Светодиодная революция добралась до теплиц
Революционная технология светодиодного освещения теплиц позволяет экономить энергию, получать хорошую урожайность и даже менять витаминный состав овощей и ягод
В начале года российская группа компаний «Агроинвест» холдинга «Мое лето» ввела в строй четвертую очередь своей и без того крупнейшей в мире теплицы со светодиодным освещением. Эта революционная технология в светокультуре растений появилась сравнительно недавно, после того как впервые удалось получить светодиоды, в разы повышающие урожайность растений при экономии электроэнергии почти наполовину. В мире несколько сотен тепличных компаний рискнули использовать светодиодное освещение в теплицах большой площади, экономическая эффективность применения их в промышленных масштабах пока неочевидна. Из российских аграриев лишь единицы решились на эксперимент. Зато с азартом подключились к нему отечественные ученые и доказали, что агрономам LED-освещение сулит куда более головокружительные перспективы, чем просто высокую урожайность. С помощью подбора «спектральных рецептов» можно задавать новые качества растений, улучшая их форму, цвет, вкус и даже витаминный состав. На основе этих разработок крупнейший российский производитель светодиодных светильников холдинг «БЛ групп» в прошлом году вывел на рынок собственные уникальные LED-излучатели и планирует выйти с ними на рынок Европы. Несмотря на рискованность светодиодных технологий в тепличном хозяйстве, эксперты уверены, что их совершенствование позволит значительно удешевить производство овощей и зелени, особенно при использовании их в вертикальных фермах в крупных городах.
Светодиоды только начинают продвигаться в теплицы
Русский LED
Поскольку в теплицах значимую часть нагрузки на себестоимость оказывают энергозатраты (в России в зависимости от региона их доля в себестоимости составляет от 20 до 70%), основным способом снижения издержек для теплиц традиционно является «гонка световых вооружений». Ведущие мировые производители светильников вплоть до начала нового века всерьез не смотрели в сторону светодиодов (сейчас наиболее популярны натриевые лампы). Открытый еще в 1907 году принцип люминесцентного свечения некоторых полупроводников при пропускании через них электричества первое практическое применение получил в 1960-е в виде индикаторов, названных светодиодами (Lighting emitted diode, LED), излучение которых было в сто раз ниже, чем у обычных ламп накаливания. Но все изменилось в конце 1980-х благодаря исследованию группы ученых во главе с российским академиком Жоресом Алферовым, открывших принципиально новые полупроводниковые материалы, которые позволили кратно увеличить световую отдачу, интенсивность и срок службы светодиодов. Работа заслуженно получила Нобелевскую премию: впервые появились полупроводники, способные излучать не только красный, но также оранжевый, зеленый и другие цвета спектра. Позднее японцы нашли способ извлекать из полупроводника синий цвет — и спектр замкнулся. Большой вклад в развитие светодиодов внесла и группа ученых из Ленинградского электротехнического института (ЛЭТИ) под руководством Юрия Таирова, создавшая в 1980-е годы экономичную технологию выращивания особо прочных однородных кремний-карбидных кристаллов для светодиодов. Ученые эмигрировали в США, где продолжили разработки во вновь созданной компании Cree, ныне одного из мировых лидеров в LED-освещении (см. «Америка доказала, что мы можем», «Эксперт» № 45 за 2012 год). Созданная в конце 1990-х Cree в 2004 году выпустила на основе российских разработок первые массовые, недорогие и, главное, более экономичные светодиодные светильники, которые быстро захватили улицы, дома, промпредприятия и торговые центры (только в России уже до половины рынка ламп приходится на LED). Но Cree недолго удерживала лидерство: конкуренция с такими крупными производителями, как японская Nichia, нидерландская Signify (бывшая Philips Lighting), германская OSRAM, южнокорейская Samsung LED и др., привела к существенному удешевлению светодиодных светильников, повышению их светоотдачи, энергоэффективности, надежности, долговечности и т. д. Так они стали доступны и для тепличного освещения.
