الصوبات الحرارية الجوفية والسلطوية – تقليل انبعاثات الكربون في الزراعة

الوفرة غير المستدامة

One great comfort of modern life is the possibility of getting fresh produce directly from the supermarket anytime. Fresh produce is directly waiting for us at the supermarket. Outside, it might be freezing and covered in snow, but we will still find an abundance of tomatoes, lettuce, and fresh fruits.

هذا، مع ذلك، يأتي على حساب massive carbon emissions. إما أن تُشحن هذه المنتجات، غالبًا بالطائرة، من الجانب الآخر من العالم. أو تُنتج في صوبات مُدفأة، تُحافظ على دفئها في الغالب باستخدام الغاز الطبيعي أو البروبان.

إحدى الخيارات هي التخلي عن هذه الرفاهية. هذا ما كان يفعله أسلافنا، خاصةً في المناخات الباردة، معتمدين على نظام غذائي من البصل والبطاطا والجزر والجبن والمخللات واللحوم المملحة أو المدخنة خلال الشتاء. لكن بصورة واقعية، هذا ليس شيئًا يرغب المستهلك العادي في القيام به.

لحسن الحظ، تصاميم جديدة للصوبات تعتمد على استخدام أذكى للطاقة من كل من الأرض والشمس يمكن أن تساعد في تقليل الحاجة إلى الوقود الأحفوري لزراعة إمدادات الطعام الشتوية.

الصوبات السلبية

Greenhouse essential design is to capture and store the sun’s thermal energy. By letting sun rays enter, protecting plants from the wind, and keeping the heat in. This boosts plant productivity by lengthening the growing season and providing warmer temperatures, boosting plant growth. This is a must for producing even “basic” food like tomatoes or paprika in many parts of the US, Canada, and Europe.

تسخين الصوبة بواسطة الإشعاع الشمسي – المصدر: Hydroponics simplified

Passive greenhouses push this basic concept further by increasing the efficiency of every possible component.

الكتلة الحرارية

The first idea is to increase the inertia of the system. The largest risk for greenhouse culture is short-lived frosts that would kill fragile plants like tomatoes. Increasing the thermal inertia of the greenhouse reduces the maximum and minimum temperature peaks.

إحدى الطرق لتحقيق ذلك هي أن يكون الجانب الشمالي من الصوبة غير مصنوع من البلاستيك أو الزجاج بل من الطوب أو الحجر. الجدار الصلب سيحتفظ بمزيد من الحرارة ويمتص مباشرة حرارة الشمس خلال النهار. ثم سيعيد إنبعاثها نحو داخل الصوبة ليلاً، مما يزيد من احتمال بقاء الصوبة خالية من الصقيع.

تم نشر هذا التصميم على نطاق واسع في الصين وهو الآن يُدرَس في الأدبيات العلمية.

الصوبات السلطوية الصينية – المصدر: Research Gate

لتعزيز تأثير الجدار أكثر، تُطبق طبقة من العزل، غالبًا بوليسترين، على خارج الجدار بحيث تبقى الحرارة المُعاد إنبعاثها داخل الصوبة.

Other designs can also add barrels of water and a very powerful heat sink, touching the north wall for even greater thermal inertia. Stones around plants and a concrete/stone floor at the greenhouse’s center can also help.

تقليل الفاقد

Another option to keep the greenhouses warmer at night is to reduce thermal losses. For this, the Chinese passive greenhouses unroll a blanket on top of the greenhouse every night. Initially done by hand, this is now more commonly done with automatic systems.

المصدر: Research Gate

يمكن تحقيق المزيد من التقدم، خصوصًا في مجال التهوية، لكن على أي حال، هذا التصميم يمكنه بالفعل العمل دون أي وقود أحفوري ويمثل مكوّنًا كبيرًا من كيفية إطعام الصين لسكانها البالغ عددهم 1.4 مليار شخص.

المصدر: Research Gate

الصوبات الحرارية الجوفية

درجات حرارة الأرض

Passive greenhouses are a radical improvement over the fossil-fuel heated designs common in the West, especially in the US or the Netherlands.  But in the harshest climate, it might not be enough, especially in the case of very cloudy and snowy winters, where it might be entire weeks when a greenhouse does not receive any direct sunshine.

يُستخدم الطاقة الحرارية الجوفية بالفعل لتدفئة المنازل عبر مضخات الحرارة الأرضية. الفكرة هي حفر شبكة من الأنابيب عميقًا في الأرض، عند مستوى تكون فيه درجة الحرارة ثابتة طوال العام. ثم يُستَخدم مضخة حرارة لاستخراج تلك الحرارة وإبقاء المنزل دافئًا.

