar a cabo simulaciones con CFD del comportamiento climático de los tipos de invernaderos más adecuados para la producción de horticolas de exportación en Canarias, que permitirá abordar estudios futuros Establecer pautas básicas para mejorar el diseño y las características constructivas de los invernaderos de producción de tomate de exportación en Canarias (extensible a otras comunidades) Instalar nuevos invernaderos con mayor capacidad de aislamiento y control climático, de acuerdo a las de las pautas y criterios establecidos por el equipo del IRTA aplicando modelización mediante CFD, en La Estación de Investigación Hortícola del ICIA Evaluar el comportamiento bioclimático y productivo de los nuevos invernaderos instalados, cuya buena adecuación a nuestras condiciones productivas, ha permitido definir un nuevo paquete tecnológico capaz de aumentar notablemente (60-90%) la producción y mejorar la calidad de los frutos, y aumentar la eficiencia de uso del agua y los fertilizantes. Conocer las limitaciones de las nuevas instalaciones, en cuanto a su capacidad de control climático. Efectuar una primera evaluación económica del nuevo paquete productivo Disponer de una evaluación ambiental de las nuevos invernaderos mejorados y del conjunto de proceso de producción mediante el paquete tecnológico avanzado mediante Análisis de Ciclo de Vida, y conocer los puntos críticos para reducir el impacto ambiental de esta actividad agraria. En la fase final del Proyecto se han implementado mejoras diseñadas de acuerdo a los resultados de la simulación mediante CFD, con el fin de mejorar la ventilación en invernaderos comerciales de grandes dimensiones. Aunque los resultados preliminares disponibles parecen ajustarse al modelo, no ha sido posible obtener datos concluyentes acerca de su funcionalidad en el periodo de duración del proyecto. En resumen, los resultados del Proyecto en su conjunto, han permitido definir pautas básicas para la construcción de invernaderos adecuados a nuestras condiciones, y establecer un nuevo paquete tecnológico con capacidad para hacer sostenible el sector productor de tomate de exportación en Canarias. Estos conocimientos pueden ser asimismo de utilidad para otras regiones de similares condiciones medioambientales 12

13 Ecodiseño y manejo sostenible de invernaderos para cultivo de tomate en Canarias. 4. CONCLUSIONES Y RESULTADOS ALCANZADOS 4.1 Adaptación del modelo de CFD a las especificidades del invernadero Se dispone de modelos preparados para llevar a cabo simulaciones mediante CFD en los tipos de invernaderos más utilizados para la producción de hortícolas en Canarias. Los estudios realizados han permitido concluir que el nuevo módulo FLUENT 6.2 no resulta adecuado para calcular la transmisión de radiación solar en función de la geometría de los invernaderos, por tanto dicho cálculo deberá realizarse aparte, fijándose como una variable a introducir en el programa FLUENT. 4.2 Uso del modelo CFD para el diseño bioclimático de invernaderos De la comparación de las tasas de ventilación se pueden extraer las siguientes conclusiones: Invernaderos planos con cubierta de malla - Buena ventilación y homogeneidad de la temperatura, tanto en 30 m como 90 m - Efecto de la altura del techo sobre la temperatura del cultivo ligeramente superior en los de 90 m - Ligero efecto de la malla a menos porosidad menos ventilación En la Figura 2 se puede observar el comportamiento de los flujos de de aire en el caso de un invernadero plano con cubierta de malla con cultivo y la influencia que éste ejerce frenando y desviando el flujo de aire hacia la parte superior del invernadero. Velocidad de viento (m/s) Salida del aire en la parte inicial del techo Gran entrada de aire Frenada y desviación del aire por el cultivo Tendencia del aire interior a pasar entre el cultivo y la malla* Figura 2 Detalle del movimiento del aire para el invernadero plano de 4.5m de altura con cultivo Invernaderos multicapillla simétricos, con cubierta de PE, tipo Motril Como puede observarse en la Figura 3, se detectan: - Problemas con la ventilación: formación de algunas celdas de aire caliente para los casos sin cultivo - Poca homogeneidad de la temperatura en la zona del cultivo - Diferencias de la temperatura media entre los distintos casos: saltos térmicos de 4 a 10 grados 13

