지열 및 수동 온실 – 농업 탄소 배출 감소

지속 불가능한 풍요

One great comfort of modern life is the possibility of getting fresh produce directly from the supermarket anytime. Fresh produce is directly waiting for us at the supermarket. Outside, it might be freezing and covered in snow, but we will still find an abundance of tomatoes, lettuce, and fresh fruits.

하지만 이는 대규모 탄소 배출이라는 비용을 수반한다. 이러한 제품들은 대부분 비행기로 세계 반대편에서 운송되거나, 천연 가스나 프로판으로 가열된 온실에서 생산된다.

한 가지 방법은 이러한 사치를 포기하는 것이다. 이는 특히 추운 기후에서 우리 조상들이 겨울 동안 양파, 감자, 당근, 치즈, 피클, 소금에 절이거나 훈제한 고기 식단에 의존하던 방식이다. 그러나 현실적으로 평균 소비자가 이를 실천하기는 어렵다.

다행히도, 지구와 태양의 에너지를 보다 스마트하게 활용하는 새로운 온실 설계는 겨울 식량을 재배하는 데 필요한 화석 연료 사용을 줄이는 데 도움이 된다.

수동 온실

온실 설계의 핵심은 태양의 열 에너지를 포획하고 저장하는 것이다. 햇빛을 들여보내고, 식물을 바람으로부터 보호하며, 열을 유지함으로써 성장 기간을 연장하고 온도를 높여 식물 생산성을 높인다. 이는 미국, 캐나다, 유럽의 많은 지역에서 토마토나 파프리카와 같은 기본 식품을 생산하는 데 필수적이다.

태양 복사에 의한 온실 난방 – 출처: Hydroponics simplified

수동 온실은 가능한 모든 구성 요소의 효율성을 높여 이 기본 개념을 더욱 확장한다.

열 질량

첫 번째 아이디어는 시스템의 관성을 증가시키는 것이다. 온실 재배에서 가장 큰 위험은 토마토와 같은 연약한 식물을 죽일 수 있는 단기간 서리이다. 온실의 열 관성을 높이면 최고·최저 온도 변동을 줄일 수 있다.

이를 위한 한 방법은 온실의 북쪽 면을 플라스틱이나 유리 대신 벽돌이나 돌로 만드는 것이다. 견고한 벽은 더 많은 열을 저장하고 낮 동안 태양열을 직접 흡수한다. 밤에는 그 열을 온실 내부로 다시 방출하여 서리 위험을 줄인다.

이 설계는 중국에서 대규모로 적용되었으며 현재 과학 문헌에서 연구되고 있다.

중국 수동 온실 – 출처: Research Gate

벽의 효과를 더욱 강화하기 위해, 일반적으로 폴리스티렌인 단열재 층을 벽 외부에 부착하여 재방출된 열이 온실 내부에 머물도록 한다.

다른 설계에서는 물통을 추가하고 매우 강력한 히트싱크를 북쪽 벽에 접촉시켜 열 관성을 더욱 높일 수 있다. 식물 주변에 돌을 배치하고 온실 중앙에 콘크리트·돌 바닥을 깔아도 도움이 된다.

손실 감소

밤에 온실을 더 따뜻하게 유지하는 또 다른 방법은 열 손실을 줄이는 것이다. 이를 위해 중국 수동 온실은 매일 밤 온실 위에 담요를 펼친다. 처음에는 수작업으로 진행했지만 현재는 자동 시스템으로 더 일반화되었다.

출처: Research Gate

특히 환기 분야에서 추가적인 개선이 가능하지만, 어쨌든 이 설계는 이미 화석 연료 없이 운영될 수 있으며, 중국이 14억 인구를 먹여 살리는 데 큰 역할을 한다.

출처: Research Gate

지열 온실

지표면 온도

수동 온실은 특히 미국이나 네덜란드와 같은 서구에서 흔히 사용되는 화석 연료 난방 설계에 비해 급진적인 개선을 제공한다. 그러나 가장 혹독한 기후에서는 충분하지 않을 수 있다, 특히 매우 흐리고 눈이 많이 내리는 겨울에는 온실이 직접적인 햇빛을 전혀 받지 못하는 주가 있을 수 있다.

지열 에너지는 이미 지중 열펌프를 통해 주택을 난방하는 데 사용되고 있다. 아이디어는 연중 일정한 온도를 유지하는 깊은 지하에 파이프 네트워크를 설치하고, 열펌프를 이용해 그 열을 추출해 집을 따뜻하게 유지하는 것이다.

출처: energy.gov

지중 열펌프가 특히 추운 기후에서 공기 열펌프보다 우수한 이유는 지하 온도가 연중 영하가 아닌 일정하게 유지되기 때문이다. 정확한 온도는 지역 및 지열 활동 가능성에 따라 달라진다.

