[Entrevista] ¿Adónde se fugó el gasto de calefacción del invernadero? Medición por minuto… el investigador Yoon Sung-wook, desarrollador de “GEMS”

Aunque se cultiven las mismas fresas durante el mismo período, el consumo energético de los invernaderos varía. El consumo energético por unidad de superficie de una explotación de fresas en Damyang fue de 12,4 kWh/㎡, mientras que el de una explotación de fresas en Yangpyeong fue de 14,2 kWh/㎡, por lo que la explotación de Damyang consumió alrededor de un 13% menos que la de Yangpyeong. Sin embargo, hasta ahora los únicos datos que tenían los agricultores eran la factura mensual de electricidad y los recibos de compra de combustible para calefacción. Al no existir datos de medición que mostraran qué equipo consumía cuánto y cuándo, tampoco había forma de identificar la causa de la diferencia.

El sistema de monitoreo energético de invernaderos “GEMS” (Greenhouse Energy Monitoring System), desarrollado por el Departamento de Ingeniería Agrícola del Instituto Nacional de Ciencias Agrícolas de la Administración de Desarrollo Rural, apunta a cubrir ese vacío. Mide la electricidad y el combustible de calefacción utilizados en el invernadero en intervalos de 1 minuto, muestra el consumo por equipo y, mediante inteligencia artificial (IA), predice incluso la cantidad de energía que se utilizará en el futuro. Tras completar tres años de desarrollo desde 2022, actualmente se está llevando a cabo una verificación de campo en Nonsan, y en paralelo se analizan datos de explotaciones de fresas en Damyang y Yangpyeong. Nos reunimos con el investigador Yoon Sung-wook, responsable del desarrollo.

¿Qué tipo de sistema es GEMS?

Los agricultores pueden conocer el costo total cada mes a través de la factura eléctrica y el gasto en combustible para calefacción, pero no es fácil determinar hasta qué punto cada equipo consumió energía ni en qué momento. GEMS es un sistema diseñado para medir en tiempo real el uso de electricidad y combustible de calefacción junto con la información ambiental del invernadero, de modo que se pueda comprobar de un vistazo el estado de uso de la energía y controlarlo directamente. Permite verificar el consumo de los principales equipos, como calefactores, ventiladores de ventilación y equipos de solución nutritiva, y también consultar el ambiente interior, como temperatura y humedad, junto con la información meteorológica exterior. Se desarrolló mediante el “Estudio de monitoreo energético en tiempo real de instalaciones hortícolas”, realizado entre 2022 y 2024, con una inversión total de 210 millones de wones en tres años. Desde 2025 se está llevando a cabo una investigación de verificación de campo, instalándolo en explotaciones agrícolas para comprobar su estabilidad y utilidad en el terreno.

¿Cómo se miden respectivamente la electricidad y el combustible de calefacción?

La energía eléctrica se calcula midiendo la corriente con un transformador de corriente (CT) y combinándola con la información de voltaje. Como se instalan dispositivos de medición en cada equipo o circuito principal, es posible distinguir y comprobar las cargas que requieren gestión, como los equipos relacionados con la calefacción, los ventiladores de ventilación y los equipos de solución nutritiva. El combustible de calefacción se mide colocando un sensor de nivel en el tanque de almacenamiento para registrar los cambios de nivel y convirtiéndolos en consumo real mediante la información sobre la forma y la capacidad del tanque.

Un caudalímetro puede medir directamente la cantidad de combustible, pero exige cortar las tuberías de combustible existentes o añadir conexiones, lo que puede suponer una carga para explotaciones que ya están operando instalaciones de calefacción. El combustible de calefacción se consume de forma intermitente, ya que el calefactor se enciende y se detiene repetidamente según la temperatura exterior y la temperatura configurada. Incluso si se usa un caudalímetro, hay que elegir un modelo que funcione de manera estable en esos tramos de bajo caudal. El método de estimación a partir del tiempo de funcionamiento de la caldera tiene limitaciones, porque el consumo real varía según la carga del calefactor y el estado de operación. El método con sensor de nivel también puede registrar un aumento brusco del nivel cuando se inyecta combustible y valores erráticos si la superficie del líquido oscila, por lo que se minimiza el efecto distinguiendo entre el aumento por inyección y la disminución por consumo, y analizando patrones de datos durante un período determinado. El método del sensor de nivel no se eligió por ser el más preciso, sino considerando su aplicabilidad en campo, ya que permite conocer de forma continua el consumo minimizando las modificaciones de tuberías.

