Invernaderos Geotérmicos y Pasivos – Reducción de las Emisiones de Carbono en la Agricultura

Abundancia Insostenible

Una gran comodidad de la vida moderna es la posibilidad de obtener productos frescos directamente del supermercado en cualquier momento. Los productos frescos están esperando directamente para nosotros en el supermercado. Afuera, puede estar helado y cubierto de nieve, pero aún así encontraremos una abundancia de tomates, lechugas y frutas frescas.

Esto, sin embargo, tiene un costo de masivas emisiones de carbono. O bien estos productos se envían, la mayor parte del tiempo en avión, desde el otro lado del mundo. O se producen en invernaderos calefaccionados, mayormente mantenidos calientes con gas natural o propano.

Una opción sería renunciar a tal lujo. Esto es lo que nuestros antepasados solían hacer, especialmente en climas fríos, basándose en una dieta de cebolla, papas, zanahorias, queso, encurtidos y carne salada o ahumada durante el invierno. Pero, realísticamente, no es algo que el consumidor promedio esté dispuesto a hacer.

Afortunadamente, los nuevos diseños de invernaderos que aprovechan de manera más inteligente la energía tanto de la Tierra como del Sol pueden ayudar a reducir la necesidad de combustibles fósiles para cultivar nuestro suministro de alimentos de invierno.

Invernaderos Pasivos

El diseño esencial de un invernadero es capturar y almacenar la energía térmica del sol. Al permitir que los rayos solares entren, proteger las plantas del viento y retener el calor. Esto aumenta la productividad de las plantas al alargar la temporada de crecimiento y proporcionar temperaturas más cálidas, impulsando el crecimiento vegetal. Es indispensable para producir incluso alimentos “básicos” como tomates o pimentón en muchas partes de EE. UU., Canadá y Europa.

Calentamiento del invernadero por radiación solar – Fuente: Hydroponics simplified

Los invernaderos pasivos llevan este concepto básico más allá al aumentar la eficiencia de cada componente posible.

Masa Térmica

La primera idea es aumentar la inercia del sistema. El mayor riesgo para el cultivo en invernadero son las heladas de corta duración que matarían plantas frágiles como los tomates. Incrementar la inercia térmica del invernadero reduce los picos máximos y mínimos de temperatura.

Una forma de lograrlo es que el lado norte del invernadero no esté hecho de plástico o vidrio, sino de ladrillos o piedra. La pared sólida retendrá más calor y absorberá directamente el calor del sol durante el día. Luego lo reemitirá hacia el interior del invernadero por la noche, haciendo más probable que se mantenga libre de heladas.

Este diseño se ha implementado a gran escala en China y ahora se está estudiando en la literatura científica.

Invernaderos Pasivos Chinos – Fuente: Research Gate

Para potenciar aún más el efecto de la pared, se aplica una capa de aislamiento, a menudo poliestireno, en el exterior de la pared para que el calor reemitido permanezca dentro del invernadero.

Otros diseños también pueden añadir barriles de agua y un disipador de calor muy potente, tocando la pared norte para una mayor inercia térmica. Piedras alrededor de las plantas y un suelo de concreto/piedra en el centro del invernadero también pueden ayudar.

Reducir pérdidas

Otra opción para mantener los invernaderos más cálidos por la noche es reducir las pérdidas térmicas. Para ello, los invernaderos pasivos chinos despliegan una manta sobre el invernadero cada noche. Inicialmente se hacía a mano, pero ahora se realiza más comúnmente con sistemas automáticos.

Fuente: Research Gate

Se podrían lograr más avances, especialmente en ventilación, pero en cualquier caso, este diseño ya puede operar sin ningún combustible fósil y representa un componente importante de cómo China puede alimentar a su población de 1.4 mil millones de personas.

Fuente: Research Gate

Invernaderos Geotérmicos

Temperaturas del Suelo

Los invernaderos pasivos son una mejora radical respecto a los diseños calefaccionados con combustibles fósiles comunes en Occidente, especialmente en EE. UU. o los Países Bajos. Pero en el clima más severo, podría no ser suficiente, especialmente en caso de inviernos muy nublados y nevados, donde pueden pasar semanas enteras sin que un invernadero reciba luz solar directa.

La energía geotérmica ya se utiliza para calentar casas mediante bombas de calor subterráneas. La idea es instalar una red de tuberías profundas en el suelo, a un nivel donde la temperatura es constante durante todo el año. Luego, usar una bomba de calor para extraer ese calor y mantener la casa caliente.

