Técnicas de gestão de operações no campo
LEDs mais brilhantes nem sempre são mais lucrativos na fazenda vertical: até onde levar o PPFD depende do preço da energia
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“Afinal, quanto devo dar para a minha alface?” As perguntas sobre PPFD quase sempre se formulam assim. Mas vale questionar a própria premissa de que existe um único número certo. Quanto mais você intensifica a luz, menor é, sem alarde, a fração da eletricidade que vira massa colhida. Portanto, “quanto dar” é decidido não pelas necessidades da cultura, mas pelo preço da energia no momento. O PPFD ótimo está do lado da conta de luz, não do lado da cultura.
Por que “PPFD mais alto é sempre melhor” vira de cabeça para baixo no fim do mês
No ano passado, você chegou a se arriscar e deixar uma prateleira do rack bem mais brilhante? Na hidroponia centrada em alface, você empurra a luz que vinha rodando em, digamos, pouco acima de 200 (μmol/m²/s) para quase 300, com intenção de ser agressivo. A colheita aumenta. O peso e a aparência melhoram. “Mais luz realmente foi a decisão certa”, você pensa — até ver a conta de luz no fim do mês. E aí: espera. Você aumentou a luz 1,5 vezes, mas o rendimento não subiu 1,5 vezes. Subtraia a eletricidade extra das vendas extras, e o que sobra é mais magro do que antes. Alguns meses são assim. Na minha própria experiência acompanhando hidroponia de alface em fazenda vertical, vi a mesma cena muitas vezes: você força e sua margem fica mais fina em vez de crescer.
O que torna isso complicado é que não é o mesmo todo mês. Quando a energia é barata, aquela configuração agressiva parece claramente positiva, mas conforme o preço unitário sobe, a mesma configuração de repente pesa. Mesmo rack, mesma cultivar, mesma luz — mas “isso está certo” e “isso é demais” trocam de lugar de mês em mês. Essa contradição é onde toda a questão se revela.
Primeiro: a relação entre luz e rendimento não é proporcional. Partindo de um nível baixo, a resposta sobe rápido no início, mas quanto mais você vai subindo, menor fica o ganho de cada 100 μmol a mais. Com folhosas, acima de certa luminosidade a eficiência com que a luz adicionada se converte em rendimento começa a cair. Portanto, ir de 200 para 300 dá 1,5 vezes mais luz, mas o rendimento não chega nem perto disso. Não é erro de configuração; é o que essa curva naturalmente faz. Em um experimento controlado com alface, aumentar o PPFD para 200, 400 e 750 fez a massa fresca por mol de luz cair de 29 para 27 para 21 g (ver 1). O rendimento absoluto continua subindo até 750. Mas a eficiência com que o mesmo 1 mol de luz se converte em vegetal cai quanto mais brilhante você vai.
A conta de luz, por outro lado, sobe quase em linha reta junto com a luz. Some cada 100 W adicionais e aproximadamente todo esse valor é acrescentado. Portanto, a receita extra “vai desacelerando”, enquanto a eletricidade extra “sobe em linha reta”. Sobreponha as duas e em algum ponto há um equilíbrio entre “a receita extra dos próximos 100 watts” e “o custo de eletricidade dos próximos 100 watts”. Esse é o ponto de parada. Antes dele, adicionar ainda vale; depois dele, quanto mais você adiciona, mais fina fica a margem.
Dependendo das condições, passada uma certa faixa de brilho até o próprio rendimento para de subir. Em um experimento com alface e manjericão, adicionar luz fazia a cultura crescer até cerca de 250 μmol, mas além disso os ganhos praticamente desapareceram (ver 2). A luz além dessa faixa quase não afeta o rendimento, mas o custo de eletricidade chega inteiro. Dito isso, a posição em que esse platô aparece também se desloca dependendo da concentração de CO2 e da temperatura. Forneça CO2 suficiente e o platô se afasta. Então, em vez de memorizar o valor absoluto “250”, o sensato é observar onde o platô cai na sua própria instalação. O fato de que o ponto de parada existe como número real não muda.