단순화된 지열 설계

온실의 경우 인간이 편안하게 느낄 정도로 지열을 농축하기 위한 열펌프가 필요하지 않다.

밤에 영하보다 몇 도 정도 높은 온도를 유지하면 충분하며, 햇빛이 비출 때 추가 온도가 상승해 식물 성장을 재개한다. 이러한 간단한 사실에서 지열 온실 개념이 탄생했다.

아이디어는 주변 토양이 연중 따뜻하게 유지될 정도로 파이프를 깊이 매설하는 것이다. 온실 내부 공기를 파이프 안으로 순환시켜 가열한 뒤 다시 온실에 주입해 내부 공기를 영하 이상으로 유지한다.

This strategy has been deployed in US states with cold winters, like 네브라스카, 현지에서 감귤, 무화과 또는 포도를 재배하기 위해s.

단순함이 아름답다

이 설계의 장점은 에너지 효율성이 매우 높다는 것이다. 공기 순환이 필요하기 때문에 완전한 수동은 아니며, 환기 시스템에 약간의 전력이 필요한다. 그러나 다른 어떤 온실 난방 방식에 비해 에너지 소비가 매우 낮다.

또한 비교적 저기술 솔루션으로, 굴착 작업은 백호 또는 굴착기 한 대로 한 사람이 수행할 수 있으며 수십 년 동안 한 번만 필요하다.

마지막으로, 지하의 안정적인 평균 온도 덕분에 같은 시스템을 여름에 온실을 냉각하는 데에도 사용할 수 있어 여름철 식물 생산성을 높이고 물 소비를 줄일 수도 있다.

기타 지열 난방

기본적인 지열 온실은 성장 시즌을 연장하거나 북유럽 지역에서 서리에 민감한 작물과 나무를 재배 가능하게 하는 좋은 해결책이다. 연중 최적 생산성을 달성하려면 더 강력한 지열 열원이 필요할 수 있다.

한 가지 옵션은 온천 및 기타 지역 지열원(60-150°C / 140-300°F)이다. 모든 지역에 규모를 확대하기는 어렵지만, 록키산맥 및 서해안 주에서 중온 지열 에너지로 난방되는 수십 개의 온실 운영이 있다. 미국은 물론 일본, 캐나다, 칠레 및 온천·화산 활동이 있는 다른 지역도 이 유형의 온실을 확대하기에 좋은 후보가 될 수 있다.

또 다른 옵션은 깊은 지열 시추로, 지구의 지열 활동으로 영구히 따뜻해진 암석에 도달할 정도로 깊이 파는 것이다. 안타깝게도 이러한 깊은 시추는 현재 매우 비용이 많이 든다. Eavor와 같은 일부 기업이 전력 생산을 위해 이 문제를 해결하려고 노력하고 있지만, 식품 생산에 적용될 가능성은 아직 낮다.

결론

지열 온실은 아직 매우 새로운 개념이며 수동 온실 개념과 결합될 때 가장 효과적이다. 수동 온실은 중국에서 대규모 채택된 이후 전 세계적으로 점점 주류가 되고 있다.

따라서 지열 온실은 식품 공급망을 보다 지역화하고 회복력 있게 만들며 화석 연료 의존도를 줄이는 다음 단계가 될 가능성이 높다.

이 글을 작성하는 시점에 우리는 수동 또는 지열 온실 건설을 전문으로 하는 상장 회사를 찾지 못했다. 이 기술의 ‘저기술’ 특성 때문에 매우 적은 독점 지식재산이 개발될 수 있어 ‘스타트업 친화적’이지 않을 수도 있다.

그럼에도 불구하고, 다음과 같은 사설 기업에서 몇몇 키트를 구입할 수 있다:

• Ceres Greenhouse Solutions (고수확 온실).
• SunCatcher (태양 수동 온실).
• Atmos Greenhouse Systems(지열 “기후 배터리”).

그럼에도 불구하고 이는 화석 연료 소비를 줄이고 보다 회복력 있는 경제를 구축하는 핵심이다, 2022년 네덜란드 온실 생산에 타격을 준 위기가 보여주듯.

그 나라는 24,000 에이커의 온실을 보유하고 있으며, 연간 106 페타줄을 소비하고 유럽에서 재배된 토마토의 17%, 고추의 21%, 오이의 20%를 공급한다.

따라서 이는 아직 대규모로 개발되지 않은 새로운 녹색 부문이 될 수 있으며, 비용을 절감하고 효율성과 신뢰성을 높이는 표준화된 시스템이 필요하다.