Fuente: energy.gov

Lo que hace que una bomba de calor subterránea sea superior a una bomba de calor de aire, al menos en climas fríos, es que el suelo mantiene una temperatura constantemente por encima del punto de congelación. La temperatura exacta varía según la región, así como la actividad geotérmica potencial.

Un Diseño Geotérmico Simplificado

Para los invernaderos, no es necesario una bomba de calor para “concentrar” la energía del suelo hasta una temperatura cómoda para los humanos.

Mantener varios grados por encima de la helada durante la noche es suficiente, con los momentos en que el sol brilla aportando los grados extra necesarios para reanudar el crecimiento de las plantas. De estos simples hechos surgió el concepto de un invernadero geotérmico.

La idea es enterrar una tubería lo suficientemente profunda para que el suelo circundante se mantenga cálido todo el año. El aire del invernadero se circula por la tubería, calentándola, y luego se reinyecta en el invernadero para mantener el aire interior por encima de la temperatura de congelación.

Esta estrategia se ha implementado en estados de EE. UU. con inviernos fríos, como Nebraska, para cultivar cítricos, higos o uvas locales.

Lo Simple es Bello

La ventaja de este diseño es que es muy eficiente energéticamente. La necesidad de circulación de aire lo hace no completamente pasivo, ya que el sistema de ventilación requiere algo de energía eléctrica. Pero su consumo de energía es muy bajo comparado con cualquier otra forma de calefacción para invernaderos.

También es una solución relativamente de baja tecnología, ya que la excavación requerida puede ser realizada por una sola persona con una retroexcavadora o excavadora y solo se necesita una vez para varias décadas.

Por último, la temperatura media estable bajo tierra significa que el mismo sistema puede usarse para enfriar los invernaderos en verano, potencialmente ayudando a aumentar la productividad de las plantas en los meses de verano, y/o reducir el consumo de agua.

Otros Calentamientos Geotérmicos

El invernadero geotérmico básico es una buena solución para alargar la temporada de crecimiento o hacer viables cultivos y árboles sensibles a la helada en regiones nórdicas. Fuentes de calor geotérmico más potentes podrían ser necesarias para alcanzar una productividad óptima durante todo el año.

Una opción son los manantiales termales y otras fuentes de calor subterráneas localizadas (60-150 °C / 140-300 °F). Aunque es difícil escalarlo en todas partes, existen “docenas de operaciones de invernaderos en los estados de las Montañas Rocosas y la Costa Oeste que se calientan con energía geotérmica de temperatura media.” EE. UU., pero también Japón, Canadá, Chile y otras regiones con manantiales termales y actividad volcánica podrían ser buenos candidatos para expandir este tipo de invernadero.

Otra opción podría ser la perforación geotérmica profunda, cavando lo suficiente para acceder a rocas permanentemente calentadas por la actividad geotérmica de la Tierra. Desafortunadamente, hoy en día dichos pozos profundos son muy costosos. Aunque algunas empresas, como Eavor, están intentando resolver este problema para la generación de energía, es poco probable que se desplieguen para la producción de alimentos pronto.

Conclusión

Los invernaderos geotérmicos siguen siendo un concepto muy novedoso y funcionan mejor combinados con el concepto de invernadero pasivo. Los invernaderos pasivos están ahora convirtiéndose en algo más general a nivel mundial, siguiendo su adopción masiva en China.

Por lo tanto, es probable que los invernaderos geotérmicos se conviertan en el próximo paso para hacer la cadena alimentaria más local y resiliente, al tiempo que se reduce la dependencia de los combustibles fósiles.

Al momento de redactar este artículo, no pudimos encontrar una empresa cotizada públicamente que se especialice en construir invernaderos pasivos o geotérmicos. El aspecto “baja tecnología” de esta tecnología puede haberla hecho poco “amigable para startups”, ya que se podría desarrollar muy poca propiedad intelectual propietaria.

Aún así, algunos kits están disponibles de empresas privadas como:

• Ceres Greenhouse Solutions (invernaderos de alto rendimiento).
• SunCatcher (Invernadero solar pasivo).
• Atmos Greenhouse Systems(Batería climática geotérmica).

Sin embargo, es clave para reducir el consumo de combustibles fósiles, así como para construir una economía más resiliente, como ilustró la crisis que afectó la producción de invernaderos holandeses en 2022. El país tiene 24 000 acres de invernaderos que consumen 106 petajulios al año, proporcionando el 21 % de los pimientos, el 20 % de los pepinos y el 17 % de los tomates cultivados en Europa.

Por lo tanto, esto podría convertirse en un nuevo sector verde aún por desarrollar a gran escala, con sistemas estandarizados para reducir costos y aumentar la eficiencia y la fiabilidad.