INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL
ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA
MECÁNICA Y ELÉCTRICA
Automatización de Clima Para un Invernadero
T E S I S
Que para obtener el título de:
Ingeniería en Control y automatización
PRESENTA
Omar Guadarrama León
Asesores
ING. Adrián Esteban Mejía García
ING. José Luis Aguilar Juárez
3
Agradecimientos.
En especial a mis hermanas, Gloria y Cristina por su apoyo
incondicional durante el tiempo que me ha tomado concluir esta
carrera, gracias por su cariño y comprensión.
A mis profesores que incondicionalmente me asesoraron durante el
desarrollo de este trabajo.
4
INDICE GENERAL
INDICE GENERAL ... 4
INDICE DE FIGURAS... 10
RESUMEN ... 16
INRODUCCIÓN ... 17
OBJETIVO GENERAL ... 18
OBJETIVOS ESPECÍFICOS ... 18
PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA ... 19
JUSTIFICACIÓN ... 20
CAPÍTULO 1 ANTECEDENTES... 22
1.1 Invernaderos ... 22
1.2 Clima en los invernaderos ... 24
CAPÍTULO 2 MARCO TEORICO ... 27
2.1 Tipos de invernaderos ... 27
2.1.1 Invernadero tipo plano ... 28
2.1.2 Invernadero tipo raspa y amagado... 28
2.1.3 Invernadero tipo túnel ... 29
2.1.4 Invernaderos tipo capilla ... 29
2.2 Tipos de biodigestores ... 31
2.2.1 De campana flotante o tipo hindú ... 31
2.2.2 De cúpula fija o tipo chino ... 31
2.2.3 Biodigestor tubular plástico... 32
5
2.4 Usos de sistemas de biogás ... 34
2.5 Características del biogás ... 38
2.6 Combustión del biogás. ... 38
2.7 Purificación del biogás ... 39
2.7.1 Eliminación del CO2 ... 39
2.7.2 Eliminación del H2S ... 40
2.8 Empresas de inversión de invernaderos en México ... 40
2.8.1 Bionatur ... 40
2.8.2 Almeriex, AMPUERO e INMEX, ... 41
2.8.3 VEGGIE PRIME SAPI de CV ... 42
2.9 Parámetros a considerar en un control climático. ... 42
2.9 .1 Temperatura. ... 43
2.9 .2 Humedad relativa (HR). ... 44
2.9 .3 Iluminación ... 45
2.9.4 CO2 ... 46
2.9.5 PH ... 47
2.10 Sistemas de clima para invernaderos ... 48
2.10.1 Sistemas de calefacción ... 48
2.10.2 Calefacción por agua caliente. ... 48
2.10.3 Calefacción por aire caliente ... 50
2.11 Combustibles para calefacciones ... 51
2.12 Políticas en México en relación al uso de tecnologías de producción de biogás ... 52
6
2.13 Controlador Lógico Programable (PLC). ... 55
2.13.1 Estructura básica de un PLC... 56
2.13.2 Tipos de PLC ... 57
2.14 Control automático ... 58
2.15 Tipos de control ... 59
2.15.1 Control de lazo abierto. ... 59
2.15.2 Control de lazo cerrado. ... 60
2.16 Controladores ... 62
2.16.1 Control proporcional ... 63
2.16.2 Control integral ... 64
2.16.3 Control derivativo ... 64
2.16.4 Control PI (proporcional Integral) ... 65
2.16.5 Control PD (proporcional Derivativo) ... 66
2.16.6 Control PID ... 67
CAPÍTULO 3 SITUACIÓN ACTUAL ... 69
3.1 Estado actual del invernadero. ... 69
3.2 Características de las variables para el sistema climático de acuerdo al método de cultivo del jitomate ... 74
3.2.1 Temperatura ... 76
3.2.2 Humedad relativa. ... 76
3.2.3 Riego del cultivo ... 77
3.2.4 El pH. ... 77
3.2.5 El CO2 ... 77
7
3.3 Sistemas auxiliares para el cultivo del invernadero ... 78
3.3.1 Sistema de calefacción y ventilación ... 78
3.3.2 Sistema de riego ... 78
CAPÍTULO 4 DESCRIPCIÓN DEL SISTEMA PROPUESTO ... 79
4.1 Plano general del diseño para el invernadero ... 82
4.2 Medidas y ubicación de componentes para el invernadero ... 84
4.2.1 Medidas de altura de las instalaciones ... 85
CAPÍTULO 5 DISEÑO DEL SISTEMA ... 90
5.1 Diagrama de flujo del sistema ... 90
5.2 Selección de sensores y actuadores para la automatización del invernadero ... 92
5.2.1 Temperatura ... 92
5.2.2 Humedad ... 94
5.2.3 PH ... 95
5.2.4 Sensor de CO2 ... 96
5.2.6 Sensor de presión ... 98
5.2.7 Sensor de flama ... 98
5.2.8 Válvula de control del biogás... 99
5.2.9 Quemador ... 100
5.2.10 Ignitor. ... 101
5.2.11 Ventiladores. ... 102
5.2.12 Elementos para el sistema de riego ... 103
5.2.13 Sensor de nivel ... 103
8
5.3.1 Calculo de conductores para la red eléctrica del invernadero ... 107
5.3.2 Cálculo de interruptores para la red eléctrica en el CCM. ... 109
5.3.3 Cálculo de los interruptores termomagnéticos ... 111
5.4 Determinación del número de entradas y salidas del sistema. ... 114
5.5 Selección del PLC ... 116
5.6 Diseño de la red de comunicación. ... 118
5.6.1 Características físicas de la red ... 119
5.6.2 Conexiones físicas de la Red Devicenet. ... 127
5.7 Análisis de la planta. ... 132
5.7.1 Función de transferencia de la planta ... 135
5.7.2 Función de transferencia de la válvula ... 136
5.7.3 Diseño del controlador. ... 138
5.8 Diagramas de flujo propuestos para la programación de los sistemas del invernadero ... 140
5.9 Configuración de la red de comunicación Devicenet. ... 142
5.6.1 Configuración del driver de comunicación. ... 144
5.6.2 Configuración del rack PLC Rslogix 5561 ... 145
5.6.3 Configuración de comunicación Devicenet. ... 147
5.7 Programacion del Sistema de riego ... 149
CAPÍTULO 6 ANÁLISIS DE COSTOS ... 151
6.1 Costos relacionados a la construcción de un biodigestor ... 151
6.2 Análisis del costo de producción y consumo del Biogás. ... 152
6.2.1 Comparaciones de uso en gases LP Natural Y Biogás. ... 152
9
6.4 Análisis de Gastos anuales para el invernadero. ... 156
6.5 Inversión de vegetales en el cultivo. ... 157
6.6 Inversión del Biodigestor y los sistemas de automatización ... 158
6.7 Análisis de recuperación de la inversión ... 158
CAPÍTULO 7 CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES ... 162
Anexos ... 167
1.1 Diseño de la red Devicenet Del invernadero con el software: Integrated Architecture Builder ... 167
1.2 Documentación del proyecto DEVICENET (Plataformas para el proyecto) ... 172
INDICE DE TABLAS Tabla 2.1 Artefactos que usan biogás. ... 35
Tabla 2.2 Rellenos sanitarios en México a 2010 con potencial de producir biogás. ... 37
Tabla 2.3 Características del biogás ... 38
Tabla 2.4 Temperaturas aptas de diferentes especies de verduras ... 43
Tabla 2.5 Comparación energética de combustibles ... 52
Tabla 2.6 Características de ganancias y tiempo de operación en los controladores ... 68
Tabla 3.1 Rangos de temperatura recomendados en el cultivo del jitomate. ... 76
Tabla 4.1 Sistemas en el clima del invernadero ... 80
Tabla 5.1 Distancia de las cargas de los motores ocupados para el invernadero ... 106
Tabla 5.2 Características físicas del tablero 8HS64 ... 114
Tabla 5.3 Elementos de función de entrada al PLC ... 115
Tabla 5.4 Elementos del sistema de control de temperatura. ... 115
10
Tabla 5.7 Identificación de los colores del cable en conexión ... 121
Tabla 5.8 Conexión para sensores en la red de comunicación. ... 125
Tabla 5.9 Características de los actuadores para la red de comunicación ... 127
Tabla 6.1 Consideraciones para construir un Biodigestor ... 151
Tabla 6.2 Comparación de gasto de gas. ... 153
Tabla 6.3 Comparación de gastos en diferentes Gases ... 153
Tabla 6.4 Materiales de la Red eléctrica. ... 154
Tabla 6.5 Equipos y elemento de los Sistema de Calefacción y Ventilación y Riego. ... 155
Tabla 6.6 Costos de los Sistema de la Red de comunicación y control ... 155