По прогнозам, существенное повышение светоотдачи дадут только светодиоды
Что огурцу хорошо — шмелю смерть
Кто бы мог подумать, что тепличный комплекс площадью свыше 120 футбольных полей можно и не рассмотреть при приближении. С невысоких холмов Калужской области новые теплицы «Агроинвеста» выглядят скорее как покрытое льдом озеро. Первую очередь «Агроинвест» (входит в компанию «Мое лето», контролируемую автодилером «Авилон» Александра Варшавского) ввел в строй в 2014 году и с тех пор регулярно расширяет площади, доведя их в прошлом году до 105 га, а оборот — до 3,4 млрд рублей. Но прибыль у компании, по данным СПАРК, отрицательная. В 2017 году «Агро-Инвест» прославился тем, что стал крупнейшей в мире теплицей с LED-освещением, тогда мало кому понятным. В прошлом году «Агро-Инвест» подтвердил свое лидерство в новейшем тренде, закупив у компании Signify еще несколько тысяч светодиодных модулей и лент разных модификаций для досвечивания салатов, томатов, огурцов и прочих овощей. Всего у компании теперь 60% тепличной площади оснащено светодиодными излучателями, остальное освещают традиционные натриевые лампы.
«Пока наука в большом долгу перед производством, точных рецептов получения заданного результата не существует, — внимательно осматривая гроздья полузрелых томатов, неспешно говорит управляющий тепличным комплексом “Агро-Инвест” Александр Мельниченко. — Производители светильников дают лишь подтвержденные в их экспериментах вероятности того или иного результата по урожайности и свойствам. Так что все агрономы с LED-освещением действуют методом научного тыка». Сейчас у «Агро-Инвеста» в коммерческом обороте только 15 сортов культур, а свыше четырех десятков находятся на испытаниях. «Один и тот же сорт томата может давать разные результаты по урожайности и вкусу под натриевыми лампами и светодиодными, поэтому приходится подолгу корректировать и комбинировать как освещение, так и климатические параметры, питательный состав. Здесь светодиоды используются для межрядного подсвечивания, — продолжает Александр Мельниченко, указывая на светодиодную ленту вдоль мощных трехметровых кустов томатов. — Зато у огурца сорта квирк мы очень быстро добились изумительных вкусовых свойств и аромата, это будет наш премиальный мировой эксклюзив». Но если какой-то сорт при натриевом освещении не показывал хорошего урожая, а при новом LED-освещении еще и снизил ее или вкусовые качества — пиши пропало, это прямые издержки. «Средства защиты растений и прочие премудрости могут не давать таких свойств и качества урожая, которые дает фотосинтез, — говорит агроном. — Вот другой наш эксклюзивный сорт — лимонный черри — очень хорошо воспринимает гибридное освещение, есть возможность улучшать вкус». Ранее бывший генеральный директор «Агроинвеста» Ирина Мешкова говорила, что светодиодные светильники позволили компании наполовину снизить затраты на электроэнергию при увеличении прогнозируемости роста урожая, а весь светодиодный проект может окупиться уже через три-четыре года. Более подробных сведений об эффективности пока нет.
Помимо «Агро-Инвеста» со светодиодным освещением в теплицах сейчас экспериментируют «Технологии тепличного роста», «Русэко», «Липецк Агро», «Агрокультура», ТК «Московский», «Экокультура», с конца прошлого года — ТК «Белогорский» и др. Но почти никто на звонки и запросы о результатах и эффективности применения LED-освещения не ответил, ссылаясь либо на то, что пока говорить об этом рано, либо на риск промышленного шпионажа. «В последнее время конкуренты некрасиво себя ведут и все время пытаются что-то выведать, поэтому мы тоже решили ничем не делиться на эту тему ни с кем, — резюмировала общее настроение заместитель директора по общим вопросам ГК “Горкунов” Ирина Хлебникова. — Но мы решились на эксперимент, иначе есть риск надолго отстать».
