Γεωθερμικά και παθητικά θερμοκήπια: μείωση των εκπομπών στη γεωργία

Αφθονία με περιβαλλοντικό κόστος

Μια άνεση της σύγχρονης ζωής είναι η διαθεσιμότητα φρέσκων προϊόντων όλο τον χρόνο. Ακόμη και όταν έξω επικρατεί παγετός ή χιόνι, στα καταστήματα βρίσκουμε ντομάτες, μαρούλια και φρούτα. Το άρθρο εξετάζει τεχνικές θερμοκηπίων και παραδείγματα από την οπτική του 2023.

Η παραγωγή και μεταφορά τους μπορεί να συνεπάγεται σημαντικές εκπομπές άνθρακα. Τα εισαγόμενα προϊόντα μεταφέρονται με πλοία, φορτηγά και, για ορισμένα ευπαθή είδη, αεροπλάνα· δεν είναι σωστό ότι τα περισσότερα φτάνουν αεροπορικώς. Άλλα παράγονται σε θερμαινόμενα θερμοκήπια, συχνά με φυσικό αέριο ή προπάνιο. Το αποτύπωμα εξαρτάται τόσο από την παραγωγή όσο και από τη μεταφορά.

Μια επιλογή είναι η μεγαλύτερη κατανάλωση εποχικών και αποθηκεύσιμων τροφίμων. Σε ψυχρά κλίματα, οι προηγούμενες γενιές βασίζονταν τον χειμώνα σε κρεμμύδια, πατάτες, καρότα, τυρί, τουρσιά και παστά ή καπνιστά κρέατα. Ωστόσο, πολλοί καταναλωτές επιθυμούν τη σημερινή ποικιλία.

Ο καλύτερος σχεδιασμός των θερμοκηπίων και η αξιοποίηση της ηλιακής ενέργειας και της θερμότητας του εδάφους μπορούν να μειώσουν την ανάγκη ορυκτών καυσίμων για τη χειμερινή παραγωγή.

Παθητικά θερμοκήπια

Το θερμοκήπιο αφήνει την ηλιακή ακτινοβολία να εισέλθει, προστατεύει τα φυτά από τον άνεμο και περιορίζει τις θερμικές απώλειες. Έτσι μπορεί να παρατείνει την καλλιεργητική περίοδο και να δημιουργήσει ευνοϊκότερες θερμοκρασίες. Είναι ιδιαίτερα χρήσιμο για καλλιέργειες όπως η ντομάτα και η πιπεριά σε ψυχρές περιοχές των ΗΠΑ, του Καναδά και της Ευρώπης, χωρίς να είναι απαραίτητο παντού ή σε κάθε εποχή.

Θέρμανση θερμοκηπίου από την ηλιακή ακτινοβολία — Πηγή: Hydroponics simplified

Τα παθητικά θερμοκήπια βελτιώνουν αυτή τη βασική ιδέα, περιορίζοντας τις απώλειες και αξιοποιώντας καλύτερα τη θερμότητα.

Θερμική Μάζα

Μια αρχή είναι η αύξηση της θερμικής αδράνειας. Ακόμη και ένας σύντομος παγετός μπορεί να βλάψει ευαίσθητα φυτά όπως οι ντομάτες. Η θερμική μάζα αποθηκεύει θερμότητα και μετριάζει τις ημερήσιες διακυμάνσεις, μειώνοντας τις υψηλές αιχμές και ανεβάζοντας τις χαμηλές θερμοκρασίες.

Στο βόρειο ημισφαίριο, μια επιλογή είναι ο βόρειος τοίχος να κατασκευάζεται από τούβλο ή πέτρα αντί για διαφανές υλικό. Ο συμπαγής τοίχος απορροφά θερμότητα την ημέρα και την αποδίδει τη νύχτα, μειώνοντας τον κίνδυνο παγετού. Ο προσανατολισμός πρέπει να προσαρμόζεται στο ημισφαίριο και στο γεωγραφικό πλάτος.

Αυτός ο τύπος ηλιακού θερμοκηπίου έχει χρησιμοποιηθεί ευρέως στην Κίνα και μελετάται στην επιστημονική βιβλιογραφία.

Κινεζικά παθητικά ηλιακά θερμοκήπια — Πηγή εικόνας: Research Gate

Η εξωτερική μόνωση του συμπαγούς τοίχου, για παράδειγμα με πολυστυρένιο, περιορίζει τη διαφυγή της αποθηκευμένης θερμότητας προς τα έξω.

Δοχεία νερού μπορούν επίσης να προσφέρουν θερμική μάζα και να αποθηκεύουν θερμότητα. Πέτρες γύρω από τις καλλιέργειες ή δάπεδο από πέτρα και σκυρόδεμα μπορεί να βοηθήσουν. Η ωφέλεια εξαρτάται από τη διάταξη και πρέπει να σταθμίζεται έναντι του χώρου που καταλαμβάνουν.

