Geotermiset ja passiiviset kasvihuoneet – Maatalouden hiilidioksidipäästöjen vähentäminen

Kestämätön Yltäkylläisyys

Tuoreiden tuotteiden ympärivuotinen saatavuus on nykyelämän mukavuuksia. Vaikka ulkona olisi pakkasta ja lunta, kaupoista löytyy tomaatteja, salaattia ja hedelmiä. Tämä artikkeli tarkastelee kasvihuonetekniikoita ja esimerkkejä vuoden 2023 näkökulmasta.

Tuotanto ja kuljetus voivat kuitenkin aiheuttaa merkittäviä hiilidioksidipäästöjä. Tuontituotteita kuljetetaan laivoilla ja maanteitse sekä joitakin nopeasti pilaantuvia tuotteita lentäen; suurin osa ei automaattisesti saavu lentorahdissa. Osa tuotetaan lämmitetyissä kasvihuoneissa, usein maakaasun tai propaanin avulla. Päästöihin vaikuttavat sekä tuotanto että kuljetustapa.

Yksi vaihtoehto on suosia enemmän sesongin tuotteita ja varastoitavia elintarvikkeita. Kylmillä seuduilla talviruokaan kuuluivat perinteisesti esimerkiksi sipulit, perunat, porkkanat, juustot, säilykkeet sekä suolattu tai savustettu liha. Monet kuluttajat haluavat silti nykyisen valikoiman.

Kasvihuoneiden parempi suunnittelu sekä auringon ja maaperän lämmön hyödyntäminen voivat vähentää fossiilisten polttoaineiden tarvetta talvituotannossa.

Passiiviset kasvihuoneet

Kasvihuone päästää auringonsäteilyn sisään, suojaa kasveja tuulelta ja vähentää lämpöhäviöitä. Se voi pidentää kasvukautta ja tarjota kasvulle suotuisamman lämpötilan. Tämä on hyödyllistä esimerkiksi tomaattien ja paprikoiden viljelyssä Yhdysvaltojen, Kanadan ja Euroopan kylmillä alueilla, mutta ei välttämätöntä kaikkialla ja kaikkina vuodenaikoina.

Kasvihuoneen lämmitys aurinkoenergialla – Lähde: Hydroponics simplified

Passiiviset kasvihuoneet tehostavat tätä periaatetta pienentämällä häviöitä ja hyödyntämällä lämpöä paremmin.

Lämpömassa

Yksi keino on kasvattaa rakenteen lämpöinertiaa. Lyhytkin pakkanen voi vahingoittaa herkkiä kasveja, kuten tomaattia. Lämpömassa varastoi lämpöä ja tasaa vuorokauden lämpötilavaihteluita: korkeimmat huiput laskevat ja matalimmat lämpötilat nousevat.

Pohjoisella pallonpuoliskolla pohjoisseinä voidaan rakentaa läpinäkyvän materiaalin sijasta tiilestä tai kivestä. Se imee lämpöä päivällä ja luovuttaa sitä yöllä, mikä vähentää pakkasriskiä. Suuntaus on sovitettava pallonpuoliskoon ja leveysasteeseen.

Tällaisia aurinkokasvihuoneita on käytetty laajasti Kiinassa, ja niitä tutkitaan tieteellisessä kirjallisuudessa.

Kiinan passiiviset kasvihuoneet – Lähde: Research Gate

Ulkopuolinen eristys, esimerkiksi polystyreeni, vähentää umpinaiseen seinään varastoituneen lämmön karkaamista ulos.

Vesitynnyrit voivat tarjota lisää lämpömassaa ja varastoida lämpöä. Myös kasvien ympärille sijoitetut kivet sekä kivi- tai betonilattia voivat auttaa. Hyöty riippuu järjestelystä, ja sitä on verrattava ratkaisun viemään viljelytilaan.

Häviöiden vähentäminen

Yöllisten lämpöhäviöiden pienentäminen on tärkeää. Kiinalaisissa aurinkokasvihuoneissa läpinäkyvän pinnan päälle levitetään yöksi eristävä peite. Se voidaan tehdä käsin tai automaattisesti.

Lähde: Research Gate

Ilmanvaihto, varjostus ja kosteudenhallinta ovat edelleen tarpeen. Sopivissa oloissa suunnittelu voi vähentää fossiilista lämmitystä paljon tai poistaa sen tarpeen, mutta se ei takaa lämmittämätöntä tuotantoa kaikissa ilmastoissa. Laaja käyttö Kiinassa tukee vihannesten tarjontaa.

Lähde: Research Gate

Maaperän lämpöä hyödyntävät kasvihuoneet

Maaperän lämpötilat

Passiivinen suunnittelu voi vähentää polttoaineiden käyttöä. Erittäin kylmänä, pilvisenä tai lumisena talvena auringonenergia ei kuitenkaan välttämättä riitä. Tarvitaan lisälämpöä tai erilainen kasvivalikoima.

Maalämpöpumppuja käytetään jo rakennuksissa. Maahan asennetaan putkisto, jonka ympäristössä lämpötila vaihtelee vähemmän kuin ulkoilmassa. Sähköä käyttävä lämpöpumppu siirtää lämpöä lämmitystä tai jäähdytystä varten.

Lähde: energy.gov

Monilla alueilla maaperä on talvella ulkoilmaa lämpimämpää ja kesällä viileämpää. Se voi parantaa suorituskykyä ilmalämpöpumppuun verrattuna kovassa pakkasessa. Maan lämpötila ei kuitenkaan ole täysin vakio eikä kaikkialla plussan puolella: syvyys, paikka, vuodenaika ja maaperä vaikuttavat.