E o centro de tudo é este: esse ponto de equilíbrio desliza lateralmente conforme o preço da energia se move. Em um mês em que a energia é cara, a linha de “custo da próxima eletricidade” fica mais inclinada, e o ponto de equilíbrio se aproxima. É por isso que o 300 que costumava estar certo de repente parece exagero. Em um mês barato, a linha é suave, e o mesmo 300 claramente compensa. Nada do rack, da cultivar ou da luz mudou, mas o veredicto vira — porque o que você não tocou, o preço unitário, é o que se moveu. Tente memorizar o PPFD ótimo como número único e você vai errar em algum mês com certeza. O que memorizar não é o número, mas o comportamento: “quando o preço sobe, o ponto de parada se aproxima; quando cai, se afasta.”
Dito isso, antes de avançar para essa discussão de preços, há uma coisa a verificar. Quando adicionar luz para de mover o rendimento, a causa está realmente do lado da luz? A luz adicionada pode falhar porque CO2, circulação de ar ou temperatura tornou-se o fator limitante primeiro. Se adicionar CO2 empurra o platô para mais longe, o que você deve reduzir não é a luz, mas o CO2. Se a circulação de ar é insuficiente e a troca de gases está travada em volta das folhas, coloque um fluxo de ar primeiro. Só depois de confirmar que o limite está do lado da luz você parte para reduzir ou adicionar luz pelo preço. Inverta a ordem e você acaba cortando apenas a luz enquanto deixa a causa real no lugar.
Quando o preço sobe, quanto de luz você deve reduzir?
Se a energia sobe 10%, reduzir o PPFD em 10% equilibra aproximadamente? Ou você pode reduzir menos que isso, ou deveria reduzir mais? Seria bom ter uma regra geral única.
Já adianto a conclusão: essa regra geral única não pode ser criada. Crie uma, memorize-a, e você geralmente vai errar. O quanto reduzir muda muito dependendo de onde você está atualmente. Por “onde” quero dizer: se você adicionar mais um degrau de luz acima da sua intensidade atual, o rendimento sobe bastante ou mal se move — em outras palavras, em que ponto da “curva que responde menos quanto mais você sobe” da seção anterior você está.
Suponha que você está rodando bem agressivo, onde adicionar luz mal eleva o rendimento — lá onde a curva achatou. Nesse caso, mesmo uma pequena alta no preço unitário move o ponto de parada bem para mais perto. A luz ali produz “o custo de eletricidade inteiro, mas apenas uma lasca de retorno”. É a primeira luz a ser cortada no momento em que o preço pesa. Se você está aqui, o adequado diante de uma alta de 10% é responder com uma redução bem grande.
E o inverso, onde você ainda está modesto, na parte ascendente onde adicionar luz traz o rendimento junto? A luz nessa zona funciona bem degrau por degrau, então uma alta de 10% no preço mal move o ponto de parada. Reduza em pânico e você descarta luz que estava funcionando bem. Se você está aqui, melhor não reduzir muito. Para o mesmo “aumento de 10%”, o primeiro caso reduz muito e o segundo quase nada. A diferença é dessa ordem.
Portanto, antes de procurar uma tabela de porcentagens, há uma coisa a fazer. Mude a luz em apenas um degrau na sua própria instalação e meça uma vez, adequadamente, quanto o rendimento se move. Sabendo isso, você consegue ver “estou do lado plano, ou na parte ascendente?” Como movê-la então se define naturalmente depois.
Não complique demais a medição. Para um rack, aumente (ou diminua) o PPFD em um único degrau, e compare a receita extra — o rendimento adicional vezes o preço de venda — com o custo extra — a energia adicional vezes o preço unitário. Se a receita extra ficar abaixo do custo extra, esse degrau foi longe demais, então recue. Faça isso uma vez a cada vez que o preço se mover e o ponto de parada da sua instalação aparece como número por área para aquele mês.
Dito isso, aqui cabe uma ressalva honesta. Se o rendimento extra vai realmente vender é uma questão separada. Se o seu contrato fixa o preço e o extra vende com desconto, ou fica fora de especificação e é descartado, trate essa receita extra como zero. Em um caso onde uma folha de queima das bordas tira a cabeça inteira da especificação, mais rendimento nunca chega ao seu resultado final. Então o ponto de parada fica bem mais perto do que o ponto calculado. Meça por “peso que cresceu e vendeu”, não por “peso que cresceu”. Confunda isso e você tem aquela mesma disparidade de novo: fecha no papel, mas a margem é fina.