Tabla 6.7 Costo de operación de instalación del sistema automático. ... 156
Tabla 6.8 Análisis de recuperación de inversión. ... 159
Tabla 6.9 Comparación de Gastos en gas en 5 años ... 160
INDICE DE FIGURAS Figura 1.1 Foto de invernaderos. ... 22
Figura 2.1 Tipos de techo en invernaderos. ... 28
Figura 2.2 Invernadero tipo plano ... 28
Figura 2.3 Invernadero tipo túnel ... 29
Figura 2.4 Invernadero tipo capilla ... 30
Figura 2.5 Invernadero tipo capilla con estructuradiente de sierra ... 30
Figura 2.6 Invernadero con techumbre en arco ... 30
Figura 2.7 Biodigestor de campana flotante ... 31
Figura 2.8 Esquema del biodigesgtor de cúpula fija ... 32
11
Figura 2.10 Estructura del Biodigestor Tubular ... 33
Figura 2.11 Usos comunes del biogás ... 35
Figura 2.12 Marca de empresa Bionatur ... 41
Figura 2.13 Marca de empresa Almerimex ... 41
Figura 2.14 Marca de empresa Veggie Prime ... 42
Figura 2.15 Distribución de calefacción de agua por suelo. ... 50
Figura 2.16 Calefactor instalado en un invernadero. ... 51
Figura 2.17 Estructura del PLC ... 56
Figura 2.18 PLC compacto ... 57
Figura 2.19 PLC Modular ... 58
Figura 2.20 Diagrama de bloques de un lazo de control abierto ... 60
Figura 2.21 Diagrama de bloques de control de lazo cerrado. ... 62
Figura 2.22 Diagrama de bloques de un lazo de control cerrado ... 62
Figura 2.23 Controlador proporcional ... 63
Figura 2.24 Controlador integral ... 64
Figura 2.25 Controlador derivativo ... 65
Figura 2.26 Controlador Proporcional Integral ... 66
Figura 2.27 Control Proporcional Derivativo ... 66
Figura 2.28 Controlador derivativo. ... 67
Figura 3.1 Ubicación del invernadero ... 69
Figura 3.2 Foto del invernadero por fuera ... 70
Figura 3.3 Foto del invernadero, parte frontal (entrada) ... 70
12
Figura 3.5 Foto del invernadero, vista de la estructura ... 71
Figura 3.6 Foto del invernadero, vista al fondo del invernadero ... 72
Figura 3.7 Medidas del invernadero ancho x largo ... 72
Figura 3.8 Medidas de altura del invernadero ... 72
Figura 3.9 Modo de cultivo del invernadero en el cual se enfoca el diseño. ... 74
Figura 3.10 Fases de crecimiento del jitomate. ... 75
Figura 4.2 P-01 Plano general del invernadero. ... 83
Figura 4.3 Diseño del sistema de calefacción y ducto de aire hacia el invernadero. ... 84
Figura 4.4 Medidas del conjunto de aire y entradas al invernadero. ... 85
Figura 4.5 Medidas de altura del invernadero ... 86
Figura 4.6 Altura establecida de los componentes. ... 86
Figura 4.7 Estructura de soportey ventilador ... 87
Figura 4.8 Altura de los ventiladores . ... 88
Figura 4.9 Ubicación de los sensores dentro del invernadero. ... 88
Figura 4.10 Sistema de riego del invernadero. ... 89
Figura 5.1 Diagrama de flujo del sistema ... 90
Figura 5.2 Diagrama simple de flujo del proceso. ... 91
Figura 5.3 RTD PT100. ... 92
Figura 5.4 P-02 Diagrama de Tuberia e Instrumentación del invernadero ... 93
Figura 5.5 Anemómetro y diagrama de conexión ... 94
Figura 5.6 Sensor de humedad y diagrama de conexión. ... 94
Figura 5.7 Sensor de PH. ... 95
13
Figura 5.9 Medidor de CO2 y diagrama de conexión. ... 96
Figura 5.10 Lámpara Smart-e-level uso industrial. ... 97
Figura 5.11 Características de lámpara Smar e-level ... 97
Figura 5.12 Medidor de presión y diagrama de conexión. ... 98
Figura 5.13 Sensor de luz y diagrama eléctrico. ... 99
Figura 5.14 Válvula de control de flujo MN7505A2001. ... 99
Figura 5.15 Especificaciones del actuador. ... 100
Figura 5.16 Quemador adaptado con ventilador. ... 101
Figura 5.17 Ignitor MaxFire ... 101
Figura 5.18 Ventiladores SCHAEFER Código. VS-24 ... 102
Figura 5.19 Bomba de agua (Water Pump) y placa de datos. ... 103
Figura 5.20 Sensor de nivel y transmisor LVCN210 cables de configuración ... 103
Figura 5.21 Distancias de las cargas en los ejes x y. ... 105
Figura 5.22 Distribución de ventiladores en invernaderos ... 105
Figura 5.23 Ubicación del CCM. ... 107
Figura 5.24 P-03 Plano eléctrico del invernadero. ... 113
Figura 5.25 Gabinete tablero para control 8HS64 ... 114
Figura 5.26 Micrologix 1500 ... 116
Figura 5.27 Modos de configuración Devicenet. ... 119
Figura 5.28 Esquema general de comunicación. ... 120
Figura 5.29 Esquema de la red derivaciones de los nodos ... 121
Figura 5.30 Armor block de 8 entradas y Características ... 122
14
Figura 5.32 Bloque de comunicación Armor Point ... 124
Figura 5.33 Esquema de la Red de comunicación y módulos. ... 125
Figura 5.34 P-04 Plano de la red de comunicación del invernadero. ... 126
Figura 5.35 Arrancador para ventiladores y bombas, conexión electrica. ... 128
Figura 5.36 Contactor para ignitores y diagrama de conexión ... 128
Figura 5.37 Conexión T-port e identificación de terminales ... 129
Figura 5.38 Conexión de Resistencia Terminal ... 129
Figura 5.39 Conexión de los elementos... 130
Figura 5.40 Conexión Eléctrica del sensor de luz ... 131
Figura 5.41 Conexión fisica del sensor de Luz. ... 132
Figura 5.42 Conexión del sensor RTD PT 100. ... 132
Figura 5.43 Diagrama de flujo del sistema PLC, Válvula e invernadero. ... 133
Figura 5.44 Bloque de transferencia de la válvula ... 137
Figura 5.45 Diagrama de bloques del control de la planta... 137
Figura 5.46 Diagrama de bloques del control del sistema de calefacción. ... 138
Figura 5.47 Diagrama de bloques del sistema de calefacción en Matlab. ... 139
Figura 5.48 Grafica de respuesta del controlador. ... 139
Figura 5.49 Diagrama de flujo del sistema de Humedad. ... 140
Figura 5.50 Diagrama de flujo Calefacción. ... 141
Figura 5.51 Diagramas de flujo del sistema de riego e iluminación. ... 142
Figura 5.52 Configuracion de Dirección IP de la PC ... 143
Figura 5.53 Programa para IP del PLC... 144
15
Figura 5.55 Comunicación entre PC y PLC. ... 145
Figura 5.56 Configuraciones de los módulos del PLC en el programa. ... 146
Figura 5.57 Configuraciones de los módulos del PLC. ... 147
Figura 5.58 Visualización de los componentes de la red Devicenet ... 148
Figura 5.59 Adición de los Módulos de entradas y salidas. ... 148
Figura 5.60 Programa del sistema de riego ... 149
16
RESUMEN
Este trabajo se realizó con el fin de proponer un diseño de automatización para los principales sistemas de un invernadero ubicado en Cuajimalpa D.F. Anteriormente el invernadero estuvo en funcionamiento sin equipos automáticos para la producción de verduras, en el se cultivó aproximadamente solo por un año desde su construcción, para poder desarrollar la propuesta de diseño fue necesario hacer el levantamiento general del invernadero, analizar la red eléctrica para la adaptación de equipos digitales y mecánicos, así mismo se diseñó la propuesta de la red de comunicación Devicenet para la interacción entre mando de control y actuadores, el combustible propuesto para la generación de energía calorífica es el biogás que de acuerdo a investigación es menos contaminante que otros gases y ya que el horticultor tiene su propio biodigestor donde producirá biogás; se implementó el diseño del sistema de calefacción para el uso de este gas, esto da una ventaja de no tener que comprar otro combustible para la generación de calor.