Yksinkertaisempi maa–ilma-lämmönvaihto

Joissakin pienissä, hyvin eristetyissä kasvihuoneissa matala tavoitelämpötila voidaan ylläpitää suoralla lämmönvaihdolla maaperän kanssa ilman lämpöpumppua. Tämä ei päde kaikkiin kasvihuoneisiin.

Kestäville kasveille voi riittää pakkasen välttäminen yöllä ja auringon tuoma lisälämpö päivällä. Tarvittava lämpötila ja valo riippuvat kasvista ja tuotantotavoitteesta.

Kasvihuoneen ilmaa kierrätetään puhaltimella maahan haudatuissa putkissa, joissa se vaihtaa lämpöä maaperän kanssa ja palaa takaisin. Maaperään voidaan myös varastoida auringon lämpöä. Tämä matala lämmönvaihto eroaa kuuman pohjaveden hyödyntämisestä ja syvästä geotermisestä energiasta.

Yksi kylmätalvisen alueen esimerkki on Nebraskassa tapahtuva sitrushedelmien, viikunoiden ja viinirypäleiden kasvatus. Tulos koskee tiettyä pientä ja eristettyä rakennetta, ei kaikkia kasvihuoneita.

Yksinkertaisuuden hyödyt

Tällainen järjestelmä voi kuluttaa verrattain vähän energiaa. Se ei ole täysin passiivinen, sillä puhallin tarvitsee sähköä. Säästö muihin lämmitystapoihin nähden riippuu ilmastosta, eristyksestä, koosta ja tavoitelämpötilasta.

Tekniikka voi olla suhteellisen yksinkertaista, mutta kaivutyö, kuivatus, putkivalinta ja suunnittelu vaativat asianmukaista toteutusta. Yhden henkilön työ ei aina riitä, eikä vuosikymmenten huoltovapautta voi olettaa.

Kesällä viileämpi maaperä voi ottaa lämpöä vastaan kasvihuoneilmasta. Jäähdytys voi tukea kasveja ja olojen mukaan vähentää veden tarvetta.

Muut geotermiset lämmönlähteet

Suora maa–ilma-lämmönvaihto voi pidentää kasvukautta. Korkeampaan lämpötilaan ja ympärivuotiseen tuotantoon voidaan tarvita lämpöpumppu tai tehokkaampi lämmönlähde.

Yksi vaihtoehto ovat kuumat lähteet tai lämpökaivot, joiden vesi on noin 60–150 °C eli 140–300 °F. Tällaisia resursseja ei ole kaikkialla. Vuoden 2019 maatalousneuvonnan julkaisu kuvasi kymmeniä Kalliovuorten ja länsirannikon osavaltioiden kasvihuoneita, joita lämmitettiin keskilämpöisellä geotermisellä energialla. Myös sopivilla Yhdysvaltojen, Japanin, Kanadan ja Chilen alueilla voidaan arvioida suoran geotermisen lämmityksen mahdollisuuksia.

Syvät geotermiset poraukset tarjoavat toisen vaihtoehdon, mutta kustannukset ja geologia ovat ratkaisevia. Esimerkiksi Eavor kehitti jo vuonna 2023 tekniikkaa sekä sähköntuotantoon että kaukolämpöön, ei pelkästään sähköön. Kasvihuonekäyttö riippuu lämmön saatavuudesta, etäisyydestä ja taloudellisesta kannattavuudesta.

Yhteenveto

Geoterminen kasvihuonelämmitys ei ole kokonaan uusi ajatus. Yksinkertainen maaperän lämmönvaihdin voidaan yhdistää passiiviseen aurinkokasvihuoneeseen; toiset järjestelmät käyttävät lämpöpumppuja tai kuumaa geotermistä vettä.

Nämä yhdistelmät voivat tukea paikallisempaa ja häiriönsietokykyisempää tuotantoa sekä vähentää fossiilisten polttoaineiden käyttöä. Ympäristöhyöty riippuu suunnittelusta ja energialähteestä.

Artikkelin alkuperäinen vuoden 2023 selvitys ei löytänyt pörssiyhtiötä, joka olisi erikoistunut yksinomaan näihin rakenteisiin; se ei osoita, ettei sellaista ollut lainkaan. Yksityisiä toimittajia on, eikä tekniikan suhteellinen yksinkertaisuus tarkoita immateriaalioikeuksien puuttumista: Ceres ilmoittaa patentoituja rakenteita ja tekniikoita.

Yksityisiä toimittajia ovat esimerkiksi:

• Ceres Greenhouse Solutions (suuren sadon kasvihuoneet).
• SunCatcher (passiivinen aurinkokasvihuone).
• Atmos Greenhouse Systems (maaperän lämpövarasto eli ”ilmastoakku”).

Polttoaineriippuvuuden vähentäminen voi parantaa häiriönsietokykyä, kuten Alankomaiden kasvihuonetuotannon vuoden 2022 energiakriisi osoitti. Alkuperäinen artikkeli kuvasi kasvihuonealaa noin 24 000 eekkeriksi eli 9 700 hehtaariksi. Vuoden 2022 raportissa mainittiin 106 petajoulen energiankulutus vuonna 2019 sekä historialliset osuudet Euroopan tuotannosta: 21 prosenttia paprikoista, 20 prosenttia kurkuista ja 17 prosenttia tomaateista. Luvut koskevat eri historiallisia ajankohtia eivätkä kuvaa nykyistä vuosikulutusta tai markkinaosuutta.

Vakioidut järjestelmät ja parempi suunnittelu voivat alentaa kustannuksia ja parantaa tehokkuutta ja luotettavuutta paikoissa, joissa olot sopivat niiden käyttöön.