Зато учредители компании РИАТ из Иванова, которые еще в 2015 году первыми в стране решили установить светодиодные излучатели, своих результатов не скрывают. Сейчас РИАТ с теплицами площадью три тысячи квадратных метра достиг показателей урожайности на уровне передовых тепличных комплексов, которые работают в привычных стеклянных ангарах. «Мы много экспериментировали с разными видами подсветки, но остановились на LED-освещении, — говорит генеральный директор РИАТ Владимир Бухарев. — По огурцу у нас урожайность оказалась такой же, как под натриевыми лампами, зато увеличился вегетационный период с 25 недель до 40, так же и по томатам. Энергозатраты по сравнению с натриевыми лампами снизились наполовину, поэтому нас пока устраивает среднее снижение себестоимости. Но мы еще не знаем, какой будет результат по ягоде, под которую у нас с недавних пор занято почти половина площади». Как у всякого экспериментатора, у РИАТ в свое время вышла накладка (не одна, конечно): из-за LED-освещения ослепли одни из важных сотрудников теплицы — шмели-опылители. «Но в Signify нам помогли решить эту проблему, изменив спектральный рецепт светильников, — рассказывает Владимир Бухарев. — Мы остановились на этом поставщике, поскольку из адекватных предложений находили пока в основном светильники китайского производства. Но там нам не давали никаких агрономических прогнозов. Подходящих российских пока не нашли, но ждем новых разработок».
По словам руководителя по развитию бизнеса Signify в сегменте Horti LED в России и СНГ Александра Межуева, компания ведет агрономическое сопровождение всех своих проектов. «Наши агрономы посещают тепличные предприятия, чтобы проанализировать состояние растений и предоставить наиболее точные рекомендации не только по вопросам подбора правильного освещения для разных культур, но и по их адаптации к климатическим условиям, уходу, коррекции питательных растворов и прочее», — говорит Александр Межуев.
Луч жизни в теплом царстве
Революционность использования LEDосвещения теплиц не столько в повышении урожайности и экономии энергии, а скорее в возможности изменения свойств растений. Традиционные светильники имеют заведомо жестко заданный вариант светового спектра, в полной мере не нужный или даже вредный для фотосинтеза растений (у одних ламп эта радуга состоит из «широких мазков», у других — из «узких» (длина волны), но набор цветов, как правило, неизменен). Светодиодный же кристалл способен испускать определенную длину волны, то есть конкретную полоску спектра. С развитием полупроводников стало возможно продуцировать разные длины волн и, соответственно, регулировать чистоту цвета до десятков нанометров в самом широком диапазоне — от инфракрасного до ультрафиолетового. «Главное, теперь цвета спектра можно комбинировать, как в конструкторе, а это открывает головокружительные перспективы перед растениеводством, — не скрывает вдохновения заведующий кафедрой физиологии растений РГАУ МСХА имени К. А. Тимирязева, доктор биологических наук Иван Тараканов. — У нас впервые появляется инструмент, который позволит нам намного быстрее в чистом виде получить новые заданные свойства растений при фотосинтезе — от органолептических до химических. Можно менять вкусовые качества, цвет и форму, регулировать витаминный состав, подбирая разные комбинации спектра». Это в МСХА имени Тимирязева уже доказали в ходе практических опытов в экспериментальных тепличных установках на некоторых культурах. «Фотосинтез происходит в основном в разных комбинациях красного и синего спектров и в разное время вегетации. Это сложный, многоступенчатый