¿En qué se diferencia de los controladores ambientales integrados existentes?

Los controladores ambientales integrados existentes tienen fortalezas en la medición de información ambiental, como temperatura, humedad y dióxido de carbono (CO₂), y en el control de equipos. GEMS adopta un enfoque diferente y recopila datos centrados en “cómo se consume realmente la energía en el invernadero”. La clave es analizar conjuntamente el consumo de electricidad y combustible, el estado de operación de los principales equipos, el ambiente interior y la información meteorológica exterior para comprender las características del consumo. Los datos se recopilan y almacenan en intervalos de 1 minuto y pueden convertirse para analizarlos por hora, día o mes según el objetivo; la energía eléctrica se mide con el mismo equipo que un medidor eléctrico comercial. La integración mediante interfaz de programación de aplicaciones (API) con la plataforma de la Agencia de Información, Educación y Cultura Alimentaria, Agrícola, Forestal y Pesquera o con controladores de fabricantes aún no ha llegado a la fase de estandarización. Se están realizando investigaciones relacionadas mientras se estudia una estructura abierta de conexión conforme a estándares. 

¿Cómo fue el efecto real de ahorro en las explotaciones de verificación?

La verificación de campo se lleva a cabo en una explotación de fresas en Nonsan, provincia de Chungcheong del Sur, y se utilizan también datos de explotaciones de Damyang y Yangpyeong donde se había instalado GEMS en proyectos anteriores. Si se observa solo una explotación, los resultados pueden verse determinados por las condiciones de las instalaciones de un invernadero concreto o por los hábitos de gestión, por lo que el objetivo es verificar si el sistema puede utilizarse aun cuando varíen la región, el clima y las condiciones de operación.

En la explotación de fresas de Damyang, tras operar el invernadero verificando el estado de uso energético en invierno mediante la información de GEMS, se estima, según los propios cálculos de la explotación, que los gastos de calefacción disminuyeron alrededor de un 10% en el invierno de 2025-2026 frente al invierno de 2024-2025. Sin embargo, hay que tener cautela antes de interpretar esto directamente como que la instalación de GEMS redujo los gastos de calefacción en un 10%. Esto se debe a que el consumo de energía para calefacción se ve afectado no solo por condiciones meteorológicas como la temperatura exterior y la radiación solar, sino también por el período de cultivo, la temperatura configurada, el estado de aislamiento y el método de operación de los equipos. GEMS no es un dispositivo que reduzca directamente la energía, sino un sistema que ayuda a los agricultores a ajustar sus métodos de operación con base en datos.

Al medir, ¿hubo equipos que consumieran inesperadamente mucha energía?

Con los datos actuales, es difícil concluir que un equipo específico sea el “culpable oculto” o generalizar que el consumo entre explotaciones difiere hasta varias veces. No obstante, al comparar durante el mismo período explotaciones de fresas de Damyang y Yangpyeong, hubo un caso en el que el consumo por unidad de superficie fue de 12,4 kWh/㎡ y 14,2 kWh/㎡, respectivamente, una diferencia de alrededor del 13%. Fue el resultado de la interacción compleja entre el clima regional, la estructura del invernadero, el rendimiento de las cortinas térmicas, la configuración de calefacción y los métodos de operación.

Al medir por equipo, se confirmó que el consumo eléctrico constante se produce no solo en equipos que se espera que consuman mucho, como los calefactores, sino también en equipos auxiliares cuyo consumo normalmente no se tenía en cuenta, como bombas para utilizar agua subterránea. Aunque el consumo individual no parezca grande, si se operan repetidamente durante muchas horas, el acumulado puede aumentar, por lo que es necesario gestionarlo.

¿En qué nivel está la precisión de predicción de la IA y es suficiente para llegar al control automático?