La propuesta se desarrolló con el objetivo de reacondicionar y utilizar el invernadero el cual tiene un área de 495 m2 que actualmente está sin ocuparse y por lo tanto sin producción, lo que generara una pérdida de material y construcción del bien si no se readapta para producción.
Se ha propuesto el sistema automático de calefacción de acuerdo a las condiciones ambientales de la zona, que mayor parte del tiempo es fría y esto propicio principalmente a dejar de cultivar por afectaciones en los vegetales, como ejemplo se ha diseñado el sistema para la producción de jitomate tomando en cuenta las variables que conllevan a su desarrollo. Los resultados que se esperan obtener es aumentar la producción de
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INRODUCCIÓN
Los sistemas automáticos de climatización en invernaderos se han implementado desde hace tiempo con el fin de mantener un clima favorable y estable para las plantas que se deseen cultivar ya sean verduras o vegetales, para lograr el objetivo en un sistema automático de clima se requiere analizar las características de los invernaderos, ubicación y factores climáticos de la zona donde se encuentren, así como las características de las plantas a cultivar, es necesario realizar los proyectos de acuerdo a las normas de construcción y estándares de operación de equipos. Últimamente se ha hecho auge al desarrollo de la energía renovable, como el biogás utilizado principalmente en la generación de electricidad a pequeña escala con máquinas de combustión y utilización en casa habitación en diferentes partes del mundo, para poder emplear las energías renovables a gran escala se requiere de investigación y aplicación de tecnologías avanzadas, lo cual muchas veces no llega a sectores de medianos recursos, sin embargo la falta de aplicación en estos sectores no debería ser un factor para no implementar sistemas que ayuden a pequeños y medianos productores.
El presente trabajo está enfocado al acondicionamiento de un sistema de clima que use biogás como combustible para la energía calorífica, el efecto real que tenga el biogás sobre las plantas deberá ser evaluando en el proceso de crecimiento de estas, ya que en la investigación no se han encontrado aplicaciones de biogás como recurso de energía directo para invernaderos, dependiendo de la materia prima utilizada para generar gas, se obtienen diferentes residuos que pueden ser tóxicos, la utilización de biogás en el sistema de calefacción propuesto de acuerdo a investigación es apta para el crecimiento
de las plantas por el bajo residuo tóxico de la combustión del biogás, así mismo la ocupación de CO2 desprendido de la combustión resulta ser benéfico para las plantas, la
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OBJETIVO GENERAL
Realizar la propuesta para automatizar el clima de un invernadero empleando biogás como combustible, en el sistema de calefacción para reducir costos y contaminación.
OBJETIVOS ESPECÍFICOS
Realizar el levantamiento del invernadero
Diseñar la propuesta general para automatizar el invernadero, considerando las
variables de temperatura, humedad, PH, CO2 e iluminación.
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PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA
En la actualidad existen diferentes sistemas de calefacción para invernaderos, en los cuales el proceso para obtener su fuente de calor resulta con altos residuos de CO2
20
JUSTIFICACIÓN
En este trabajo se propone la automatización del clima de un invernadero; usando como recurso calefactor la quema de combustible biogás producido por la descomposición de plantas y heces animales, la distribución de calor dentro de la atmosfera del invernadero se hará por medio de conducción de aire caliente por ductos metálicos, el aire caliente reconducirá por medio de ventiladores, este proceso se propone con el fin de aprovechar un recurso poco contaminante para el medio ambiente, otros sistemas de calefacción como los de resistencia eléctrica, quema de combustibles provenientes del petróleo como el gas Lp. o diésel para calderas en donde se calienta agua o aire para sistemas climatizados tienen una generación alta de CO2. Por otra parte el consumo de estos
combustibles genera un costo elevado para los productores de cultivos que tienen pocos invernaderos, es decir los sistemas en donde se emplea la quema de combustibles derivados del petróleo para acondicionar climas, son redituables cuando existen un número considerable de invernaderos de los cuales se obtiene una producción elevada de verduras.
En este trabajo se busca apoyar a pequeños productores que no cuentan con demasiados invernaderos y que tienen recursos ganaderos, es por eso que se ha buscado el empleo de la combustión de biogás como fuente energética para generar calor siendo así un proyecto redituable para invernaderos independientes generalmente donde se tienen animales de granja o ganado de los cuales se utilizan las heces para la generación de biogás, es decir el horticultor adaptara un biodigestor independiente para la producción de su propio combustible que será utilizado en el sistema de calefacción.
21 Principalmente en los costos a considerar para a la generación del biogás se toma en cuenta la mano de obra para las labores que conlleva la producción, en el capítulo 6 se encuentra el análisis de costos relacionados a la producción de biogás siendo más barato que otros gases.
El sistema de calefacción de aire caliente se propone de acuerdo a las condiciones climáticas del área donde se pretende implementar; ya que las temperaturas son bajas la mayor parte del tiempo, la característica de elección sobre los otros sistemas de calefacción es que se debe tener una respuesta rápida sobre los parámetros de temperatura, los sistemas de aire caliente resultan ser más rápidos en calentar el ambiente que los de climatización por medio de vapor de agua ya que en medida que se comienza a calentar el aire se suministra hacia la atmosfera, sin demora mayor, como ocurre en los sistemas de calderas de agua los cuales se espera hasta alcanzar el punto de ebullición del agua para suministrarlo, en estos sistemas se utiliza mayor combustible para llevar a cabo esta tarea, en los sistemas de aire caliente se utiliza solo el necesario para estabilizar las condiciones de la atmosfera del invernadero.
22
CAPÍTULO 1 ANTECEDENTES
1.1 Invernaderos
Los invernaderos dan la posibilidad de cultivar cualquier especie vegetal, dotándola de condiciones óptimas para su reproducción y crecimiento". Los invernaderos proporcionan una barrera para las condiciones climatológicas externas logrando condiciones ambientales diferentes en el interior su ubicación depende del terreno donde se construyan de acuerdo a las corrientes del viento y la cantidad de luz que puedan recibir, como se observa en la siguiente figura.
Figura 1.1 Foto de invernaderos.
Además de los factores climatológicos, se puede controlar el acceso de agentes biológicos y físicos que puedan afectar al adecuado desarrollo de la especie que se encuentra en el interior del recinto.
Los invernaderos aprovechan el efecto producido por la radiación solar, que al atravesar un vidrio u otro material traslúcido calienta los objetos que hay dentro, esta utilización de la radiación solar se le conoce como efecto invernadero, que produce el agua y el dióxido de carbono al absorber la radiación infrarroja proveniente del sol provocando un aumento de temperatura dentro de un espacio determinado.
Las ventajas del uso de invernaderos son:
23 Protegen a las plantas del frío o calor, acelerando la producción.
Rápido crecimiento y aumento de calidad del cultivo. Menor consumo de recursos hidrológicos y fertilizantes. Protección de las condiciones meteorológicas extremas. Control de clima interno.
Mejor uso del suelo.
Producción fuera de época.
Mejor control de insectos y enfermedades.
Posibilidad de obtener más de un ciclo de cultivo al año.