Μείωση Απωλειών

Η μείωση των νυχτερινών απωλειών είναι εξίσου σημαντική. Σε κινεζικά ηλιακά θερμοκήπια αναπτύσσεται μονωτικό κάλυμμα πάνω από τη διαφανή επιφάνεια τη νύχτα. Η εργασία μπορεί να γίνεται χειροκίνητα ή με αυτοματισμό.

Πηγή εικόνας: Research Gate

Ο αερισμός, η σκίαση και ο έλεγχος της υγρασίας παραμένουν σημαντικοί. Σε κατάλληλες συνθήκες, ο σχεδιασμός μπορεί να περιορίσει πολύ ή να αποφύγει τη θέρμανση με ορυκτά καύσιμα, όχι όμως να εγγυηθεί παραγωγή χωρίς θέρμανση σε κάθε κλίμα. Η εκτεταμένη χρήση στην Κίνα συμβάλλει στην προσφορά λαχανικών.

Πηγή εικόνας: Research Gate

Θερμοκήπια με αξιοποίηση της θερμότητας του εδάφους

Θερμοκρασίες Εδάφους

Ο παθητικός σχεδιασμός μπορεί να μειώσει τη θέρμανση με ορυκτά καύσιμα. Σε πολύ ψυχρούς, συννεφιασμένους ή χιονισμένους χειμώνες, όμως, η διαθέσιμη ηλιακή ενέργεια μπορεί να μην επαρκεί. Τότε χρειάζεται πρόσθετη πηγή θερμότητας ή διαφορετική επιλογή καλλιεργειών.

Οι γεωθερμικές αντλίες θερμότητας χρησιμοποιούνται ήδη σε κτίρια. Ένα δίκτυο σωληνώσεων τοποθετείται στο έδαφος, όπου η θερμοκρασία μεταβάλλεται λιγότερο από του αέρα. Η αντλία, καταναλώνοντας ηλεκτρική ενέργεια, μεταφέρει θερμότητα για θέρμανση ή ψύξη.

Πηγή εικόνας: energy.gov

Σε πολλές περιοχές, το έδαφος είναι θερμότερο από τον αέρα τον χειμώνα και ψυχρότερο το καλοκαίρι. Αυτό μπορεί να βελτιώσει την απόδοση σε σχέση με μια αντλία αέρα σε έντονο ψύχος. Η θερμοκρασία δεν είναι απολύτως σταθερή ούτε παντού πάνω από το μηδέν: εξαρτάται από βάθος, τοποθεσία, εποχή και εδαφικές συνθήκες.

Απλούστερη ανταλλαγή θερμότητας εδάφους–αέρα

Για ορισμένα μικρά, καλά μονωμένα θερμοκήπια με χαμηλή επιθυμητή θερμοκρασία, είναι δυνατή η άμεση ανταλλαγή θερμότητας με το έδαφος χωρίς αντλία θερμότητας. Αυτό δεν ισχύει για κάθε θερμοκήπιο.

Για ανθεκτικές καλλιέργειες μπορεί να αρκεί η αποφυγή παγετού τη νύχτα, με την ηλιακή ακτινοβολία να προσθέτει θερμότητα την ημέρα. Η κατάλληλη θερμοκρασία και ο απαιτούμενος φωτισμός εξαρτώνται από το φυτό και τον στόχο παραγωγής.

Αέρας από το θερμοκήπιο κυκλοφορεί με ανεμιστήρα σε θαμμένους σωλήνες, ανταλλάσσει θερμότητα με το έδαφος και επιστρέφει στον χώρο. Το έδαφος μπορεί επίσης να αποθηκεύει ηλιακή θερμότητα. Πρόκειται για ρηχή εναλλαγή θερμότητας, διαφορετική από την άντληση θερμού νερού ή τη βαθιά γεωθερμία.

Μια εφαρμογή σε πολιτείες με ψυχρούς χειμώνες είναι το παράδειγμα της Νεμπράσκα, με τοπική καλλιέργεια εσπεριδοειδών, σύκων και σταφυλιών. Το αποτέλεσμα αφορά συγκεκριμένο μικρό, μονωμένο σχεδιασμό και δεν εγγυάται αντίστοιχη απόδοση σε κάθε κατασκευή.

Η αξία της απλότητας

Ένα τέτοιο σύστημα μπορεί να καταναλώνει σχετικά λίγη ενέργεια. Δεν είναι πλήρως παθητικό, επειδή ο ανεμιστήρας χρειάζεται ηλεκτρισμό. Η εξοικονόμηση έναντι άλλων τρόπων θέρμανσης εξαρτάται από το κλίμα, τη μόνωση, το μέγεθος και τη θερμοκρασία-στόχο.

Η τεχνολογία μπορεί να είναι σχετικά απλή, αλλά η εκσκαφή, η αποστράγγιση, η επιλογή σωλήνων και ο σχεδιασμός απαιτούν κατάλληλη εργασία. Δεν είναι δεδομένο ότι ένα άτομο αρκεί ή ότι η εγκατάσταση δεν θα χρειαστεί συντήρηση επί δεκαετίες.