المصدر: energy.gov

ما يجعل مضخة الحرارة الأرضية متفوقة على مضخة الهواء، على الأقل في المناخات الباردة، هو أن المجموعة ستحافظ على درجة حرارة فوق الصفر باستمرار. تختلف درجة الحرارة الدقيقة حسب المنطقة، وكذلك النشاط الحراري الجوفي المحتمل.

تصميم حراري جوفي مبسط

For greenhouses, there is no need for a heat pump to “concentrate” the ground energy up to a temperature comfortable for humans.

البقاء على بعد عدة درجات فوق الصقيع ليلاً يكفي، مع لحظات إشراق الشمس التي تجلب الدرجات الإضافية اللازمة لاستئناف نمو النباتات. من هذه الحقائق البسيطة نشأ مفهوم الصوبة الحرارية الجوفية.

الفكرة هي دفن أنبوب بعمق كافٍ ليظل التربة المحيطة دافئة طوال العام. ثم يُدوَّر الهواء من الصوبة داخل الأنبوب، يُسخّنها، ثم يُعاد حقنه في الصوبة للحفاظ على الهواء داخلها فوق درجة التجمد.

This strategy has been deployed in US states with cold winters, like Nebraska, to grow locally citrus, figs, or grapes.

البساطة جميلة

The advantage of this design is that it is very energy efficient. The need for air circulation makes it not entirely passive, as the ventilation system requires some electric power. But it is a very low energy consumption compared to any other form of heating for greenhouses.

كما أنها حل منخفض التقنية نسبيًا، حيث يمكن لشخص واحد باستخدام حفار أو حفارة تنفيذ الحفر المطلوبة مرة واحدة تكفي لعدة عقود.

Lastly, the stable average temperature underground means the same system can be used to cool down the greenhouses in summer, potentially helping boost plant productivity in summer months as well, and/or reducing water consumption.

تدفئة حرارية جوفية أخرى

The basic geothermal greenhouse is a good solution for lengthening the growth season or making frost-sensitive crops and trees viable in Nordic regions. More power geothermal heat sources might be needed to reach optimal productivity all year round.

إحدى الخيارات هي الينابيع الساخنة ومصادر الحرارة الأرضية المحلية الأخرى (60-150°C / 140-300°F). رغم صعوبة توسيعها في كل مكان، هناك “dozens of greenhouse operations in the Rocky Mountain and West Coast states that are heated by medium temperature geothermal energy.” الولايات المتحدة، وكذلك اليابان، كندا، تشيلي، وغيرها من المناطق التي تحتوي على ينابيع ساخنة ونشاط بركاني قد تكون مرشحة جيدة لتوسيع هذا النوع من الصوبات.

Another option could be deep geothermal boring, digging deep enough to access rocks permanently warmed up by the Earth’s geothermal activity. Unfortunately, such deep wells are, for now, very expensive. While some companies, like Eavor, are looking to solve this problem for power generation, it is unlikely to be deployed for food production any time soon.

الخلاصة

Geothermal greenhouses are still a very novel concept and work best combined with the concept of passive greenhouse. Passive greenhouses are now becoming more mainstream globally, following their mass adoption in China.

لذلك، من المحتمل أن تصبح الصوبات الحرارية الجوفية الخطوة التالية في جعل سلسلة الغذاء أكثر توطينًا ومرونة مع تقليل الاعتماد على الوقود الأحفوري.

في وقت كتابة هذا المقال، لم نتمكن من العثور على شركة مدرجة علنًا متخصصة في بناء صوبات سلطوية أو حرارية جوفية. قد يكون الجانب “منخفض التقنية” لهذه التقنية قد جعلها غير “صديقة للشركات الناشئة”، حيث يمكن تطوير قليل من الملكية الفكرية الخاصة.

Still, some kits are available from private companies like:

• Ceres Greenhouse Solutions (high-yield greenhouses).
• SunCatcher (Solar passive greenhouse).
• Atmos Greenhouse Systems(Geothermal “climate battery”).

It is nevertheless a key to reducing fossil fuel consumption, as well as building a more resilient economy, as the crisis hitting Dutch greenhouse production in 2022 illustrated. The country has 24,000 acres of greenhouses consuming  106 petajoules yearly, providing  21% of the peppers, 20% of the cucumbers, and 17% of the tomatoes grown in Europe.

لذلك، قد يصبح هذا قطاعًا أخضرًا جديدًا لم يُطوَّر بعد على نطاق واسع، مع أنظمة موحدة لتقليل التكاليف وزيادة الكفاءة والموثوقية.