La utilización de nuevas tecnologías otorga un sin fin de ventajas, pero por otro lado, también implica inconvenientes o desventajas importantes:
Alta inversión inicial. Costo de operación.
Requiere personal especializado, de experiencia práctica y conocimientos teóricos.
Los materiales de cubierta para invernadero son elementos plásticos que cubren el cultivo de las inclemencias climáticas externas, el material con que estén recubiertos los invernaderos afecta directamente a la cantidad de temperatura que pueda encontrarse dentro, en el diseño de un sistema de clima se toma en cuenta los tipos de cubiertas en invernaderos de acuerdo a sus características en resguardo de la temperatura.
Los materiales comunes para cubierta son los siguientes: Lámina flexible
Polietileno Copolímero
24 Poliéster
Polimetracrilato de vinilo Cristal.
Los primeros invernaderos se construyeron de estructuras de madera y vidrio, los cuales satisfacían las necesidades de cultivar verduras o plantas, fueron construcciones útiles pero poco duraderas. La humedad y el calor facilitaban la descomposición rápida de la madera y en pocos años las instalaciones quedaban arruinadas, con el paso de los años se desarrollaron nuevos materiales y plásticos que solucionaban el problema de la durabilidad de los primeros invernaderos; además estos materiales otorgaban nuevas ventajas en relación al manejo de la temperatura interna en el invernadero. [1]
1.2 Clima en los invernaderos
Para la climatización de los invernaderos, surgió la necesidad de controlar las variables inmersas en su ambiente, lo que dio lugar a la utilización de componentes electrónicos que eliminarían el trabajo manual de activación de sistemas de aireación o la ventilación manual. Inicialmente la electrónica en invernaderos era simple, los primeros sistemas construidos eran conocidos como ciclos de control independiente; en éstos se empleaba calefactores, ventiladores, nebulizadores, etc., los cuales eran activados manualmente por periodos de tiempo, pero al manejar las variables por separado la activación o desactivación de cada componente mecánico o electrónico afectaba a otras variables. Cada variable física como la temperatura y humedad depende una de la otra y al tratar de eliminar o controlar cada variable por separado fue casi imposible. Lo mejor era tratar de entender la correlación entre cada una de las variables y utilizar un sistema de control que tratara la temperatura como un elemento único pero que en su control se pudiera usar los dispositivos mecánicos que afectaran la temperatura y humedad.
25 encapsulados se redujo considerablemente el tamaño de los equipos. Las nuevas tecnologías utilizan microprocesadores, microcontroladores y otros tipos de dispositivos que simplifican el diseño e incrementan la confiabilidad, además de reducir el costo y el tiempo de diseño de los sistemas a implementar.
El primer problema en los sistemas de control de temperatura era el uso de esquemas de ciclos de control independiente, en estos sólo se activaba un único dispositivo mecánico o electrónico, se requerían sistemas que controlaran la variable de la temperatura pero no sólo sistemas que se conformaban con activar/desactivar un sólo tipo de dispositivo mecánico, esto impedía que el operador se dedicara a otra actividad que no fuera exclusivamente la de cuidar los valores de temperatura en el interior del invernadero. Lo que se pretendía era dejar de usar un sistema para la comparación de los niveles de temperatura, otro sistema para la toma de decisiones al modificar los niveles altos o bajos de temperatura y un sistema más para activa/desactivar los dispositivos mecánicos. El segundo problema de los sistemas de control de invernaderos fue el excesivo cableado a largas distancias. Los típicos sistemas de control tenían la necesidad de contar con una única unidad central de procesamiento de datos por cada sensor de temperatura, es decir, cada sensor tenía un cableado hacia la central de datos, pero el principal problema radicaba en la lejanía entre los sensores y la Unidad Central. Esto agravaba problemas en el incremento de la sensibilidad a interferencias electromagnéticas, degradación de señales eléctricas (teniendo que hacer uso de dispositivos como amplificadores y/o repetidores de señales), mayor mantenimiento de líneas.
Por otra parte, la carencia de una interfaz gráfica para el usuario en el control de
invernaderos es común, ya que no es habitual que los sistemas ofrezcan un interfaz gráfica, fácil de utilizar para el usuario y que permita la comunicación entre las distintas partes que conforman el sistema. Esta carencia se puede solventar actualmente gracias al desarrollo de software que permite controlar las variables del invernadero previamente programadas.
27
CAPÍTULO 2 MARCO TEORICO
2.1 Tipos de invernaderos
Los invernaderos tienen diferentes tipos de cubierta (techumbre), para algunas formas del techo diversamente orientadas se refieren a la radiación luminosa incidente sobre la superficie del techo y a la que penetra en el interior sobre una superficie paralela al techo, considerando un índice de 1.5 de refracción del material.
El diseño de armazón del invernadero es una de las partes más importante que los horticultores deben decidir, ya que implica el gasto más elevando dentro de la inversión de un negocio que involucre a los invernaderos. El diseño y tipo de estructura define el potencial del invernadero para ventilarse o la entrada y almacenaje de radiación solar que finalmente se convierte en un aumento temperatura. La luminosidad y radiación solar son importantes para aumentar la fotosíntesis de las plantas y elevar la temperatura del invernadero.
Existe una gran variedad de tipos de invernaderos, algunos de estos cuentan con ventajas y desventajas importantes al momento de manipular los valores de temperatura. Es conveniente estudiar los tipos de estructura y en base a ese análisis poder seleccionar el sistema de control de temperatura idóneo.
28 Figura 2.1 Tipos de techo en invernaderos.
2.1.1 Invernadero tipo plano
El invernadero tipo plano suele tener mala ventilación. La instalación de ventanas cenitales es bastante difícil al igual que su mecanización, debido al excesivo número de postes, alambres, piedras de anclaje, etc.
Los invernaderos tipo planos pueden ser débiles si se desean instalar componentes mecánicos en su estructura horizontal ya que no soportaría un dispositivo de gran peso. Por lo tanto, se deberá considerar la ligereza al momento de diseñar el prototipo para que pueda ser instalado en este tipo de invernaderos.
Figura 2.2 Invernadero tipo plano
2.1.2 Invernadero tipo raspa y amagado
29 Se podrían mencionar las mismas desventajas que otorgan los tipos planos, pero el de raspa y amagado otorga una altura mayor en comparación al tipo plano. La condensación se llevaría a cabo más arriba del cultivo y el aumento de la altura significaría más espacio para calentar o enfriar.
2.1.3 Invernadero tipo túnel
Se caracteriza por la forma de su cubierta y por su estructura totalmente metálica. El empleo de este tipo de invernadero es extendido por su mayor capacidad para el control de los factores climáticos, su gran resistencia a fuertes vientos y su rapidez de instalación al ser estructuras prefabricadas.
[image:29.612.351.512.347.467.2]La ventilación se realiza mediante ventanas cenitales que se abren hacia el exterior del invernadero y ventanas a sotavento.
Figura 2.3 Invernadero tipo túnel
2.1.4 Invernaderos tipo capilla
30 Figura 2.4 Invernadero tipo capilla
Figura 2.5 Invernadero tipo capilla con estructuradiente de sierra
31
2.2 Tipos de biodigestores
2.2.1 De campana flotante o tipo hindú
Principalmente se construían biodigestores con ladrillos, cemento y acero para la campana que flota sobre el residual del digestor que es donde se almacena el biogás, más tarde se desarrolló la tecnología KVIC con campana de diversos materiales como: ferro cemento, fibra de vidrio, polietileno de alta densidad, láminas rígidas de PVC y hasta de cemento y bambú, esta variante se construye de forma vertical u horizontal y en cuanto a su uso social y volumen pueden ser individuales o comunales.
Este tipo de biodigestor está compuesto principalmente por una campana de acero que flota sobre el digestor, a medida que el biogás ejerce presión la misma sube almacenando el gas producido, además dispone de depósito para la recepción de los residuales y tuberías de entrada y salida. A diferencia de la campana, el resto de los materiales que se utilizan en su construcción son materiales convencionales.
Figura 2.7 Biodigestor de campana flotante
2.2.2 De cúpula fija o tipo chino
Se puede construir con diferentes materiales siguiendo un diseño básico en el que el biogás es colectado en una cúpula fija.