14 PROYECTO INIA - RTA C02 Temperatura (K) Laterales cerrados Lateral derecho abierto Lateral derecho abierto y ventanas enrollables 1 y 2 Lateral derecho abierto, ventanas enrollables izquierdas y nave 5 y 10 todo malla Figura 3. Distribución de temperaturas en invernadero tipo Motril en situación de sotavento y sin cultivo para diferentes configuraciones de ventilación.. Las zonas rojas son las de mayor temperatura y las azules las de menor temperatura Invernaderos multitúnel de arco gótico - Comportamiento muy semejante al invernadero tipo Motril - Se proponen dos vía de mejora para corregir las posibles células de calor y lograr una distribución de temperaturas más uniforme Colocar deflectores en las ventanas cenitales Instalar una pequeña ventana adicional junto al canalón a barlovento de la primera nave, con apertura hacia la cumbrera. (Se prepara un informe en el que se detallan las características constructivas para que la empresa constructora modifique el invernadero construido en Canarias). El estudio de los primeros registros de velocidad de viento obtenidos mediante tres anemómetros sónicos tridimensionales, uno de referencia situado fuera del invernadero y los otros dos dentro (en las zonas de mayor interés) para estudiar los efectos de ambas modificaciones han mostrado que los datos experimentales se ajustan razonablemente bien a los que se obtienen mediante simulación con CFD, lo cual permite validar, en principio, la metodología. 4.3 Evaluación del comportamiento agronómico de las instalaciones Producción y calidad Los resultados obtenidos muestran que el nuevo paquete tecnológico: - Invernaderos altos, bien diseñados y orientados, con cubierta de alta transmitancia, mayor capacidad de aislamiento frente a lluvia e insectos vectores de virus, suficiente ventilación y buen control de la misma. - Conducción de plantas mediante entutorado alto y descuelgue - Cultivo sin suelo permite obtener de modo consistente producciones del orden de Tm/ha, lo que ha supuesto incrementos productivos del 50% al 90% (según campañas) respecto a la instalación tradicional de baja altura, techo plano y cubierta de malla (Fig. 4). El entutorado alto y la buena practica de las labores de manejo de la planta (descuelgue, deshojado, etc.) son factores decisivos para asegurar estos resultados. Estas producciones duplican las medias obtenidas por los productores locales en las instalaciones tradicionales. 14

15 Ecodiseño y manejo sostenible de invernaderos para cultivo de tomate en Canarias. Producción neta (Kg/m 2 ) Campaña Suelo Sustrato (LR) 64% Ent. bajo Ent. bajo Ent. alto + D Inv. malla (3 m alt.) Inv. multicapilla PE (4 m a canal) TECNOLOGÍA APLICADA Figura 4.- Producciones netas de tomate obtenidas en suelo y sustrato (LR = Lana de roca) bajo la instalación tradicional cubierta de malla, y en el nuevo invernadero multicapilla (tipo Motril) aplicando la técnica de conducción de tallos tradicional (Ent. Bajo) o el entutorado alto con descuelgue (Ent. Alto +D). La entrada en producción es más precoz (Fig. 5) y el calibre de la fruta mayor (Fig. 6) cuando se cultiva en sustrato, siendo la mejora más acusada en los nuevos invernaderos con entutorado alto y descuelgue de tallos. Producción neta (Kg/m 2 ) Campaña LR Ent. alto + D. S Ent. alto + D. LR Ent. bajo S Ent. bajo dic ene feb mar abr may Figura 5. Evolución de la producción neta total a lo largo del ciclo de cultivo para los dos sistemas de cultivo: suelo (S) y sustrato de lana de roca (LR) y los dos sistemas de conducción de las plantas ensayados: entutorado bajo tradicional (Ent. bajo) y entutorado alto con descuelgue (Ent. Alto +D.), en el invernadero multicapilla, de raspa y amagado tipo Motril, durante la primera campaña (05-06). 15

