Geothermische und Passive Gewächshäuser – Reduzierung der CO₂-Emissionen in der Landwirtschaft

Nicht nachhaltiger Überfluss

Ein großer Komfort des modernen Lebens ist die Möglichkeit, jederzeit frisches Obst und Gemüse direkt im Supermarkt zu bekommen. Frische Produkte warten direkt für uns im Supermarkt. Draußen kann es eisig sein und von Schnee bedeckt, aber wir finden dennoch einen Überfluss an Tomaten, Salat und frischem Obst.

Das hat jedoch den Preis von massiven CO₂-Emissionen. Entweder werden diese Produkte, meist per Flugzeug, von der anderen Seite der Welt transportiert. Oder sie werden in beheizten Gewächshäusern produziert, die meist mit Erdgas oder Propan beheizt werden.

Eine Möglichkeit wäre, auf diesen Luxus zu verzichten. Das haben unsere Vorfahren, besonders in kalten Klimazonen, getan, indem sie im Winter von einer Ernährung aus Zwiebeln, Kartoffeln, Karotten, Käse, Essiggurken und gesalzenem oder geräuchertem Fleisch lebten. Realistisch ist das jedoch nichts, zu dem der durchschnittliche Verbraucher bereit wäre.

Glücklicherweise können neue Gewächshaus-Designs, die eine intelligentere Nutzung von Energie aus Erde und Sonne ermöglichen, den Bedarf an fossilen Brennstoffen zur Produktion unserer Winternahrungsmittel reduzieren.

Passive Gewächshäuser

Das wesentliche Design eines Gewächshauses besteht darin, die thermische Energie der Sonne zu erfassen und zu speichern. Indem Sonnenstrahlen eindringen, Pflanzen vor dem Wind geschützt werden und die Wärme gehalten wird. Das verlängert die Wachstumsperiode und sorgt für höhere Temperaturen, was das Pflanzenwachstum steigert. Das ist unerlässlich, um selbst „grundlegende“ Lebensmittel wie Tomaten oder Paprika in vielen Teilen der USA, Kanadas und Europas zu produzieren.

Heizung des Gewächshauses durch Solarstrahlung – Quelle: Hydroponics simplified

Passive Gewächshäuser treiben dieses Grundkonzept weiter voran, indem sie die Effizienz jeder möglichen Komponente erhöhen.

Thermische Masse

Die erste Idee ist, die Trägheit des Systems zu erhöhen. Das größte Risiko für den Gewächshausanbau sind kurzzeitige Frostperioden, die empfindliche Pflanzen wie Tomaten töten würden. Durch Erhöhung der thermischen Trägheit des Gewächshauses werden die maximalen und minimalen Temperaturspitzen reduziert.

Eine Möglichkeit besteht darin, die Nordseite des Gewächshauses nicht aus Plastik oder Glas, sondern aus Ziegeln oder Stein zu bauen. Die massive Wand speichert mehr Wärme und absorbiert tagsüber direkt die Sonnenwärme. Nachts gibt sie diese Wärme ins Innere des Gewächshauses ab, wodurch die Wahrscheinlichkeit steigt, frostfrei zu bleiben.

Dieses Design wurde in China in großem Maßstab umgesetzt und wird nun in der Fachliteratur untersucht.

Chinesische Passive Gewächshäuser – Quelle: Research Gate

Um die Wirkung der Wand weiter zu verstärken, wird außen eine Isolierschicht, häufig Polystyrol, angebracht, sodass die wieder abgegebene Wärme im Inneren des Gewächshauses bleibt.

Andere Designs können ebenfalls Wasserfässer und einen sehr leistungsfähigen Wärmesenker hinzufügen, der die Nordwand berührt, um die thermische Trägheit weiter zu erhöhen. Steine um die Pflanzen und ein Beton‑/Steinboden im Zentrum des Gewächshauses können ebenfalls helfen.

Verluste reduzieren

Eine weitere Möglichkeit, die Gewächshäuser nachts wärmer zu halten, besteht darin, thermische Verluste zu reduzieren. Dafür breiten die chinesischen passiven Gewächshäuser jede Nacht eine Decke über das Gewächshaus aus. Anfangs von Hand erledigt, geschieht dies heute meist mit automatischen Systemen.

Quelle: Research Gate

Einige weitere Fortschritte könnten erzielt werden, insbesondere bei der Belüftung, aber in jedem Fall kann dieses Design bereits ohne fossile Brennstoffe betrieben werden und stellt einen wesentlichen Beitrag dazu dar, wie China seine 1,4‑Milliarden‑Menschen‑Bevölkerung versorgen kann.

Quelle: Research Gate

Geothermische Gewächshäuser

Bodentemperaturen

Passive Gewächshäuser stellen eine radikale Verbesserung gegenüber den in Westen üblichen, mit fossilen Brennstoffen beheizten Designs dar, insbesondere in den USA oder den Niederlanden. Doch in den härtesten Klimazonen könnte das nicht ausreichen, besonders bei sehr wolkigen und schneereichen Wintern, in denen es wochenlang keine direkte Sonneneinstrahlung gibt.

Geothermische Energie wird bereits genutzt, um Häuser über Erdwärmepumpen zu erwärmen. Die Idee besteht darin, ein Rohrnetz tief im Boden zu installieren, auf einer Ebene, wo die Temperatur das ganze Jahr über konstant ist. Anschließend wird eine Wärmepumpe verwendet, um diese Wärme zu entnehmen und das Haus zu wärmen.