32 Figura 2.8 Esquema del biodigesgtor de cúpula fija
Figura 2.9 Partes físicas del biodigestor de cúpula fija
2.2.3 Biodigestor tubular plástico
Este tipo de digestor originalmente fue desarrollado en Taiwán, algunas de las ventajas de los biodigestores plásticos residen en que se pueden construir con materiales locales y no son sofisticados. Por otra parte la construcción y mantenimiento de estos reactores son fáciles, rápidas de hacer y sencillas, por lo que no requieren ningún adiestramiento especial.
33 plasticador, estabilizador y otros ingredientes. Al principio los digestores de RMP se hacían tubulares, más tarde se construyeron en forma de tiendas de campaña. [2]
Figura 2.10 Estructura del Biodigestor Tubular
El Biodigestor tipo bolsa tubular es el que se tiene contemplado emplear en el invernadero, para producción del biogás.
2.3 Situación actual del biogás.
De acuerdo con un estudio del Instituto de Ingeniería de la UNAM, la ciudad de México cuenta con el potencial para producir entre uno y dos millones de metros cúbicos de biogás, cantidad suficiente para generar el 10 % de la energía eléctrica que se consume. Según el investigador Simón González Martínez, en la capital se producen diariamente 13 mil toneladas de residuos sólidos al día, de los cuales seis mil son material orgánico, por lo que con un sistema de digestión anaerobia se puede producir el combustible.
A diferencia de México en Europa se han instalado 184 plantas comerciales para la generación de biogás a partir de residuos sólidos orgánicos urbanos.
Como México es una nación petrolera no se han hecho esfuerzos, a nivel de políticas públicas por buscar fuentes alternativas de energía, ya que para que la basura pueda
transformarse en fuente de energía se requieren estrategias institucionales.
34 del D.F. Para mejorar la capacidad de producción de biogás mediante la digestión anaerobia.
Otro ejemplo comparativo es que en Alemania ocupan basura de países del tercer mundo para producir su propia energía eléctrica, y en México que existe basura de sobra no se ha sabido aprovechar.
Actualmente la Ciudad de México es una de las entidades del país donde ya se pretende el aprovechamiento de los residuos sólidos para la producción de energía a partir de la degradación de esta. En la administración de Marcelo Ebrard, el Gobierno del Distrito Federal presentó a embajadores de Reino Unido y Francia, representantes de España Japón y Estados Unidos la convocatoria internacional de licitación Bordo Poniente.
Tras un largo proceso de licitación, anunció que la empresa BMLMX Power Company sería la firma encargada de la captura del biogás del relleno sanitario.
Con el cierre definitivo según estimaciones del gobierno capitalino se dejarán de emitir 1.8 millones de toneladas de bióxido de carbono (CO2) al año y se generarán 58
megawatts/hora. [7]
2.4 Usos de sistemas de biogás
Los biodigestores más utilizados en la agricultura son los de régimen semicontinuo, y su adaptación es de acuerdo a su principio de funcionamiento.
En la actualidad en México existen zonas donde se produce biogás para consumo en casa habitación, principalmente es en granjas donde hay ganado que se realiza la producción de biogás para este fin, otro uso del biogás se ha dado para producir energía eléctrica con pequeñas plantas generadoras de electricidad las cuales son de sistema de combustión a gas, comúnmente. [8]
35 Figura 2.11 Usos comunes del biogás
En la siguiente tabla se observa un listado de los principales artefactos que utilizan biogás juntamente a su consumo medio y su eficiencia.
Tabla 2.1 Artefactos que usan biogás.
El biogás puede ser utilizado en motores de combustión interna tanto naftenos como diésel. El gas obtenido por fermentación tiene un octanaje que oscila entre 100 y 110 lo cual lo hace muy adecuado para su uso en motores de alta relación volumétrica de compresión, por otro lado una desventaja es su baja velocidad de encendido.
La proporción de H2S en el biogás causa deterioros en las válvulas de admisión y de escape
de determinados motores obligando a un cambio más frecuente de los aceites lubricantes. El grado de deterioro en los motores varía considerablemente y los resultados obtenidos experimentalmente suelen ser diferentes en cada caso.
ARTEFACTO CONSUMO RENDIMIENTO (%)
Quemador de cocina 300 - 600 l/h 50 - 60 Lámpara a mantilla (60W) 120 - 170 l/h 30 - 50
Heladera de 100 L -30 - 75 l/h 20 - 30
ARTEFACTO CONSUMO RENDIMIENTO (%)
Motor a gas 0,5 m3/kWh o HP 25 - 30
quemador de 10 kW 2 m3/h 80 - 90
Infrarrojo de 200 W 30 l/h 95 - 99
Cogenerador 1 kw elect. 0,5 m/kwh. 2kW térmica
36 Los motores a biogás tienen amplio espectro de aplicación siendo los más usuales el bombeo de agua, el picado de raciones y el funcionamiento de ordeñadoras en el área rural. Otro uso muy generalizado es el empleo para activar generadores de electricidad. [10]
En México la producción de biogás por grandes empresas en comparación con Europa y China entre otros países es realmente baja, Internacionalmente Alemania lidera la utilización de Biogás, este procede en un 51% de Europa del Oeste (Dinamarca, Holanda, Noruega y Reino Unido) y un 31% se importa desde Rusia. [4]
En México el manejo y disposición de los residuos sólidos urbanos representa un gran reto ambiental pues se calcula que apenas el 35% de los rellenos sanitarios bajo supervisión municipal cumplen con las normas ambientales (principalmente la NOM 083), tanto de operación como de construcción de un relleno sanitario.
La Norma Oficial Mexicana (NOM) 083 define las especificaciones para la selección del sitio, diseño, construcción, operación, monitoreo, clausura y obras complementarias de un sitio de disposición final de residuos sólidos urbanos y de manejo especial. La importancia de su cumplimiento es vital pues no solo impacta en el tema de la basura o desechos sólidos, sino también en la salud y en el aprovechamiento o quema del biogás.
En general prevalece el uso de modelos operacionales tecnológicamente rebasados y sin sustentabilidad. Igualmente son todavía menos los municipios que aprovechan el biogás para generar otras energías y beneficiarse de su explotación.
Un factor contribuyente a esta realidad es la heterogeneidad de los 2,440 municipios mexicanos, cada uno de ellos posee condiciones socioeconómicas, culturales y políticas distintas, además de capacidades institucionales, humanas, técnicas y financieras diferentes para atender sus respectivos problemas ambientales.
37 En México se generan aproximadamente 34.6 millones de toneladas de basura o 0.92 kg/habitación/día. De este universo el Estado de México y el Distrito Federal producen el 33%.
El tema de la cobertura de recolección de basura (o residuos sólidos) parece ser un reto menor pues es de casi el 90% más no así en cuanto a la capacidad de disposición final controlada, pues ésta es menor al 35%. Esto significa que el 65% restante de la basura suele ir a miles de tiraderos a cielo abierto (muchos ubicados en lugares peligrosos o inadecuados) y los residuos peligrosos no son separados.
En la tabla 2.2 se enlista lo que se considera son los mejores rellenos sanitarios mexicanos en la actualidad. Ciertamente en un principio enfrentaron desafíos pero hoy brindan múltiples beneficios a los habitantes de tales municipios.
Tabla 2.2 Rellenos sanitarios en México a 2010 con potencial de producir biogás.
38
2.5 Características del biogás
El contenido de energía de 1 m3 de biogás (60% CH4 y 40% CO2) es aproximadamente 6
kWh/m3. Esta energía puede ser almacenada en diferentes formas; gas a baja presión, media o alta, y usarse para obtener agua caliente o energía eléctrica.
Se llama biogás a la mezcla constituida por metano CH4 en una proporción que oscila entre
un 50% a un 70% y dióxido de carbono conteniendo pequeñas proporciones de otros gases como hidrógeno, nitrógeno y sulfuro de hidrógeno. Sus características se muestran a continuación.