16 PROYECTO INIA - RTA C Calibre de los frutos (% peso) Suelo Sustr. Suelo Sustr. Suelo Sustr. Ent. bajo Ent. bajo Ent. alto +D Inv. Malla (3 m alt.) Inv. Multicapilla PE (4 m alt. a canal) 2M M G Figura 6. Efecto de las distintas mejoras introducidas en el nuevo paquete tecnológico, y en particular del cultivo sin suelo, sobre el calibre de los frutos de tomate (Segunda campaña, 06-07). Tanto la producción neta como el calibre de la fruta fueron similares para los tres invernaderos mejorados estudiados, sin que las pequeñas diferencias apreciadas alcanzaran significación estadística en ninguna de las dos campañas en que se pudieron ensayar todos ellos (Fig. 7). Producción neta (kg/m 2 ) Campaña % 13,1 (Destrio 35%) 25,2 (Destrio 9,5%) 5 Malla MCapilla MT Curvo MT Gótico Entutorado bajo Entutorado alto y descuelgue Figura 7.- Producciones netas de tomate obtenidas en cultivo sin suelo (bolsas de fibra de coco) bajo una instalación tradicional de baja altura y cubierta de malla (entutorado bajo), y en los 3 nuevos invernaderos estudiados: Multicapilla simétrico de raspa y amagado, tipo Motril (MCapilla), Multitúnel de arco curvo (A Curvo) y Multitúnel de arco gótico (A Gótico), con entutorado alto y descuelgue. 16

17 Ecodiseño y manejo sostenible de invernaderos para cultivo de tomate en Canarias. 40 Destrio (% peso) Suelo Sustrato Suelo Sustrato Entutorado bajo tradicional Entutorado alto y descuelgue Apertura y cierre de ventanas Manual Automatizada Figura 8. Influencia del control de apertura de ventanas sobre el porcentaje de tomate de destrío. Datos obtenidos en el invernadero multicapilla de raspa y amagado, tipo Motril, en dos campañas de cultivo sucesivas, en la segunda de las cuales se la ventilación se gestionó mediante un controlador de clima comercial. Para conseguir elevadas producciones netas es imprescindible que los nuevos invernaderos con cubiertas plásticas y mayor capacidad de aislamiento dispongan de suficiente superficie de ventanas y cuenten con sistemas de control que permitan una adecuada gestión de la apertura y cierre de las mismas. Un inadecuado control de la ventilación origina elevados porcentajes de destrío debido a la incidencia de fisiopatías en los frutos (Fig. 8). Otros indicadores básicos de crecimiento El número de hojas y de racimos emitidos a lo largo de la zafra es mayor en las plantas manejadas con descuelgue en los nuevos invernaderos (54 hojas y 16,5 racimos) que en las sometidas a entutorado bajo tradicional (48,3 hojas y 14,2 racimos). El efecto de los restantes factores no resulta significativo, si bien al cultivar en lana de roca se observa mayor precocidad en la emisión de hojas y racimos que en suelo. La longitud del talló no se ve afectada por la técnica de conducción de las plantas pero es significativamente mayor cuando se cultiva en sustrato (lana de roca) que en suelo para ambos tipos de entutorado. Eficiencia de uso de agua y fertilizantes El cultivo en invernaderos mejorados, con entutorado alto y descuelgue, supuso mejoras del 12 al 15% en la eficiencia de uso del agua respecto al cultivo en las instalaciones preexistentes de malla con entutorado bajo; asi, en cultivo sin suelo a solución perdida se obtuvieron producciones netas de kg/m 3 bajo invernadero y en torno a -21 kg/m 3 bajo malla. Mejoras similares se observaron respecto a la eficiencia de uso de fertilizantes, con valores medios referidos a producción neta en cultivo sin suelo de 38 kg/kg de nitrato bajo invernadero con descuelgue y 33 kg/kg de nitrato bajo malla con entutorado bajo. Influencia del tipo de sustrato En cuanto a la influencia del tipo de sustrato, la mayor producción neta (18,9 Kg/m 2 ) y el mayor calibre de frutos se obtuvieron cultivando en fibra de coco, sin que las diferencias con la lana de roca resultaran significativas, y la producción más baja (16,4 Kg/m 2 ) y los menores calibres cuando se utilizó picón. No obstante, los frutos producidos en este último sustrato parecen presentan mejor calidad por lo que respecta a los parámetros relacionados con el sabor. Ello puede atribuirse a que dada la menor capacidad de retención de agua del picón, es más probable que las plantas puedan verse sometidas a condiciones de estrés hídrico en ocasiones de elevada demanda. Se estima que aumentando el volumen de picón por planta y mejorando el control del fertirriego podrían obtenerse resultados productivos bastante similares en los 3 sustratos. 17