Το καλοκαίρι, το ψυχρότερο έδαφος μπορεί να απορροφά θερμότητα από τον αέρα του θερμοκηπίου. Η ψύξη μπορεί να βοηθά τα φυτά και, ανάλογα με τις συνθήκες, να περιορίζει τις ανάγκες νερού.

Άλλες γεωθερμικές πηγές θέρμανσης

Η απλή ανταλλαγή με το έδαφος μπορεί να παρατείνει την περίοδο καλλιέργειας. Για υψηλότερες θερμοκρασίες και παραγωγή όλο τον χρόνο ενδέχεται να χρειάζεται αντλία θερμότητας ή ισχυρότερη πηγή.

Μια επιλογή είναι οι θερμές πηγές ή γεωτρήσεις με νερό περίπου 60–150°C, δηλαδή 140–300°F. Τέτοιοι πόροι δεν υπάρχουν παντού. Δημοσίευση γεωργικής επέκτασης του 2019 περιέγραφε δεκάδες θερμοκήπια στις πολιτείες των Βραχωδών Ορέων και της Δυτικής Ακτής που θερμαίνονταν με γεωθερμικούς πόρους μέσης θερμοκρασίας. Περιοχές των ΗΠΑ, της Ιαπωνίας, του Καναδά και της Χιλής με κατάλληλους πόρους μπορούν επίσης να εξετάσουν άμεση γεωθερμική θέρμανση.

Οι βαθιές γεωτρήσεις προσφέρουν άλλη δυνατότητα, αλλά το κόστος και οι γεωλογικές συνθήκες είναι κρίσιμοι παράγοντες. Η Eavor, για παράδειγμα, ανέπτυσσε ήδη το 2023 τεχνολογία για ηλεκτροπαραγωγή και τηλεθέρμανση, όχι μόνο για ηλεκτρισμό. Η εφαρμογή σε θερμοκήπια εξαρτάται από τη διαθεσιμότητα θερμότητας, την απόσταση και την οικονομική βιωσιμότητα.

Συμπέρασμα

Η γεωθερμική θέρμανση θερμοκηπίων δεν είναι εντελώς νέα ιδέα. Οι απλούστεροι εναλλάκτες εδάφους μπορούν να συνδυαστούν με παθητικά ηλιακά θερμοκήπια, ενώ άλλες εγκαταστάσεις χρησιμοποιούν αντλίες θερμότητας ή θερμό γεωθερμικό νερό.

Αυτοί οι συνδυασμοί μπορούν να στηρίξουν πιο τοπική και ανθεκτική παραγωγή και να μειώσουν τη χρήση ορυκτών καυσίμων. Το περιβαλλοντικό όφελος εξαρτάται από τον σχεδιασμό και την πηγή ενέργειας.

Η αρχική έρευνα του άρθρου το 2023 δεν εντόπισε εισηγμένη εταιρεία που να ειδικεύεται αποκλειστικά σε αυτούς τους σχεδιασμούς· αυτό δεν αποδεικνύει ότι δεν υπήρχε καμία. Υπάρχουν ιδιωτικοί προμηθευτές, και η σχετική απλότητα ορισμένων συστημάτων δεν σημαίνει απουσία πνευματικής ιδιοκτησίας: η Ceres αναφέρει πατενταρισμένους σχεδιασμούς και τεχνολογία.

Ωστόσο, κάποια κιτ διατίθενται από ιδιωτικές εταιρείες όπως:

• Ceres Greenhouse Solutions (θερμοκήπια υψηλής απόδοσης).
• SunCatcher (παθητικό ηλιακό θερμοκήπιο).
• Atmos Greenhouse Systems (σύστημα εδαφικής αποθήκευσης θερμότητας, «κλιματική μπαταρία»).

Η μείωση της εξάρτησης από καύσιμα μπορεί να ενισχύσει την ανθεκτικότητα, όπως έδειξε η ενεργειακή κρίση στην ολλανδική παραγωγή θερμοκηπίων το 2022. Η αρχική αναφορά περιέγραφε έκταση περίπου 24.000 ακρ, δηλαδή 9.700 εκτάρια. Έκθεση του 2022 ανέφερε κατανάλωση 106 πετατζάουλ το 2019 και ιστορικά μερίδια 21% στις πιπεριές, 20% στα αγγούρια και 17% στις ντομάτες που παράγονταν στην Ευρώπη. Αυτά τα στοιχεία αφορούν διαφορετικές ιστορικές περιόδους και δεν είναι σημερινά ετήσια δεδομένα.

Τυποποιημένα συστήματα και καλύτερος σχεδιασμός μπορούν να μειώσουν κόστος και να βελτιώσουν απόδοση και αξιοπιστία, όπου οι τοπικές συνθήκες ευνοούν την εφαρμογή.