Tabla 2.3 Características del biogás
CARACTERISTICAS CH4 CO2 H2-H2S OTROS BIOGAS 60/40 Proporciones
% Volumen
55-70 27-44 1 3 100
Valor Calorífico MJ/m3 kcal/m3 35,8 8600 -- -- 10,8 2581 22 5258 21,5 5140 Ignición
% en aire
5-15 -- -- -- 6-12
Temp. ignición en oC 650-750 -- -- -- 650-750
Presión crítica en Mpa. 4,7 7,5 1,2 8,9
Densidad Nominal en g/l 0,7 1,9 0,08 -- 1,2
Densidad relativa 0,55 2,5 0,07 1,2
Inflamabilidad Vol. en % aire
5-15 -- -- --
2.6 Combustión del biogás.
El biogás mezclado con aire puede ser quemado en un amplio espectro de artefactos descomponiéndose principalmente en CO2 y H2O. La combustión completa sin el exceso
de aire y con oxígeno puro, puede ser representada por las siguientes ecuaciones químicas.
CH4 + 202 +Δ =CO2 + H2O. ……….………..(2.1)
H2S + 202+Δ = SO2 + H2O. ……….………..… (2.2)
39 El requerimiento de aire mínimo sería del 21%, esta cifra debe ser aumentada para lograr una buena combustión.
La relación aire-gas puede ser ajustada aumentando la presión del aire, incrementando la apertura de la válvula dosificadora de gas (el biogás requiere de una apertura 2 a 3 veces mayor a la utilizada por el metano puro y modificando la geometría del paso de aire desde el exterior).
Debido al contenido de dióxido de carbono, el biogás tiene una velocidad de propagación de la llama lenta, 43 cm/seg. Y por lo tanto la llama tiende a escaparse de los quemadores. La presión para un correcto uso del gas oscila entre los 7 y los 20 mbar. Se debe tener cuidado en este aspecto por la caída de presión.
Para tener un sistema en el cual se reduce la contaminación es importante controlar los gases que se desprenden de la combustión, aunque en comparación con otros combustibles este es menor contaminante, sin embargo no deja de arrogar gases tóxicos al atmosfera.
2.7 Purificación del biogás
Para el uso de biogás como combustible es necesario purificar residuos no convenientes que se desprenden en la combustión, dependiendo del proceso en el que se utilizara el biogás se requiere una purificación principalmente de CO2 y H2S
2.7.1 Eliminación del CO2
El dióxido de carbono no tiene ningún poder calorífico y debe ser calentado en la combustión. Su eliminación no es aconsejable salvo en los casos de almacenaje del biogás a altas presiones debido a que sería inútil gastar energía de compresión y volumen de almacenaje de alto costo en un gas que no daría ningún beneficio adicional.
40
2.7.2 Eliminación del H2S
Determinados equipos requieren que el gas a utilizar se encuentre libre de SO2, debido a
que el mismo combinado con el agua da como resultado ácido sulfhídrico que corroe las partes vitales de algunas instalaciones.
El método más utilizado es hacer pasar el gas por un filtro que contiene hidróxido de hierro. El H2S del gas se combina con el hierro formando sulfuro de hierro según la
fórmula descripta más abajo. Esta reacción es reversible y el hidróxido de hierro puede ser regenerado exponiendo el sulfuro al aire con cuidado debido a que la reacción es exotérmica, liberando 603 kJ. [10]
2 Fe (OH)3 + 3 H2S Fe2S3 + 6 H2O + 63 kJ. ….…..…… .
Fe2S3 + 1,5 O2 + 3 H2O2 Fe(OH)3 + 1,5 S2 + 630 Kj. …. (2.5)
Debido a que el biogás en su mayor proporción es metano es conveniente quemarlo reduciendo así un factor que afecta la atmosfera principalmente, ya que la contribución al efecto invernadero del CH4, uno de los gases presentes que se generan en los rellenos
sanitarios es 21 veces más contaminante respecto al CO2 (Batool y Chuadhry 2008).[9]
2.8 Empresas de inversión de invernaderos en México
2.8.1 Bionatur
Esta empresa es líder en Latinoamérica en el cultivo de tomates de gran calidad mediante el método hidropónico, libre de pesticidas.
41 El control de temperatura para los cultivos de Bionatur, es principalmente de sistemas hidropónicos en los cuales se hidratan las plantas por medio de la irrigación de agua a temperatura apta para los tomates. [9]
Figura 2.12 Marca de empresa Bionatur
2.8.2 Almeriex, AMPUERO e INMEX,
Almeriex fue fundada en Agosto del año 2002, año en el que se comenzó la construcción de sus instalaciones en el área geográfica de La Laguna, en el municipio de Viesca, Coahuila; en las cercanías de la ciudad de Torreón, al norte-centro de la República Mexicana.
Cuenta a la fecha con 90 hectáreas de invernaderos, 35 hectáreas de malla sombra, un semillero de última generación para la producción de la plántula.
Actualmente cuenta con una producción anual de 20,000 toneladas de tomate bola en sus dos ciclos de cultivo, y de 4,500 toneladas de tomate roma.
AMPUERO e INMEX, son empresas mexicanas con más de 20 años de experiencia en el sector agrícola mexicano. [9]
42
2.8.3 VEGGIE PRIME SAPI de CV
Veggie Prime produce tomate redondo (Beefsteak) para distribuidores estadounidenses y pa a lie tes fi ales o o Cost o, “a ’s Clu o T ade Joe’s; p odu ió ue ya está vendida al 100%, anteriormente también ha cultivado pimiento dulce, tomates en racimo y tomate Cherry.
Veggie Prime busca seguir creciendo y encontrar alternativas al mercado norteamericano. Actualmente está desarrollando canales de distribución que la permitan exportar a Asia; un mercado que actualmente demanda mucho producto fresco. Japón es uno de los mercados en los que busca ingresar, aunque la empresa está abierta a ofertas de clientes de cualquier país.
Las instalaciones de Veigge Prime se encuentran en el estado de Querétaro. [9]
Figura 2.14 Marca de empresa Veggie Prime
2.9 Parámetros a considerar en un control climático.
El control ambiental está basado en manejar de forma adecuada todos aquellos sistemas instalados en el invernadero: sistema de calefacción, ventilación y los sistemas de control de las variables atmosféricas dentro del invernadero, así conseguir la mejor respuesta del cultivo y por tanto mejoras en el rendimiento, precocidad, calidad del producto y calidad del cultivo.
El desarrollo de los cultivos en sus diferentes fases de crecimiento, está condicionado principalmente por los siguientes factores ambientales o climáticos (variables): temperatura, humedad relativa, luz y CO2. Para que las plantas puedan realizar sus
43 recircular el aire de la atmosfera dentro y fuera del invernadero, por ejemplo dejar rendijas que se abren o ventanas es un modo económico de refrigerar un invernadero. La ventilación regula la humedad del aire y favorece la renovación del dióxido de carbono necesario para el proceso de fotosíntesis. Los sistemas de ventilación pueden ser manuales o automatizados. [1]
2.9 .1 Temperatura.
Este es el parámetro más importante a tener en cuenta en el manejo del ambiente dentro de un invernadero, ya que es el que más influye en el crecimiento y desarrollo de las plantas. Normalmente la temperatura óptima para las plantas se encuentra entre los 10 y 27oC. Para el manejo de la temperatura es importante conocer las necesidades y limitaciones de la especie cultivada. Así mismo se deben aclarar los siguientes conceptos de temperaturas, que indican los valores objetivos a tener en cuenta para el buen funcionamiento del cultivo y sus limitaciones:
Temperatura mínima letal: Aquella por debajo de la cual se producen daños en la planta. Temperaturas máximas y mínimas biológicas: Indican valores por encima o por debajo respectivamente del cual, no es posible que la planta alcance una determinada fase vegetativa, como floración, fructificación, etc.
Temperaturas nocturnas y diurnas: Indican los valores aconsejados para un correcto desarrollo de la planta.
En la tabla 2.4 se observan la exigencia de temperaturas mínimas y máximas a que se pueden adaptar diferentes tipos de verduras.
