Gemelli digitali e intelligenza artificiale per ridurre il consumo di illuminazione in serra

L'illuminazione supplementare è uno strumento chiave per mantenere condizioni luminose adeguate nelle serre, ma rappresenta anche una parte significativa del loro consumo energetico. La sfida aumenta quando la radiazione solare cambia continuamente e diverse zone di una stessa installazione richiedono livelli di luce differenti.

Un team di ricercatori dell'Università di Pisa e della Texas A&M University ha studiato una strategia che combina gemelli digitali, sensori IoT e apprendimento per rinforzo per regolare dinamicamente l'illuminazione LED in base alle condizioni reali della serra. Il sistema permette di gestire diverse zone in modo indipendente e di regolare il contributo artificiale per mantenere i livelli di densità di flusso fotonico fotosintetico (PPFD) definiti per ogni coltura.

I ricercatori hanno valutato dodici strategie di controllo e hanno scoperto che la configurazione più robusta ha ridotto il consumo elettrico del 23,6% e i costi energetici del 23,2% rispetto a un controllo convenzionale on/off, mantenendo al contempo una regolazione precisa del PPFD. La ricerca propone quindi un modo per gestire l'illuminazione orticola basata sulla decisione continua di quanto, dove e quando fornire luce, sfruttando la variabilità della radiazione naturale.

Un'illuminazione in grado di adattarsi alla coltura

L'avvento dei LED ha aperto la possibilità di regolare l'illuminazione supplementare nelle serre con maggiore precisione. Diversi studi hanno dimostrato che l'aggiustamento della potenza in base alla radiazione naturale permette di ridurre il consumo rispetto a strategie basate esclusivamente su orari o accensioni a piena potenza.

Lavori precedenti avevano già esplorato sistemi adattivi in grado di modificare l'illuminazione per raggiungere determinati livelli di radiazione fotosinteticamente attiva e modelli predittivi orientati a ottimizzare il costo energetico. Tuttavia, la gestione di diverse zone contemporaneamente introduce un problema aggiuntivo. La radiazione solare non si distribuisce in modo uniforme e, inoltre, diverse colture possono richiedere livelli diversi di PPFD.

Sulla base di queste considerazioni, i ricercatori hanno ipotizzato che un gemello digitale collegato alla serra reale, combinato con algoritmi in grado di ottimizzare automaticamente i parametri di controllo, potesse migliorare sia la precisione luminosa che l'efficienza energetica. L'obiettivo era verificare se il sistema potesse mantenere le specifiche del PPFD sia in installazioni con esigenze uniformi che in scenari multicoltura, riducendo al contempo il consumo rispetto a strategie convenzionali.

Un gemello digitale collegato a sensori e luminarie LED

Per verificare questa ipotesi, il team ha sviluppato un'architettura basata su un gemello digitale del sistema di illuminazione. I sensori registrano le condizioni luminose della serra, queste informazioni vengono incorporate nel modello digitale e il sistema calcola come devono rispondere le luminarie LED.

La principale variabile utilizzata è il PPFD (Photosynthetic Photon Flux Density), espresso in µmol·m⁻²·s⁻¹, che misura la quantità di fotoni fotosinteticamente rilevanti che arrivano a una superficie determinata. L'installazione utilizza sensori quantici collegati tramite IoT per conoscere la luce disponibile. A partire da questi dati, il sistema determina la differenza tra il PPFD esistente e l'obiettivo stabilito per ogni zona e regola l'illuminazione artificiale.

I ricercatori hanno valutato dodici strategie di controllo, combinando controllori PID, PI e P con due metodi di ottimizzazione: algoritmi genetici e apprendimento per rinforzo. Le configurazioni sono state testate in due scenari: uno con le stesse specifiche di PPFD in tutte le zone, rappresentativo di una singola coltura, e un altro con diversi obiettivi luminosi, simulando una serra multicoltura.

Risultati ottenuti

I risultati hanno mostrato differenze tra le diverse configurazioni e una conclusione significativa: il controllore più complesso non è stato necessariamente quello che ha offerto i migliori risultati. La strategia che ha mostrato il funzionamento più robusto è stata denominata RL-PI (Eq), basata su un controllore proporzionale-integrale i cui coefficienti erano stati ottimizzati mediante apprendimento per rinforzo e condivisi all'interno della strategia di controllo.

Questa configurazione ha raggiunto un errore medio di 1,248 µmol·m⁻²·s⁻¹, con una deviazione standard di 10,661 µmol·m⁻²·s⁻¹, mantenendo un comportamento coerente nei diversi scenari valutati. Il principale vantaggio emerge quando si confronta il suo consumo con quello di una strategia convenzionale on/off. Il sistema ha permesso di ridurre il consumo elettrico del 23,6%, mentre i costi energetici sono diminuiti del 23,2%. Il risparmio si basa sull'utilizzo della luce artificiale solo quando è necessaria.

Quando aumenta la radiazione naturale, il controllore può ridurre il contributo dei LED; quando diminuisce, lo incrementa nuovamente per mantenere il PPFD stabile. Inoltre, il sistema permette di prendere queste decisioni in modo indipendente in ogni zona. In questo modo, una parte della serra può ridurre la sua illuminazione mentre un'altra mantiene un contributo superiore in base alle condizioni locali o alle esigenze della coltura.

Limitazioni dello studio e future ricerche

I risultati mostrano che una gestione più intelligente dell'illuminazione può generare risparmi significativi senza rinunciare al controllo del PPFD. Tuttavia, lo studio deve essere interpretato entro i suoi limiti. La riduzione del 23,6% di energia corrisponde alle condizioni e agli scenari valutati e non può essere trasferita direttamente a qualsiasi serra. La magnitudine del risparmio dipenderà dalla radiazione solare disponibile, dal clima, dalle specifiche delle colture, dalla potenza installata, dalla distribuzione delle luminarie e dalla strategia utilizzata in precedenza come riferimento.

Inoltre, la ricerca si concentra principalmente sul funzionamento del sistema di controllo. Dimostrare che un'installazione mantiene correttamente una specifica di PPFD non equivale ancora a dimostrare che la coltura produrrà più biomassa, migliore qualità o un rendimento economico maggiore durante cicli completi di produzione. Le fasi successive dovranno quindi ampliare la validazione agronomica e integrare nuove variabili legate alla pianta.

Lo stesso gruppo sta avanzando in questa direzione con lavori sulla modellazione della propagazione del PPFD e la sua trasmissione all'interno del dossel vegetale, un passo necessario per passare dal controllo della luce in un piano di misura alla conoscenza reale di quanta radiazione penetra fino a diversi livelli della pianta. Esiste anche margine per incorporare previsioni meteorologiche, prezzi orari di elettricità, produzione rinnovabile o modelli di crescita della coltura.

In questo scenario, il gemello digitale potrebbe evolversi da un sistema che reagisce allo stato attuale dell'illuminazione a una piattaforma in grado di anticipare le esigenze delle prossime ore. È qui che risiede probabilmente il contributo più interessante dello studio. Il lavoro dimostra che l'efficienza di un'installazione di illuminazione orticola non dipende solo dalla disponibilità di LED con un'elevata efficacia fotonica. Il modo in cui vengono controllati questi LED può essere altrettanto determinante.

La combinazione di sensori, controllo multizona, gemelli digitali e apprendimento per rinforzo apre così la porta a serre in cui la luce artificiale smette di essere fornita seguendo una programmazione rigida e passa a essere gestita come una risorsa dinamica: fornendo i fotoni necessari, nel luogo necessario e solo per il tempo necessario.