農業

地熱と受動的温室 – 農業の炭素排出削減

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豊かさに伴う環境負荷

一年を通じて新鮮な農産物を買えることは、現代生活の便利さの一つです。屋外が雪や霜に覆われていても、店にはトマト、レタス、果物が並びます。本稿は2023年時点の視点から、温室の技術と事例を紹介します。

ただし、生産と輸送は多量の炭素排出につながる場合があります。輸入品は船や道路で運ばれ、一部の傷みやすい品目は航空輸送されます。大半が飛行機で届くという説明は正確ではありません。天然ガスやプロパンなどで暖房する温室で作られる農産物もあります。排出量は生産方法と輸送の両方によって変わります。

季節の食材や保存できる食品を多く使う方法もあります。寒冷地の過去の世代は冬にタマネギ、ジャガイモ、ニンジン、チーズ、漬物、塩漬けや燻製の肉などを利用していました。それでも多くの消費者は現在の豊富な品ぞろえを望んでいます。

温室の設計を改善し、太陽と地中の熱をうまく使えば、冬季の生産に必要な化石燃料を減らせます。

パッシブ温室

温室は太陽光を取り入れ、植物を風から守り、熱損失を抑えます。栽培期間を延ばし、生育に適した温度をつくることができます。米国、カナダ、欧州の寒い地域ではトマトやピーマンの栽培に有用ですが、あらゆる地域や季節で必須とは限りません。

太陽放射による温室の加熱 – 出典: Hydroponics simplified

パッシブ温室は、熱損失を減らし、熱をより効率的に利用することで、この基本的な考え方を発展させます。

蓄熱材と熱容量

一つの方法は熱慣性を高めることです。短時間の霜でもトマトのような弱い植物は被害を受けます。蓄熱材は熱を蓄え、日中の最高温度を抑えるとともに夜間の最低温度を引き上げ、変動を小さくします。

北半球では、北側の壁を透明材料ではなくレンガや石にする方法があります。昼に熱を吸収し、夜に放出して凍結リスクを減らします。向きは半球と緯度に合わせる必要があります。

こうした太陽熱温室は中国で広く使われ、学術研究の対象にもなっています。

中国のパッシブ太陽熱温室 — 出典: Research Gate

不透明な壁の外側にポリスチレンなどの断熱材を設けると、蓄えた熱が屋外へ逃げるのを抑えられます。

水を入れた容器も蓄熱材として使えます。植物の周囲の石や石・コンクリートの床も役立つ場合があります。効果は配置に左右され、占有する栽培スペースとの比較が必要です。

熱損失の削減

夜間の熱損失を抑えることも重要です。中国の太陽熱温室では、夜に透明な被覆面へ断熱カバーを広げます。手作業のほか、自動装置も使われます。

換気、遮光、湿度管理も重要です。条件が適切なら化石燃料暖房を大幅に減らしたり避けたりできますが、どの気候でも追加の熱なしに生産できるわけではありません。中国での普及は野菜供給に寄与しています。

地中熱を利用する温室

地下温度

パッシブ設計は燃料使用量を減らせます。しかし、非常に寒く、曇天や積雪が続く冬には太陽エネルギーが不足することがあります。その場合は追加の熱源や作物の変更が必要です。

地中熱源ヒートポンプはすでに建物で使われています。外気より温度変動が小さい地中に配管を埋設し、電力を使うポンプで熱を移動させて冷暖房を行います。

出典: energy.gov

多くの地域で地中は冬に外気より暖かく、夏には涼しくなります。厳寒時には空気熱源ヒートポンプより効率を高められる場合があります。ただし、地中温度は完全に一定でも、どこでも氷点以上でもありません。深さ、地域、季節、土壌条件が影響します。

簡易な地中・空気熱交換

目標温度が低い小型で十分に断熱された温室の一部では、ヒートポンプなしの直接熱交換が可能です。すべての温室に当てはまるわけではありません。

耐寒性のある作物では、夜間の凍結を防ぎ、昼に太陽から追加の熱を得るだけで足りる場合があります。必要な温度と光は作物と生産目標によって異なります。

ファンで温室の空気を埋設管に循環させ、土壌と熱交換してから室内へ戻します。地中に太陽熱を蓄えることもできます。この浅い地中熱交換は、熱水や深部地熱の利用とは異なります。

寒冷地の事例として、ネブラスカ州で柑橘類、イチジク、ブドウを栽培する温室があります。特定の小型断熱構造の成果であり、すべての温室で同じ結果を保証するものではありません。

シンプルさの利点

このような設備は比較的少ないエネルギーで動かせる場合があります。ファンには電力が必要なので完全な受動式ではありません。他の暖房に比べた省エネルギー効果は気候、断熱、規模、目標温度によって変わります。

技術は比較的単純でも、掘削、排水、配管選定、容量設計は適切に行う必要があります。一人で必ず施工できる、あるいは数十年間保守不要とは限りません。

夏には涼しい地中が温室内の空気から熱を吸収できます。冷却は植物に役立ち、条件によっては水の必要量を減らせる可能性もあります。

その他の地熱暖房源

地中と空気の直接熱交換は栽培期間を延ばせます。より高い温度や通年生産には、ヒートポンプや強力な熱源が必要になる場合があります。

一つの選択肢は約60～150°C、つまり140～300°Fの温泉や熱水井です。こうした資源はどこにでもあるわけではありません。2019年の農業普及資料は、ロッキー山脈と西海岸の州で中温の地熱によって暖房される数十か所の温室を紹介していました。米国、日本、カナダ、チリなどの適地でも直接地熱暖房を検討できます。

深部地熱の掘削も選択肢ですが、費用と地質条件が重要です。Eavorは2023年時点ですでに発電と地域暖房の双方に向けた技術を開発していました。温室への適用は熱の利用可能性、距離、経済性によって決まります。

結論

地熱を使う温室暖房は、まったく新しい考え方ではありません。簡易な地中熱交換器をパッシブ太陽熱温室と組み合わせたり、ヒートポンプや高温の地熱水を使ったりする方式があります。

これらの組み合わせは、より地域に根ざした強靱な生産を支え、化石燃料の使用を減らせます。環境上の利点は設計とエネルギー源に左右されます。

原稿作成時の2023年の調査では、こうした設計だけを専門とする上場企業は見つかりませんでした。企業が存在しなかったと証明するものではありません。民間の供給企業はあり、技術が単純でも知的財産がないとは限りません。Ceresは特許取得済みの設計や技術を説明しています。

民間の供給企業には次の例があります。

燃料への依存を減らすことは強靱性の向上につながり、2022年のオランダの温室生産におけるエネルギー危機がその必要性を示しました。原文は温室面積を約2万4,000エーカー、約9,700ヘクタールと紹介していました。2022年の報告は、2019年のエネルギー消費量106ペタジュールと、欧州生産に占める歴史的な比率としてピーマン21%、キュウリ20%、トマト17%を示しています。これらは異なる過去の時点の数値で、現在の年間統計ではありません。

標準化された設備と設計改善は、地域条件が適した場所で費用を抑え、効率と信頼性を高める可能性があります。

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ジョナサンは元生化学研究者で、遺伝子解析と臨床試験に従事していました。現在は株式アナリスト兼ファイナンスライターとして、イノベーション、市場サイクル、地政学に焦点を当て、彼の出版物『The Eurasian Century』で執筆しています。