Tabla 2.4 Temperaturas aptas de diferentes especies de verduras
Temperaturas ºC TOMATE PIMIENTO BERENJENA PEPINO MELÓN SANDÍA
Mínima letal 0-2 (-1) 0 (-1) 0-1 0
Mínima biológica 10-12 10-12 10-12 10-12 13-15 11-13
Optima 13-16 16-18 17-22 18-18 18-21 17-20
Máxima biológica 21-28 23-27 22-27 20-25 25-30 23-28
44 La temperatura en el interior de un invernadero sin clima artificial está en función de la radiación solar, comprendida en una banda entre 200 y 4000 mm, la misión principal del invernadero será la de acumular calor durante las épocas invernales. El calentamiento dentro del invernadero se produce cuando el infrarrojo largo, procedente de la radiación que pasa a través del material de cubierta, se transforma en calor, esta radiación es absorbida por las plantas, los materiales de la estructura y el suelo, como consecuencia de esta absorción, éstos emiten radiación de longitud más larga que, tras pasar por el obstáculo que representa la cubierta se emite radiación hacia el exterior y hacia el interior, calentando el invernadero.
El calor se transmite en el interior del invernadero por irradiación, conducción, infiltración y por convección, tanto calentando como enfriando. La conducción es producida por el movimiento de calor a través de los materiales de cubierta del invernadero. La convección tiene lugar por el movimiento del calor por las plantas, el suelo y la estructura del invernadero. La infiltración se debe al intercambio de calor del interior del invernadero y el aire frío del exterior a través de las juntas de la estructura. La radiación, por el movimiento del calor a través del espacio transparente.
2.9 .2 Humedad relativa (HR).
La humedad es la masa de agua en unidad de volumen, o en unidad de masa de aire, la humedad relativa es la cantidad de agua contenida en el aire, existe una relación inversa de la temperatura con la humedad por lo que a elevadas temperaturas, aumenta la capacidad de contener vapor de agua y por tanto disminuye la HR. Con temperaturas bajas, el contenido en HR aumenta.
Cada especie tiene una humedad ambiental idónea para vegetar en perfectas condiciones: el tomate (rojo y verde), el pimiento y berenjena son estables con una HR sobre el 50-60%; el melón, entre el 60-70%; el calabacín, entre el 65-80% y el pepino entre el 70-90%.
45 crecimiento, se producen abortos florales por apelmazamiento del polen y un mayor desarrollo de enfermedades criptogámicas. Por el contrario, si es muy baja, las plantas transpiran en exceso, pudiendo deshidratarse, además de los comunes problemas de mal cuaje, para que la HR se encuentre entre lo más óptimo el agricultor debe ayudarse del higrómetro (medidor HR). El exceso puede reducirse mediante ventilado, aumento de la temperatura y evitando el exceso de humedad en el suelo. La falta puede corregirse con riegos, llenando canalillas o balsetas de agua, atomizando agua en el ambiente, ventilado y sombreado. La ventilación se puede realizar en forma natural o forzándola, siendo la ventilación natural la más utilizada y económica. En algunos casos se ventila solamente con la entrada de aire por ventanas laterales, mientras que en otros se usa la entrada de aire por las ventanas cenitales ubicadas en la techumbre de la construcción.
2.9 .3 Iluminación
A mayor luminosidad en el interior del invernadero se debe aumentar la temperatura, la HR y el CO2, para que la fotosíntesis sea máxima, por el contrario, si hay poca luz pueden
descender las necesidades de otros factores, para mejorar la luminosidad natural se usan los siguientes medios:
Materiales de cubierta con buena transparencia. Orientación adecuada del invernadero a la luz.
Materiales que reduzcan el mínimo las sombras interiores.
Aumento del ángulo de incidencia de las radiaciones sobre las cubiertas. Acolchados del suelo con plástico blanco.
En verano para reducir la luminosidad se emplean: Blanqueo de cubiertas.
Mallas de sombreo.
Acolchados de plástico negro.
Es interesante destacar el uso del blanqueo ya que esta labor está en función del
46 producen abortos de flores en determinadas especies sensibles a la luz (especialmente tomate, pimiento y berenjena), por lo que el manejo del riego y de la solución nutritiva tiene que ir unida al efecto que produce el blanqueo, los plásticos sucios o envejecidos provocan el mismo efecto que el blanqueo.
2.9.4 CO2
El anhídrido carbónico de la atmósfera es la materia prima imprescindible de la función clorofílica de las plantas. El enriquecimiento de la atmósfera del invernadero con CO2, es
muy interesante en muchos cultivos, tanto en hortalizas como en flores. La concentración normal de CO2 en la atmósfera es del 0,03%. Este índice debe
aumentarse a límites de 0,1 - 0,2%, cuando los demás factores de la producción vegetal sean óptimos, si se desea el aprovechamiento al máximo de la actividad fotosintética de las plantas, las concentraciones superiores al 0,3% resultan tóxicas para los cultivos. En los invernaderos que no se aplique anhídrido carbónico, la concentración de este gas es muy variable a lo largo del día alcanza el máximo de la concentración al final de la noche y el mínimo a las horas de máxima luz que coinciden con el mediodía. En un invernadero cerrado por la noche, antes de que se inicie la ventilación por la mañana, la concentración de CO2 puede llegar a límites mínimos de 0,005-0,01%, que los vegetales no pueden
tomarlo y la fotosíntesis es nula. En el caso que el invernadero esté cerrado durante todo el día, en épocas demasiado frías, esa concentración mínima sigue disminuyendo y los vegetales se encuentran en situación de extrema necesidad en CO2para poder realizar la
fotosíntesis.
Los niveles aconsejados de CO2 dependen de la especie o variedad cultivada, de la
radiación solar, de la ventilación, de la temperatura y de la humedad. El óptimo de asimilación está entre los 18 y 23oC de temperatura, descendiendo por encima de los 23-24oC. Respecto a la luminosidad y humedad, cada especie vegetal tiene un óptimo distinto.
El efecto que produce la fertilización con CO2 sobre los cultivos hortícolas, es el de
47 en un 25-30%, mejora la calidad del cultivo así como la de su cosecha. Sin embargo, no se puede hablar de una buena actividad fotosintética sin una óptima luminosidad. La luz es factor limitante, y así, la tasa de absorción de CO2es proporcional a
la cantidad de luz recibida, además de depender también de la propia concentración de CO2 disponible en la atmósfera de la planta. Se puede decir que el periodo más importante
para el enriquecimiento carbónico es el mediodía, ya que es la parte del día en que se dan las máximas condiciones de luminosidad natural. [15]
2.9.5 PH
Para controlar un pH es necesaria la medida del ion de hidrógeno, el cual está en una escala de 0 (ácido) a 14 (básico), y se considera el 7 como medida neutral. En los invernaderos el pH ideal está en un rango de 5.4 a 6.8
Por otra parte, existe la idea de que el pH del agua influye en el pH del sustrato, cuando en realidad lo que influye en aumentar el pH del sustrato es la alcalinidad del agua. No obstante, cuando el pH del agua esté por arriba de 7.2 es señal de que la alcalinidad se encuentra por encima del rango óptimo.
Los elementos que determinan la alcalinidad del agua son principalmente los bicarbonatos de calcio, magnesio y sodio; aunque algunos laboratorios prefieren medir los carbonatos de calcio y magnesio y sumarlos con los bicarbonatos para determinar la alcalinidad en partes por millón (ppm) o miligramos por litro (mg/L).
Los cultivos de ciclo más largo, o aquellos que son tolerantes a rangos bajos de pH (menos de 5), podrían verse afectados por la acumulación de bicarbonatos que aportan las aguas alcalinas.
48 Cuando se utilizan sistemas de ósmosis inversa, al neutralizar los bicarbonatos y reducir la alcalinidad será conveniente mezclar el agua tratada de la ósmosis (80%) con agua no tratada (20%) para aportar el rango óptimo de bicarbonatos a la solución de riego.
Para controlar el PH se usan instrumentos de medición de este parámetro, esto ayuda al horticultor a tomar acciones sobre los niveles alcalinos que pudieran tener efectos sobre el cultivo. [14]
2.10 Sistemas de clima para invernaderos
2.10.1 Sistemas de calefacción
El calor cedido por la calefacción puede ser aportado al invernadero básicamente por convección o por conducción. Por convección al calentar el aire del invernadero y por
conducción se localiza la distribución del calor a nivel del cultivo.