18 PROYECTO INIA - RTA C Comportamiento bioclimático de las instalaciones estudiadas Radiación La instalación tradicional de malla ha mostrado una transmisividad muy baja al inicio del cultivo en todos las campañas, que aumenta cuando ocurren precipitaciones capaces de lavar la malla (5-10 mm/día), y puede llegar a ser muy próxima a la registraba en los invernaderos con cubierta de PE, y persiste mientras lo haga el tiempo lluvioso, para ir decreciendo posteriormente, por efecto de la acumulación de polvo (Fig. 9). Los tres invernaderos estudiados han mostrado valores similares de transmisividad, y, a excepción del periodo invernal lluvioso, la radiación total recibida a nivel del dosel de las plantas fue notablemente mayor en los mismos que en la instalación tradicional con cubierta de malla. Los valores medios semanales de radiación diaria recibidos por las plantas bajo los nuevos invernaderos superan el valor que suele considerarse como el mínimo aconsejable para el cultivo de tomate (8,5 MJm -2 día- 1 ) la mayor parte del ciclo de cultivo (Fig. 7). No obstante, a lo largo del periodo de estudio, durante el periodo invernal (1 nov-29 feb) se han registrado valores diarios inferiores del 25 al 35 % de los días bajo los nuevos invernaderos, y del 35 al 50% de los mismos en la instalación tradicional con cubierta plana de malla (Fig. 10) mm 16 mm Radiación (MJ m -2 día -1 ) mm sep oct nov dic ene feb mar abr may Semana y mes Exterior Malla Invernaderos Figura 9. Valores medios semanales de radiación global registrados sobre el dosel de las plantas de las diferentes estructuras productivas. Las precipitaciones semanales superiores a 5 Lm -2 se indican mediante flechas. (datos de la campaña 08-09) Instalacion tradicional con cubierta plana de malla Invernaderos con cubierta de Polietileno Radiación (MJ m -2 día -1 ) Radiación (MJ m -2 día -1 ) sep oct nov dic ene feb mar abr may 0 sep oct nov dic ene feb mar abr may Figura 10. Radiacion diaria registrada sobre el dosel de las plantas bajo las diferentes estructuras productivas estudiadas (Datos de la campaña 08-09) 18

19 Ecodiseño y manejo sostenible de invernaderos para cultivo de tomate en Canarias. Aunque existen variaciones anuales, estos resultados concuerdan en líneas generales en todas las campañas, y muestran que la radiación puede ser un factor limitante de la producción durante el periodo invernal. En consecuencia es de gran interés utilizar geometrías, estructuras y materiales de cubierta muy transmisivas, y que puedan limpiarse con facilidad. Temperatura Las instalaciones estudiadas han mostrado una distribución horizontal de temperaturas bastante uniforme, con variaciones inferiores a 2 ºC en el invernadero de malla y menores de 3,5 ºC en los nuevos invernaderos con cubierta de PE. Como era de esperar, en estos últimos se registran temperaturas medias algo más altas y máximas absolutas notablemente mayores que en el de malla (Fig. 11). Las mínimas nocturnas han sido muy similares para todas las instalaciones, registrándose valores extremos que llegan a descender por debajo de los 12 ºC, temperatura de parada fisiológica del tomate (Fig. 9), aunque ello sólo ocurre durante cortos periodos de tiempo (Fig. 12). 40 Temperatura (ºC) oct nov dic ene feb mar abr may Malla PE Fig. 11. Temperaturas medias semanales y valores extremos (máximas y mínimas absolutas) registrados en los dos invernaderos estudiados. La banda sombreada corresponde al intervalo óptimo para el cultivo de tomate ( ºC) y la línea de puntos a la temperatura base (12 ºC). (Datos de la campaña 06-07). No obstante, al nivel del dosel de las plantas, pueden registrarse temperaturas inferiores a los ºC (mínima para el óptimo comportamiento productivo del tomate) durante periodos de tiempo considerables (Fig. 12), al menos en algunas campañas, mostrando un peor comportamiento a este respecto la instalación tradicional de malla, como se observa al estudiar las medias de las mínimas semanales (Fig. 13). 100% 100% 80% 80% 60% 40% % 0% Malla PE Tª diurna >26,8ºC 22-26,8ºC < 22ºC 60% 40% % 0% Malla PE Tª nocturna >ºC 18-ºC < 18ºC <12ºC Fig. 12. Porcentajes de tiempo con temperatura en el rango óptimo para el cultivo de tomate, y a niveles superiores o inferiores a dicho rango, durante el día (izquierda) y la noche (derecha) en las instalaciones de malla preexistentes y el nuevo invernadero multicapilla, con cubierta de PE. (Datos de la campaña 06-07). 19