En el caso de predecir 15 minutos después en el invernadero de fresas de Nonsan, muestra una precisión de predicción superior al 90% (según el coeficiente de determinación), y para 1 hora después, superior al 80%. Como se trata de un modelo creado con solo alrededor de un año de datos de cultivo, se considera que la precisión aumentará a medida que se acumulen datos. El modelo predictivo utiliza una familia Transformer. Se eligió no por la precisión inmediata, sino para aprovechar datos de series temporales multivariantes acumulados durante largos períodos. Las redes neuronales recurrentes (RNN) o las redes de memoria a largo y corto plazo (LSTM) pueden tener limitaciones para aprender dependencias temporales de largo alcance a medida que se alarga el tramo de entrada. La magnitud de la mejora de precisión debe presentarse con base en resultados comparados bajo las mismas condiciones de validación, y es necesario distinguirla para no confundir la precisión de la clasificación del estado de consumo de combustible con la precisión de predicción del consumo de combustible.

En la etapa actual, no es adecuado describirlo como un sistema que controla automáticamente y de forma directa el calefactor a partir de los resultados de predicción. Si se verifican la fiabilidad y la seguridad de la predicción y se asegura la tecnología de conexión con controladores ambientales integrados, existe la posibilidad de evolucionar hacia el control automático. Sin embargo, como debe mantenerse un ambiente adecuado para el crecimiento de los cultivos, se requiere una tecnología de control que no solo minimice el consumo de energía, sino que considere simultáneamente el ambiente del cultivo y la eficiencia energética, e incluirá un proceso en el que el agricultor tome la decisión final.

¿Cómo son el costo de instalación y el plan de distribución?

El costo de instalación del sistema utilizado en la verificación de campo es de aproximadamente 19 millones de wones por explotación. Sin embargo, incluye sensores de investigación y dispositivos de recopilación y comunicación de datos, por lo que es difícil considerarlo como el precio de distribución para explotaciones generales. El retorno de la inversión (ROI) también varía mucho no solo según la superficie del invernadero, sino también según el consumo de energía para calefacción, el cultivo, el tipo de instalación y si ya se dispone de equipos de medición, por lo que es difícil presentarlo de manera uniforme. Para su distribución, la tarea pendiente es simplificar el sistema centrándolo en los elementos de medición indispensables y reducir el costo de instalación. El método de transformadores de corriente y sensores de nivel puede aplicarse también a invernaderos existentes, pero como se requiere un entorno de comunicación de cierto nivel para transmitir datos, en la fase de distribución también deben considerarse métodos de almacenamiento y transmisión para zonas con malas condiciones de comunicación.

Con base en los resultados de la verificación de este año, se planea proponer el “Proyecto de distribución piloto de nuevas tecnologías”, y si es seleccionado, se apunta a una distribución piloto en 2028. El número de lugares de distribución y las regiones objetivo se confirmarán después de la selección. En cuanto a la patente, se presentó la solicitud de “dispositivo de monitoreo energético de invernaderos que utiliza un modelo predictivo y su método de operación” y se está siguiendo el procedimiento de registro; la tecnología relacionada fue transferida a una empresa.

¿Hay margen para vincularlo con la política de neutralidad de carbono? Además, ¿cuál es su objetivo futuro como investigador?

Es difícil afirmar que GEMS sea, de inmediato, un sistema que certifique cantidades de reducción para el régimen de comercio de derechos de emisión o para proyectos externos. Esto se debe a que deben cumplirse por separado requisitos institucionales como la metodología, el establecimiento de la línea base y la medición, reporte y verificación (MRV). Sin embargo, el punto de partida de la reducción de carbono es, en última instancia, medir con precisión cuánta energía se utilizó realmente. Los datos de consumo de electricidad y combustible que acumula GEMS tienen potencial para utilizarse en la cuantificación del uso de energía y las emisiones de gases de efecto invernadero en el sector agrícola.

De cara al futuro, quiero acumular datos de campo de varias regiones y cultivos para comparar las características de consumo de cada explotación, y desarrollar el sistema para que los agricultores puedan juzgar fácilmente “cuánta energía usa mi granja en comparación con otras granjas en condiciones similares y dónde hay margen para reducirla”. La energía no se ve, pero cuando se mide empieza a hacerse visible, y si se ve, se puede gestionar. Mi objetivo como investigador es que GEMS no sea un simple equipo de medición, sino una herramienta que reduzca los costos energéticos y ayude a una gestión agrícola racional.