Los diferentes sistemas de calefacción aérea o de convección más utilizados son: Tuberías aéreas de agua caliente.
Aerotermos.
Generadores de aire caliente.
Generadores y distribución del aire en mangas de polietileno.
Los sistemas de distribución de calor por conducción se basan en tuberías de agua caliente, las diferencias entre ellos se encuentran en la temperatura del agua y su localización que es:
Suelo a nivel de cultivo. Tuberías enterradas. Banquetas.
2.10.2 Calefacción por agua caliente.
49 10 cm sobre el suelo, que pueden ser fijas o móviles. Los sistemas antiguos tenían las tuberías colgadas del techo lo que incrementaba los costos energéticos. La distribución del calor dentro del invernadero por el sistema de calefacción central por agua caliente se puede hacer de dos formas diferentes:
Por termofusión, con tubos de diámetro grande, con una ligera pendiente unidescendiente.
Por impulsión de bombas o aceleradores con tubería de diámetro menor y una temperatura en el agua de retorno más elevada que en el caso anterior.
Las características del sistema de calefacción del suelo por agua caliente que más destacan, son:
Al estar el calor aplicado en la base, la temperatura del aire del invernadero es mucho más uniforme en comparación con la calefacción tradicional por tubo caliente colgado del techo.
Para calentar el suelo se puede utilizar agua entre 30 y 40o C y por tanto es una forma de aplicación de energías alternativas como la geotérmica, calor residual industrial y solar a baja temperatura.
Los costos de bombeo de agua son mayores, debido a que la caída de temperatura
del agua de calefacción en el invernadero es menor en los sistemas a baja temperatura, se precisa bombera mayor cantidad de agua para ceder la misma cantidad de calor.
Se pueden usar materiales económicos como el polietileno en lugar de tuberías más caras de acero o aluminio.
Sus costos de instalación son elevados.
50 Figura 2.15 Distribución de calefacción de agua por suelo.
2.10.3 Calefacción por aire caliente.
En este caso se emplea aire para elevar la temperatura de los invernaderos. La calefacción por aire caliente consiste en hacer pasar aire a través de focos caloríficos y luego impulsarlo dentro de la atmósfera del invernadero, existen dos sistemas:
Generadores de combustión directa: Un ventilador lanza una corriente de aire al interior de la cámara de combustión del generador, con lo que en su salida el aire ya caliente arrastra consigo gases de la combustión, que pueden crear problemas de fitotoxicidad debido a sus componentes azufrados.
Generadores con intercambiador de calor: La corriente de aire no pasa directamente a través de la cámara de combustión, sino que se calienta atravesando una cámara de intercambio, por otra parte la cámara de combustión elimina los gases que se producen en ella a través de una chimenea.
Los generadores de aire caliente pueden instalarse dentro o fuera del invernadero, si están fuera el aire caliente se lleva hasta intercambiadores que están establecidos dentro del invernadero. Cuando los generadores están colocados dentro del invernadero, los ventiladores aspiran el aire del invernadero por una parte del aparato, donde se calienta y es expulsado directamente a la atmósfera del invernadero. También puede distribuirse por medio de tubos de plástico perforado, que recorren en todas las direcciones el invernadero.
51 Normalmente el combustible empleado es gasoil o propano, y los equipos están dotados de un sistema eléctrico de encendido con accionamiento a través de un termostato. En la figura 2.16 se muestra un sistema de calefacción de aire caliente instalado dentro de un invernadero
Figura 2.16 Calefactor instalado en un invernadero.
Los sistemas de calefacción por aire caliente tienen la ventaja de menor inversión económica y mayor versatilidad al poder usarse como sistema de ventilación, con el consiguiente beneficio para el control de enfermedades. Como inconvenientes pueden citar los siguientes:
Son más complejos en la distribución del calor, creando a veces turbulencias internas que ocasionan pérdidas caloríficas (menor inercia térmica y uniformidad).
Disminución rápida de temperatura. [15]
2.11 Combustibles para calefacciones
La elección del combustible puede condicionar la del sistema de calefacción y su rentabilidad. Entre los combustibles gaseosos, propano y gas natural son los más utilizados. Los combustibles que llegan a ser utilizados para calderas son gasoil y fueloil, aunque este último, por su alta contaminación, no se recomienda.
52 combustión que se utiliza para enriquecimiento carbónico) siempre que se mantenga dentro de los niveles recomendados (especialmente para CO, CO2 y NO).
Los sistemas que utilizan combustibles líquidos requieren mayor mantenimiento debido a la suciedad que genera su combustión en los quemadores, factor a tener presente en su evaluación económica, junto al valor del Poder Calorífico Inferior (PCI) de cada combustible (energía aportada por cada kilogramo). [ 16 ]
La Secretaría de Energía (SENER) considera que existe un potencial de 3000 MW para la generación de energía eléctrica a través de biogás proveniente de la recuperación y aprovechamiento del metano (SENER, 2010); éste último es producto de la descomposición de los residuos animales, residuos sólidos urbanos (RSU) y el tratamiento de aguas negras. Dado el valor calorífico del biogás, el cual es de 23 MJ/kg (Lombardi et
al., 2009) (Tabla 2.5) sus principales usos en México están relacionados con la generación de electricidad y calor. [13]
Tabla 2.5 Comparación energética de combustibles
Combustible Valor Calorífico Aproximado Factor de emisión indirecto (kg CO2e/GJ, CV neto)
Petróleo 45.21 MJ/kg 12.51
Gas Natural 36 MJ/m3 5.55
Gas Natural Licuado 55.14 MJ/kg 20.00
Keroseno 43.12 MJ/kg 13.34
Diésel 44.79 MJ/kg 13.13
Biogás 23 MJ/m3 0.246 b
b
emisión directa CO2, (factor de emisión, gramos CO2 en Kwh)
2.12 Políticas en México en relación al uso de tecnologías de producción de biogás
53 México, esta situación ha motivado al establecimiento de políticas nacionales que promuevan acciones eficaces de mitigación y adaptación ante el cambio climático global. Las políticas públicas en materia de cambio climático que se han promovido en México van dirigidas a la implementación de acciones concretas a través de los diferentes órdenes de gobierno para la mitigación y adaptación al cambio climático.
En el Programa Nacional de Desarrollo efectuado en 2007-2012 se planteó el objetivo de asegu a la suste ta ilidad a ie tal edia te la pa ti ipa ió espo sa le de los mexicanos en el cuidado, la protección, la preservación y el aprovechamiento racional de la riqueza natural del país, logrando así afianzar el desarrollo económico y social sin
o p o ete el pat i o io atu al la alidad de ida de las ge e a io es futu as . En base a lo anterior, se estableció la Estrategia Nacional de Cambio Climático (ENCC) para dar cumplimiento a los compromisos suscritos por México en la Convención Marco de las Naciones Unidas sobre Cambio Climático (CMNUCC), junto con los demás instrumentos derivados con ellas, particularmente el protocolo de Kioto.
Dicha estrategia tiene como objetivo la identificación de las oportunidades para llevar a cabo acciones de mitigación y de adaptación ante el cambio climático. Dentro de sus propuestas está el realizar estudios necesarios para identificar la vulnerabilidad de sectores y áreas de competencia que permitan llevar a cabo proyectos para la mitigación y adaptación al cambio climático en donde se incluyen los de producción de biogás.
En el marco de esta estrategia y en sinergia con otras dependencias, la Secretaría de Agricultura, Ganadería, Pesca y Desarrollo Rural (SAGARPA) ha emprendido un Programa
de Apoyo a los Agro-negocios y Fuentes de Energía Renovable para dar cumplimiento a los compromisos que México firmó, derivados del Protocolo de Kioto.
Las líneas de acción que tienen relación con la producción de biogás son:
• Disminución de la utilización de combustibles fósiles en la generación de energía, por sustitución parcial y progresiva por fuentes de energía renovable.