20 PROYECTO INIA - RTA C02 30 Media de las mínimas Temperatura Media (ºC) Semana Malla Mcapilla Mtunel A Curvo Mtunel A Gótico Figura 13.- Variación de los valores medios semanales de temperaturas mínimas registrados al nivel del dosel de las plantas en cada una de las instalaciones estudiadas (Datos de la campaña 08-09). Por el contrario, las situaciones de exceso de calor (temperaturas mayores de 26,8 ºC) son más frecuentes en los invernaderos con cubierta de plástico, donde pueden llegar a suponer en torno al 10-% del tiempo total de cultivo algunas campañas (Fig. 13). No obstante, parece que ello sólo ocurre algunos años, centrándose el problema al inicio y final de la zafra, como muestran los valores medios de las máximas semanales, que en otras zafras nunca llegan a niveles excesivos y sólo superaron los 25 ºC en la fase final del cultivo (Fig. 14). 30 Media de las máximas Temperatura (ºC) Semana Malla Mcapilla Mtunel A Curvo Mtunel A Gótico Figura 14. Variación de los valores medios semanales de temperaturas máximas registrados al nivel del dosel de las plantas en cada una de las instalaciones (Datos de la campaña 08-09). Humedad relativa Todas las instalaciones mostraron valores medios de la humedad relativa dentro del rango recomendado (60-80%) la mayor parte del ciclo de cultivo (Fig. 15). No obstante, Los valores extremos (máximos y mínimos absolutos semanales) muestran que la humedad ambiental sufre amplias oscilaciones; descendiendo notablemente en las horas centrales de los días soleados y de modo prologado con ocasión de la entrada de vientos cálidos y secos del W (siroco), a la vez que alcanza valores cercanos a saturación la mayor parte de las noches. Este comportamiento ha sido muy similar en todas las campañas, siendo las oscilaciones diurnas de humedad relativa más acusadas en los invernaderos con cubierta de polietileno, cuyo comportamiento es muy similar a este respecto, que en las instalaciones de malla (Figs. 15 y 16).

21 Ecodiseño y manejo sostenible de invernaderos para cultivo de tomate en Canarias. 100 Humedad relativa (%) oct nov dic ene feb mar abr may Malla PE Fig. 15. Humedad relativa registrada en la instalación tradicional cubierta de malla y en el invernadero de raspa y amagado, tipo Motril (PE). Medias semanales y valores extremos (máximas y mínimas absolutas). La banda sombreada corresponde al intervalo que se considera óptimo para el cultivo de tomate (60-80%). 100 Canario tradicional, cubierta plana de malla 100 Tipo Motril, raspa y amagado cubierta PE Humedad relativa (%) Humedad relativa (%) oct nov dic ene feb mar abr may 0 1 oct nov dic ene feb mar abr may Figura 16. Oscilaciones diarias de humedad relativa en la instalación tradicional cubierta de malla (izquierda) y bajo el invernadero multicapilla de raspa y amagado, tipo Motril (derecha). (Datos de la campaña 08-09). La banda sombreada corresponde al intervalo que se considera óptimo para el cultivo de tomate (60-80%). Al estudiar el número de horas en que los valores de humedad relativa fueron inferiores a los recomendados en la campaña 07-08, se obtuvieron pocas diferencias entre la instalación de malla y el nuevos invernadero multicapilla con cubierta de PE, tipo Motril, 38-40% y 34-35% del total respectivamente. Los niveles de humedad relativa pueden llegar a ser extremadamente bajos (<30%) en las horas centrales de algunos días, de modo que el deficit de presión de vapor (DPV) supere 1,5 kpa, valor que se considera el máximo compatible con una buena productividad durante un tiempo más o menos largo. La situación se agrava cuando afecta el siroco, ya que el DPV puede alcanzar e incluso superar los 3 kpa (Fig. 17). El sistema de nebulización a baja presión, gestionado mediante un controlador, diseñado por el equipo IRTA, que calcula los tiempos de funcionamiento e intervalos de reposo en función del déficit de presión de vapor, se ha mostrado eficaz para atenuar las situaciones extremas de baja humedad y elevada temperatura que se ocasionan en caso de siroco. 21