E o preço unitário se move não apenas por mês, mas dentro de um único dia. Se a energia noturna é barata, distribua o mesmo total diário de luz (DLI) ponderado para essas horas baratas. Mesmo em uma instalação com contrato anual onde o preço mensal não se move, essa é a forma mais prática de “deixar o preço decidir como você distribui” — utilizável todo dia independentemente do contrato. O que você move aqui é o tempo e a distribuição da iluminação, não a própria proporção claro-escuro (para não colidir com o ponto sobre o ritmo circadiano que vem mais à frente, pense nisso como manter o ritmo claro-escuro estável enquanto pondera para as horas baratas).
Que esse “redesenhar para combinar com o preço” não é apenas teoria também aparece nos relatórios. Quando os padrões diários de intensidade luminosa foram movidos para rastrear preços de eletricidade que mudam frequentemente, o custo de eletricidade da iluminação foi estimado como reduzível em cerca de 10% sem queda na massa comercializável de manjericão, pak choi, rúcula e espinafre, e a massa comercializável foi confirmada em experimento de cultivo real como não caindo (ver 3). A figura de redução em si é uma estimativa de modelo, enquanto o ponto de não queda no rendimento foi mostrado em experimento de cultivo separado — essa é a combinação. Você pode mover o custo de eletricidade para seguir o preço sem sacrificar o rendimento. O valor de redesenhar o ponto de parada em vez de fixá-lo é mostrado tanto pela estimativa do modelo quanto pelo experimento de cultivo.
Não apenas intensidade: distribuição é um segundo eixo
Até aqui pensamos ao longo de um eixo — “em que valor definir o PPFD”, a intensidade da luz. Mas na prática há também uma escolha de “distribuição”: entregar o mesmo total diário de luz forte e curto, ou fraco e longo. Uma vez que você inclui as horas de iluminação, como você busca o ponto de parada também muda.
Mesmo com o mesmo total diário de luz (DLI), distribuí-lo fraco e longo pode fazer a cultura crescer mais do que entregá-lo forte e curto. Em um experimento com alface e mizuna, mantendo o total de luz constante, estendendo as horas de iluminação e reduzindo o PPFD elevou o crescimento da parte aérea em cerca de 16% e 18,7% respectivamente (ver 4). Na mesma eletricidade, o rendimento se move dependendo da distribuição. Portanto, vale pensar não apenas em “onde parar na intensidade”, mas também em “como distribuir essa eletricidade”.
Dito isso, fraco e longo também não é panaceia. Estender a iluminação por mais tempo ocupa o rack por mais tempo, então o giro cai. Para um rack onde você quer embarcar mesmo um dia antes e colocar a próxima rodada, isso não é para desprezar. Forçar muito o crescimento também pode causar queima das bordas — o sintoma em que as bordas da folha morrem — e o rendimento que você trabalhou para adicionar vai sendo reduzido por folhas feias. Isso também pode acontecer.
Portanto, vale tratar intensidade (PPFD) e distribuição (fotoperíodo) como alavancas separadas. O ponto de parada também se torna algo que você busca dentro da combinação dessas duas, em vez de um único ponto em uma linha. As coisas a observar também aumentam: rendimento e custo de eletricidade, mais queima das bordas e giro de prateleira — quatro. Quando você move a distribuição, não pare de observar apenas o rendimento e chame de “subiu”; observe como os quatro se moveram juntos. Faça isso e você vai aprender gradualmente a distinguir quando é um momento de forçar com intensidade e quando é um momento de ganhar com distribuição.
Escolha equipamentos por watts por unidade de luz, não por brilho
Até aqui tratamos das configurações do dia a dia, mas isso se conecta ao que você faz com os equipamentos. Quando surge a questão de substituir os LEDs ou adicionar mais um andar de prateleira, é fácil pensar “se vou substituir de qualquer jeito, um modelo mais brilhante” ou “se vou adicionar, algo que rende mais luz”. Essa forma de escolher é perigosa. Ao escolher equipamentos, o que você deve olhar em vez do brilho absoluto? O ponto de parada do dia a dia e o investimento que chega a milhões podem ser pensados com o mesmo critério? Vou organizar isso.
O que olhar ao escolher um modelo não é o brilho absoluto. Olhe “quantos watts ele consome para produzir o mesmo 1 de luz” — ou seja, a potência por unidade de luz, a eficiência luminosa. Mesmo produzindo o mesmo PPFD, um modelo eficiente pode fazê-lo com menos energia. Então “o custo de eletricidade dos próximos 100 watts” fica mais leve, e o ponto de equilíbrio — o ponto de parada — se afasta. Você poderia igualmente dizer: mais colheita na mesma eletricidade. Portanto, o sensato é alinhar os modelos por “watts por unidade de luz”, não por “brilho”.