Quelle: energy.gov

Was eine Erdwärmepumpe im Vergleich zu einer Luftwärmepumpe, zumindest in kalten Klimazonen, überlegen macht, ist, dass das Erdreich eine konstant über dem Gefrierpunkt liegende Temperatur hat. Die genaue Temperatur variiert je nach Region sowie der potenziellen geothermischen Aktivität.

Ein vereinfachtes geothermisches Design

Für Gewächshäuser besteht keine Notwendigkeit für eine Wärmepumpe, um die Erdwärme auf eine für Menschen angenehme Temperatur zu „konzentrieren“.

Es reicht aus, nachts einige Grad über dem Frost zu bleiben, wobei die Sonnenstunden die zusätzlichen Grade liefern, die für das Pflanzenwachstum nötig sind. Aus diesen einfachen Fakten entstand das Konzept eines geothermischen Gewächshauses.

Die Idee ist, ein Rohr tief genug zu vergraben, damit der umgebende Boden das ganze Jahr über warm bleibt. Luft aus dem Gewächshaus wird dann durch das Rohr geleitet, erwärmt es und wird anschließend wieder ins Gewächshaus zurückgeführt, um die Luft im Inneren über dem Gefrierpunkt zu halten.

This strategy has been deployed in US states with cold winters, like Nebraska, um lokal Zitrusfrüchte, Feigen oder Trauben anzubauens.

Einfach ist schön

Der Vorteil dieses Designs liegt in seiner hohen Energieeffizienz. Der Bedarf an Luftzirkulation macht es nicht vollständig passiv, da das Belüftungssystem etwas elektrische Energie benötigt. Dennoch ist der Energieverbrauch im Vergleich zu jeder anderen Heizungsart für Gewächshäuser sehr gering.

Es ist zudem eine relativ niedrigtechnische Lösung, bei der das erforderliche Graben von einer Person mit einem Bagger oder einer Schaufelmaschine erledigt werden kann und nur einmal für mehrere Jahrzehnte nötig ist.

Schließlich bedeutet die stabile durchschnittliche Temperatur im Untergrund, dass dasselbe System im Sommer zur Kühlung der Gewächshäuser eingesetzt werden kann, was möglicherweise die Pflanzenproduktivität in den Sommermonaten steigert und/oder den Wasserverbrauch reduziert.

Andere geothermische Heizungen

Das grundlegende geothermische Gewächshaus ist eine gute Lösung, um die Wachstumsperiode zu verlängern oder frostempfindliche Pflanzen und Bäume in nordischen Regionen nutzbar zu machen. Für eine ganzjährige optimale Produktivität könnten leistungsstärkere geothermische Wärmequellen erforderlich sein.

Eine Möglichkeit ist heiße Quellen und andere lokalisierte Erdwärmequellen (60‑150 °C / 140‑300 °F). Während dies nicht überall skalierbar ist, gibt es “Dutzende von Gewächshausbetrieben in den Rocky‑Mountain‑ und Westküstenstaaten, die mit geothermischer Energie mittlerer Temperatur beheizt werden.” Die USA, aber auch Japan, Kanada, Chile und andere Regionen mit heißen Quellen und vulkanischer Aktivität könnten gute Kandidaten für die Ausweitung dieses Gewächshaus‑Typs sein.

Eine weitere Möglichkeit könnte das tiefe geothermische Bohren sein, bei dem so tief gegraben wird, dass man dauerhaft erwärmte Gesteine der Erdwärme erreicht. Leider sind solche Tiefbrunnen derzeit sehr teuer. Während einige Unternehmen, wie Eavor, versuchen, dieses Problem für die Stromerzeugung zu lösen, ist es unwahrscheinlich, dass sie in naher Zukunft für die Lebensmittelproduktion eingesetzt werden.

Fazit

Geothermische Gewächshäuser sind noch ein sehr neues Konzept und funktionieren am besten in Kombination mit dem Konzept des passiven Gewächshauses. Passive Gewächshäuser werden weltweit immer gängiger, nachdem sie in China massenhaft übernommen wurden.

Daher ist es wahrscheinlich, dass geothermische Gewächshäuser der nächste Schritt werden, um die Lebensmittelkette lokaler und widerstandsfähiger zu machen und gleichzeitig die Abhängigkeit von fossilen Brennstoffen zu reduzieren.

Zum Zeitpunkt der Erstellung dieses Artikels konnten wir kein börsennotiertes Unternehmen finden, das sich auf den Bau von passiven oder geothermischen Gewächshäusern spezialisiert hat. Der „Low‑Tech“-Charakter dieser Technologie könnte sie für Start‑ups weniger attraktiv gemacht haben, da nur wenig proprietäres geistiges Eigentum entwickelt werden kann.

Noch immer sind einige Bausätze von privaten Unternehmen erhältlich, wie:

• Ceres Greenhouse Solutions (ertragsstarke Gewächshäuser).
• SunCatcher (Solar‑passives Gewächshaus).
• Atmos Greenhouse Systems(Geothermische „Klima‑Batterie“).

Es ist dennoch ein Schlüssel zur Reduzierung des Verbrauchs fossiler Brennstoffe sowie zum Aufbau einer widerstandsfähigeren Wirtschaft, wie die 2022 die niederländische Gewächshausproduktion treffende Krise veranschaulichte. Das Land verfügt über 24.000 Acres Gewächshäuser, die 106 Petajoule pro Jahr verbrauchen, die 21 % der Paprika, 20 % der Gurken und 17 % der in Europa angebauten Tomaten bereitstellen.

Damit könnte dies zu einem neuen grünen Sektor werden, der noch nicht im großen Maßstab entwickelt ist, mit standardisierten Systemen zur Kostensenkung sowie zur Steigerung von Effizienz und Zuverlässigkeit.