22 PROYECTO INIA - RTA C Temperatura (ºC) Humedad relativa (%) Deficit Presión Vapor (kpa) marzo 9 marzo 10 marzo marzo 9 marzo 10 marzo Tª Malla Tª PE HR Malla HR PE DPV Malla DPV PE Fig. 17. Temperatura y humedad relativa (izquierda), y déficit de Presión de Vapor (derecha) en situación de siroco (8-9 marzo) y de predominancia de los alisios (10 marzo), para las dos instalaciones estudiadas. Medidas de velocidad de viento Los resultados preliminares obtenidos, al estudiar el efecto de los deflectores, permiten observar que la velocidad del viento exterior se ve frenada considerablemente al incidir en el invernadero, y es notablemente menor a la altura de la ventana, experimenta un aumento bajo el deflector, y posteriormente se reduce, observándose los valores más bajos en el pasillo entre la primera y segunda nave (Fig. 18). Los valores medidos a la altura de la ventana y bajo el deflector muestran una buena correlación, al igual que los medidos bajo el deflector y entre la primera y segunda nave. Menos clara parece la relación entre la velocidad del viento en el exterior y las medidas efectuadas dentro del invernadero. Ventana adicional a la altura del canalón. Los primeros datos procesados parecen confirmar que se produce una salida de aire por la ventana del canalón, pero otros datos obtenidos en anemómetros colocados en el interior no muestran una tendencia clara 1,6 8,0 Velocidad interior (m s -1 ) 1,4 1,2 1,0 0,8 0,6 0,4 0,2 7,0 6,0 5,0 4,0 3,0 2,0 1,0 0,0 9:00 9:35 10:05 10:35 11:05 11:35 12:05 12:35 13:10 13:40 14:10 14:40 15:10 15:40 Velocidad exterior (m s -1 ) 0,0 Ventana Deflector Pasillo Exterior Figura 18. Velocidad de viento en tres puntos del invernadero (ventana cenital, bajo el deflector y en la zona de pasillo entre la primera y segunda nave), y en el exterior como referencia (23/03/09). 22

23 Ecodiseño y manejo sostenible de invernaderos para cultivo de tomate en Canarias. 4.5 Evaluación ambiental: Análisis de impacto Los principales resultados han revelado que cuatro procesos: comercialización, equipo auxiliar, fertilizantes e infraestructura son los que más contribuyen al impacto ambiental de la producción de tomate (Fig. 19). 100% 80% 60% 40% % 0% -% AA AR EU CC OD FO CED Transporte Almacenamiento Empaquetado Gestión residuos Ventilación Operaciones culturales Pesticidas Fertilizantes Plantel Desalinazación Substrato Sistema de riego Infrastructura Figura 19. Porcentaje de impacto del cultivo de tomate en sustrato de picón bajo invernadero multicapilla, de raspa y amagado tipo Motril para diferentes categorías y los diferentes procesos considerados. AA: acidificación del aire, AR: agotamiento recursos no renovables, EU: eutrofización, CC: cambio climático, OD: agotamiento de la capa de ozono; FO: formación de oxidantes fotoquímicos, CED: demanda de energía. El proceso de comercialización muestra una importante contribución para la mayoría de las categorías, por el aspecto de transporte pero también por el empaquetado. Debido a que el agua de riego procede de desalinización, el consumo hídrico conlleva un alto gasto energético, derivado del proceso de desalinización. En consecuencia se aconsejan estudios más profundos a este respecto. El uso de fertilizantes contribuye especialmente a la categoría de cambio climático, sin duda éste es un aspecto que puede ser mejorado corrigiendo las dosis de fertilizantes, especialmente si se considera el alto consumo de agua para riego, o utilizando sistemas semicerrados. La infraestructura del invernadero contribuye principalmente a las categorías de agotamiento de recursos no renovables. La comparación entre invernaderos industriales tipo multitunel y los artesanales de raspa y amagado tipo Motril muestra que los multitúnel resultan casi dos veces más impactantes que el de tipo Motril, esto se debe principalmente a la mayor cantidad de acero que encontramos en el techo de los primeros. La comparación entre substratos muestra que la utilización de sustrato local picón frente a un sustrato importado como es lana de roca reduce los impactos potenciales. El apartado de manejo de residuos procedentes de la biomasa o planta de tomate se apunta como otro de los temas prioritarios a tener en cuenta desde el punto de vista ambiental. Por último, cuando en el estudio se considera el incremento de energías renovables previsto en el Plan Energético del Gobierno Canarios (PECAN 06) para el 15, en el subproceso de equipo auxiliar (más dependiente de la energía local) mejoran las diferentes categorías de impacto entre un y un 30%. 23