Dito isso, acrescento aqui um ponto. Há um ponto levantado de que os valores de eficiência dos LEDs medidos no laboratório não necessariamente se tornam os mesmos números em campo (ver 5, 6). Assumir “troque para um modelo eficiente e está resolvido” no mesmo tom de “troque para um modelo mais brilhante e está resolvido” é, novamente, perigoso. Como veremos pela linha de custo mais à frente, o efeito, calculado pela média de todo o custo, não sai tão grande quanto você pensa, e raramente faz uma diferença grande o suficiente para inverter as coisas. O melhor é manter as expectativas nesse nível.
Além disso, o critério de investimento e o ponto de parada do dia a dia são coisas separadas? Estão no mesmo continuum. Se o julgamento do dia a dia é observar “a luz pode retornar o custo de eletricidade dos próximos 100 watts com o rendimento que produz”, o julgamento de investimento apenas observa “em quantos anos o aumento de rendimento que produz pode retornar a diferença de preço deste equipamento”. A interseção do julgamento é simples: quanto mais próxima sua configuração atual estiver do platô, mais fino o potencial de investir em mais luz; e quanto maior o preço da eletricidade, maior o apelo de trocar para um modelo eficiente. É o mesmo critério de “rendimento por unidade de luz × preço da energia”, simplesmente estendido ao longo do eixo temporal dos livros mensais para um período de retorno de vários anos. Não há necessidade de pensar com uma cabeça diferente. Em termos de linha de custo, em uma fazenda vertical a energia representa aproximadamente 20-40% do custo de produção, e a iluminação usa aproximadamente 60-80% ou mais dessa energia (ver 3). Portanto, o efeito de cortar a energia em 10%, calculado pela média de todo o custo, é inesperadamente fino. Formule como “em quantos anos eu recupero essa diferença fina depois de gastar milhões”, e o quadro fica bem menos animador.
E mais uma coisa: a questão da ordem. Antes de substituir equipamentos, o primeiro movimento é inspecionar se ainda há margem para espremer do hardware que você já tem. O ponto de parada da intensidade e a distribuição podem ser movidos sem gastar dinheiro. Tire tudo o que as operações conseguem tirar, depois compre hardware para o que ainda falta depois disso. O exemplo principal de “tirar pelas operações” são os refletores. Coloque refletores nas laterais e nas extremidades da prateleira de cultivo para recuperar a luz que escapa, e é sabido no campo que você pode elevar o rendimento em cerca de 10% (cerca de 10-15% com placa de alumínio de alta refletância) no mesmo consumo de energia dos LEDs, com quase nenhum novo investimento. Você não está aumentando a luz nem trocando o modelo — apenas reduzindo o desperdício da eletricidade que já está rodando. É o exemplo mais claro dos ganhos operacionais a capturar antes de substituir equipamentos. Pular para um modelo mais brilhante, e pular para um modelo eficiente, ambos vêm, em ordem, depois de espremer as operações assim.
A ordem para ajustar desuniformidade de luz e comprimento de onda
A discussão até aqui correu com a premissa de que a luz cai uniformemente em toda a prateleira. Mas em uma prateleira real, o brilho difere bastante entre as bordas e o meio. Além disso, há uma questão separada sobre o que fazer com a cor da luz — branca, ou vermelho-e-azul. Uma vez que você começa a se preocupar com essa “desuniformidade” e “comprimento de onda” pode parecer que vai ao infinito, então vou organizar as prioridades de até onde ajustar.
Esses dois são bastante diferentes em caráter, então pensar sobre eles separadamente deixa as prioridades claras.