химический процесс, на разных стадиях которого образуются те или иные соединения, определяющие качество плодов, — поясняет Иван Тараканов. — За счет одной комбинации спектра нам удалось в определенный период жизни растения сначала увеличить биомассу, вес плода, а потом сменить спектр — и усилить вкус, витаминный состав. Эксперименты проводились на салатах, огурцах, томатах и других культурах. К примеру, редис при одном спектре освещения дал только ботву, при другом — меньший стебель, но крупный корнеплод. Сейчас в МСХА продолжают исследовать влияние светодиодов на рост и свойства растений благодаря полученному в прошлом году гранту Российского научного фонда. Проект «Фоторегуляция морфогенеза и продукционного процесса растений в условиях интенсивного культивирования» будет иметь прикладное значение для бизнеса. «В этой работе уже есть элементы ноу-хау, о которых не могу говорить. Но речь идет как раз о создании “спектральных рецептов” регулирования роста и развития растений: когда надо ускорить фотосинтез, когда притормозить и так далее». Подобные научные разработки в мире ведут в основном R&D-подразделения ведущих производителей тепличных осветителей. Так же, как и аграрии, они опасаются проронить лишнее слово при обмене опытом, который тоже оформился сравнительно недавно. «Зарубежные компании неохотно обнародуют свои исследования, что затрудняет информированность ученых и бизнеса по этой теме. И это понятно, поскольку разработки стратегические, — говорит президент ассоциации “Теплицы России” Наталия Рогова. — Поэтому мы последние несколько лет активно проводим конференции с участием ведущих разработчиков LED-технологий для агросектора, что дает результаты: конструктивный прямой обмен опытом постепенно налаживается».
Сверхточная светокультура
От экспериментов ученых-аграриев и тепличных хозяйств с LED-освещением с нетерпением ждут результатов и производители светодиодных светильников, которых только в России уже насчитывается несколько десятков. Сейчас в РФ до половины продаваемых светильников — светодиодные, выручка от их продаж составила в 2018 году 140 млрд рублей. По данным различных исследователей, при активном росте площадей под теплицы лишь каждая пятая из них будет работать с LED-освещением. Отсюда и пессимизм производителей такого оборудования. В частности, изучает вопрос выхода на аграриев один из российских лидеров по производству и экспорту тепличных светильников компания НФЛ. «Мы пока не разрабатываем LED-панели для теплиц, потому что натриевые лампы в промышленных масштабах дают урожайность порой вдвое большую, чем светодиодные, — говорит коммерческий директор НФЛ Валерий Лебедев. — На наших светильниках крупнейшие комплексы страны получают по 215 килограммов огурца в год с квадратного метра, на светодиодах от ведущих производителей — только 118 килограммов». Плюс к этому светодиодные панели вдвое-трое дороже натриевых установок, а срок их окупаемости вдвое выше, от восьми до десяти лет. «Качественное светодиодное освещение от европейского производителя действительно дорогое, однако его аналоги от других производителей выходят из строя задолго до окончания срока эксплуатации, — возражает Александр Межуев. — Зачастую проекты с нашими светильниками выходят на полную окупаемость в течение трех-пяти лет». «Да, мы понимаем, что вскоре все изменится, когда будут подобраны эффективные спектры для конкретных культур и сортов, поэтому продолжаем следить за этой темой и всегда готовы к ней подключиться, особенно с учетом того, что и сами светодиоды должны подешеветь», — не теряет надежды и Валерий Лебедев.
Пока что в России из средних компаний в промышленном масштабе светодиодные светильники выпустила в прошлом году только компания «Рефлакс», поставившая тысячу единиц для агрокомплекса «Белогорский» в Крыму. Из крупного бизнеса уже несколько лет «на низком старте» находится корпорация «БЛ групп» бывшего губернатора Калининградской области Георгия Бооса. Компания лидирует по производству натриевых светильников для теплиц, а с прошлого года начала производство светодиодных фитоизлучателей (так специалисты называют LED-светильники), которые планирует поставлять в отечественные теплицы и на зарубежные рынки. Хотя тендер на масштабные поставки в «Агро-Инвест» «БЛ групп» проиграла, зато в прошлом году опередила Signify в получении заказа в Венгрии на три тысячи светодиодных излучателей собственной разработки совместно с Всероссийским научно-исследовательским светотехническим институтом (ВНИСИ) имени С. И. Вавилова. «Мы посмотрели на вопрос адаптации новых светодиодных технологий с позиции ближайших перспектив на рынке. С одной стороны, активной замены натриевых светильников на LED-излучатели в традиционных теплицах в ближайшее время не просматривается до их значительного удешевления, — рассказывает заведующий лабораторией ВНИСИ кандидат технических наук Леонид Прикупец. — С другой стороны, именно создание экономичных светодиодных светильников вызвало к жизни новую форму агрокультуры — City farm, или вертикальные фермы. Там светодиодам нет конкуренции — натриевые светильники имеют недопустимо высокую температуру для компактно расположенных растений, а применение ртутьсодержащих люминесцентных ламп невозможно по экологическим соображениям». Вертикальные фермы — наиболее актуальный тренд как для малых городов, так и для мегаполисов в условиях растущего дефицита сельхозземель при увеличении населения. Наибольший эффект от них можно получать за счет оптимизации спектра, уровня освещенности и точного климат-контроля. Эксперты Strategies Unlimited (США) считают, что поставки светодиодного освещения в City farm с 2018 по 2022 год увеличатся сразу в семь раз.
Для разработки светодиодных излучателей, максимально адаптированных к вертикальным фермам, во ВНИСИ при финансовой поддержке Министерства науки и высшего образования РФ создали уникальную для России автоматизированную многоуровневую фитоустановку (МФУ) из четырех секций на 264 растения. Управляет ею один человек, он же ее создатель — научный сотрудник ВНИСИ и директор по продвижению «БЛ групп» Владислав Терехов. «Полная автоматизация позволяет исключать человеческий фактор, на котором сейчас обжигаются многие агрономы, — говорит он. — Порой трудно понять, почему растение ведет себя иначе: то ли спектр не тот, то ли интенсивность надо корректировать, то ли просто кто-то воды недолил или химсостав удобрений изменил. Здесь мы проводим чистый эксперимент, меняя спектр и уровень освещенности при поддержании оптимальных значений прочих факторов климата». Принципиальное отличие используемых в этой установке облучателей — применение в них мультикомпонентных светодиодных композиций на основе и белых, и цветных элементов. «Мы одними из первых доказали, что высокая продуктивность салатно-зеленных культур может быть достигнута не только при красно-синем спектре, но и более благоприятном для зрения обслуживающего персонала спектре с дополнительным излучением в зелено-желтой области, который воспринимается человеком как белый, — рассказывает Леонид Прикупец. — Возможности задания разных спектральных комбинаций на нашей установке неограничены». Потенциал аппаратной части МФУ ВНИСИ способен установить оптимальные «световые рецепты» для выращивания любых растений. Полученные результаты по продуктивности некоторых сортов салата оказались на 30–40% выше, чем на салатных линиях промышленных традиционных теплиц с гибридным освещением. Сейчас ВНИСИ охотно делится своими рецептами с тепличными хозяйствами-экспериментаторами и ведущими селекционными компаниями России.
Недавно «БЛ групп» выкупила у «Роснано» 51% компании «Оптоган», которая создавалась с надеждой на выпуск первых отечественных светодиодов. На мощностях «Оптогана» предполагается развивать в том числе светодиодное направление для теплиц. «Мы видим неограниченные перспективы развития светокультуры растений после того, как первоначальные результаты селекционеров и аграриев, использующих LEDосвещение, можно будет анализировать на компьютере, создавая программы управления процессом фотосинтеза», — говорит Владислав Терехов. Но пока наиболее отчаянные экспериментаторы находятся в стадии «первоначального накопления данных», так что карты раскрывать рано.
Фото: предоставлено ГК «Агро-Инвест»
Хочешь стать одним из более 100 000 пользователей, кто регулярно использует kiozk для получения новых знаний?
Не упусти главного с нашим telegram-каналом: https://kiozk.ru/s/voyrl