Primeiro, a desuniformidade de luz. Isso vale ajustar cedo. O “ponto de parada” até aqui foi decidido no PPFD médio da prateleira. Mas quando as bordas e o centro diferem em brilho, facilmente acontece que parte da prateleira entrou na zona onde não consegue mais usar a luz e está jogando eletricidade fora, enquanto outra parte está com falta de luz e não produzindo rendimento. Na mesma eletricidade, você tem desperdício de um lado e perda do outro ao mesmo tempo. É por isso que, antes de buscar o ótimo no valor médio, vale medir uma vez “quanto varia”. Dito isso, melhor não tentar traçar a linha de tolerância em um número universal como “até que percentual de diferença entre borda e centro”. O que traçar é “se essa diferença realmente aparece como diferença em rendimento ou qualidade”. Se você mede e há diferença mas não aparece no volume de colheita ou na aparência, ainda não há necessidade de persegui-la. Se a diferença aparece, o procedimento é uniformizá-la com a distribuição luminosa da luminária, a altura de montagem e como você coloca os refletores. Na minha própria experiência, medir borda versus centro em uma prateleira de alface de fazenda vertical mostrou diferença, e uniformizá-la com refletores e posicionamento elevou a consistência da expedição. Como guia aproximado, diz-se que um layout em grade pode uniformizar a variação para dentro de 5%. Mas se deve ajustar até aí é decidido não mecanicamente por uma linha percentual, mas se essa diferença realmente aparece em rendimento e qualidade. É estritamente um guia de até onde você pode uniformizar, não uma cota a ser cumprida.
Comprimento de onda — a proporção vermelho-azul, ou branco — é uma questão de outra natureza. O mais importante aqui é que não há resposta única de “vermelho para azul em que proporção” que maximize o rendimento. O ótimo se move com a cultura, a cultivar e o que você está visando. A cor da luz também afeta a forma: grosso modo, intensifique o azul e as folhas crescem espessas e compactas, intensifique o vermelho e os caules tendem a se alongar — uma diferença de direção assim. Além disso, é relatado que mesmo dentro da mesma cultura, a proporção que maximiza o rendimento e a proporção que maximiza um nutriente funcional foram confirmadas como apontando em direções opostas (ver 8); um ensaio à parte que variou a proporção azul-vermelho em folhosas também mostrou que o crescimento e a absorção de nutrientes mudam com a proporção (ver 7). Portanto, comprimento de onda é algo que você ajusta depois de primeiro decidir “o que quero colher”. Emprestar uma proporção que funcionou em outra instalação como está pode não se encaixar.
Assim, a prioridade fica assim. Primeiro o ponto de parada da intensidade — o preço da energia e a curva de rendimento. A seguir a distribuição (fotoperíodo) e a desuniformidade de luz, que é o trabalho de eliminar perdas. O comprimento de onda pode vir por último, depois que “o que maximizar” estiver decidido. Parece que vai ao infinito porque você tenta ajustar tudo de uma vez. Derrube um de cada vez na ordem em que afetam a receita, e o fim começa a aparecer.
Pare de memorizar o PPFD ótimo como um único número
Deixe-me colocar uma ressalva aqui. Tudo até agora partiu da premissa de uma instalação rodando folhosas como alface em fazenda vertical. “A curva de rendimento achata” e “o ponto de parada se move com o preço da energia” são afirmações dentro dessa premissa. Com culturas frutíferas como tomates ou morangos, ou em estufa com luz solar, tanto a economia quanto a forma como a luz funciona passam a ser algo completamente diferente. Aplicar o raciocínio aqui como está para um tipo ou cultura diferente é a parte perigosa.
Com base nisso, se há apenas uma coisa a levar no fim, é “pare de memorizar o PPFD ótimo como um único número”. Em tudo que discutimos, o que mais importou não foram as configurações em si, mas como você olha para as configurações. Um LED não é algo que você configura em um número uma vez e deixa fixo. É algo cujo ponto de parada você redesenha cada vez que o preço da energia se move. Os trezentos que eram “certos” hoje se tornam “exagero” nos livros do próximo mês. Isso não é falha; significa apenas redesenhar a linha pelo quanto o preço externo se moveu.
O que levar não é um número novo, mas a forma de ver. O que você pensava ser um valor fixo, você trata como algo que se move, redesenhado a cada mês para combinar com o preço. Mude apenas isso e o resto é apenas derrubar a ordem de hoje — intensidade, depois distribuição e desuniformidade, e comprimento de onda por último — um de cada vez. Lide com isso de forma direta, como esse tipo de variável de projeto que você continua reajustando. Só isso já deve tornar as coisas muito mais fáceis.
A receita de uma fazenda vertical muda mais por uma forma de ver assim ao nível do campo do que pelo sistema mais avançado. Como algo que pega o mesmo raciocínio e o distribui por cada linha de custo, não deixe de consultar as 172 dicas para elevar a lucratividade de uma fazenda vertical se for útil.