Geothermische en Passieve Kassen – Het Verminderen van Koolstofemissies in de Landbouw

Onhoudbare Overvloed

Een groot comfort van het moderne leven is de mogelijkheid om op elk moment verse producten rechtstreeks uit de supermarkt te halen. Verse producten staan direct voor ons klaar in de supermarkt. Buiten kan het vriezen en onder sneeuw liggen, maar we vinden nog steeds een overvloed aan tomaten, sla en vers fruit.

Dit gaat echter gepaard met enorme koolstofemissies. Of deze producten worden verscheept, meestal per vliegtuig, van de andere kant van de wereld. Of ze worden geproduceerd in verwarmde kassen, die meestal worden verwarmd met aardgas of propaan.

Een optie zou zijn om zo’n luxe te laten varen. Dit is wat onze voorouders deden, vooral in koude klimaten, waarbij ze vertrouwden op een dieet van uien, aardappelen, wortelen, kaas, augurken en gezouten of gerookt vlees tijdens de winter. Maar realistisch gezien is dit niets wat de gemiddelde consument bereid is te doen.

Gelukkig kunnen nieuwe ontwerpen van kassen die slimmer gebruikmaken van energie van zowel de aarde als de zon, de behoefte aan fossiele brandstoffen verminderen om onze wintervoedselvoorziening te verbouwen.

Passieve Kassen

Het essentiële ontwerp van een kas is het opvangen en opslaan van de thermische energie van de zon. Door zonnestralen binnen te laten, planten te beschermen tegen de wind en de warmte binnen te houden. Dit verhoogt de productiviteit van planten door het groeiseizoen te verlengen en warmere temperaturen te bieden, waardoor de plantengroei wordt gestimuleerd. Dit is noodzakelijk om zelfs ‘basis’ voedsel zoals tomaten of paprika te produceren in veel delen van de VS, Canada en Europa.

Verwarming van kas door zonne‑straling – Bron: Hydroponics simplified

Passieve kassen duwen dit basisconcept verder door de efficiëntie van elk mogelijk onderdeel te verhogen.

Thermische Massa

Het eerste idee is om de traagheid van het systeem te vergroten. Het grootste risico voor kascultuur zijn kortstondige vorst die kwetsbare planten zoals tomaten zouden doden. Het verhogen van de thermische traagheid van de kas vermindert de maximale en minimale temperatuurpieken.

Een manier om dit te doen is om de noordzijde van de kas niet van plastic of glas, maar van baksteen of steen te maken. De massieve muur zal meer warmte vasthouden en gedurende de dag direct de zonnewarmte absorberen. ‘s Nachts zal ze die warmte weer uitstralen naar het interieur van de kas, waardoor de kans groter wordt dat de kas vorstvrij blijft.

Dit ontwerp is op enorme schaal toegepast in China en wordt nu bestudeerd in wetenschappelijke literatuur.

Chinese Passieve Kassen – Bron: Research Gate

Om het effect van de muur verder te versterken, wordt aan de buitenkant van de muur een isolatielaag, vaak polystyreen, aangebracht zodat de opnieuw uitgezonden warmte binnen de kas blijft.

Andere ontwerpen kunnen ook vaten met water en een zeer krachtige warmtewisselaar toevoegen, die de noordmuur raakt voor nog grotere thermische traagheid. Stenen rond de planten en een betonnen/stenen vloer in het midden van de kas kunnen ook helpen.

Verliezen Verminderen

Een andere optie om de kassen ‘s nachts warmer te houden is het verminderen van thermisch verlies. Hiervoor rollen de Chinese passieve kassen elke nacht een deken over de kas uit. Aanvankelijk met de hand gedaan, gebeurt dit nu vaker met automatische systemen.

Bron: Research Gate

Er kan nog meer vooruitgang worden geboekt, met name op het gebied van ventilatie, maar in elk geval kan dit ontwerp al functioneren zonder fossiele brandstoffen en vormt het een belangrijk onderdeel van hoe China zijn bevolking van 1,4 miljard mensen kan voeden.

Bron: Research Gate

Geothermische Kassen

Bodemtemperaturen

Passieve kassen zijn een radicale verbetering ten opzichte van de met fossiele brandstoffen verwarmde ontwerpen die gebruikelijk zijn in het Westen, vooral in de VS of Nederland.  Maar in het strengste klimaat is het misschien niet voldoende, vooral bij zeer bewolkte en sneeuwrijke winters, waarbij het hele weken kan duren dat een kas geen direct zonlicht ontvangt.

Geothermische energie wordt al gebruikt om huizen te verwarmen via bodemwarmtepompen. Het idee is om een netwerk van buizen diep in de grond te plaatsen, op een niveau waar de temperatuur het hele jaar constant is. Vervolgens wordt een warmtepomp gebruikt om die warmte te onttrekken en het huis warm te houden.

Bron: energy.gov

Wat een bodemwarmtepomp superieur maakt ten opzichte van een luchtwarmtepomp, althans in koude klimaten, is dat de grond een constant boven het vriespunt liggende temperatuur heeft. De exacte temperatuur varieert per regio, evenals de potentiële geothermische activiteit.

Een Vereenvoudigd Geothermisch Ontwerp

Voor kassen is er geen warmtepomp nodig om de grondenergie te “concentreren” tot een temperatuur die comfortabel is voor mensen.

Enkele graden boven het vriespunt blijven gedurende de nacht is voldoende, met de momenten waarop de zon schijnt die extra graden levert die nodig zijn om de plantengroei te hervatten. Uit deze eenvoudige feiten is het concept van een geothermische kas ontstaan.

Het idee is om een buis diep genoeg te begraven zodat de omringende grond het hele jaar door warm blijft. Lucht uit de kas wordt vervolgens door de buis gecirculeerd, waardoor deze opwarmt, en daarna teruggevoerd naar de kas om de lucht binnen boven het vriespunt te houden.

Dit strategie is toegepast in Amerikaanse staten met koude winters, zoals Nebraska, om lokaal citrus, vijgen of druiven te verbouwens.

Eenvoud Is Mooi

Het voordeel van dit ontwerp is dat het zeer energie‑efficiënt is. De noodzaak voor luchtcirculatie maakt het niet volledig passief, aangezien het ventilatiesysteem enige elektrische energie vereist. Maar het verbruikt veel minder energie dan elke andere vorm van verwarming voor kassen.

Het is ook een relatief low‑tech oplossing, waarbij het graafwerk door één persoon met een graafmachine of excavator kan worden uitgevoerd en slechts één keer nodig is voor meerdere decennia.

Ten slotte betekent de stabiele gemiddelde temperatuur onder de grond dat hetzelfde systeem kan worden gebruikt om de kassen in de zomer te koelen, wat mogelijk de plantproductiviteit in de zomermaanden verhoogt en/of het waterverbruik vermindert.

Andere Geothermische Verwarming

De basis‑geothermische kas is een goede oplossing om het groeiseizoen te verlengen of vorstgevoelige gewassen en bomen levensvatbaar te maken in Noordse regio’s. Mogelijk zijn krachtigere geothermische warmtebronnen nodig om het hele jaar door optimale productiviteit te bereiken.

Een optie zijn warmwaterbronnen en andere gelokaliseerde grondwarmtebronnen (60-150°C / 140-300°F). Hoewel moeilijk op grote schaal toepasbaar, zijn er “tientallen kasoperaties in de Rocky Mountain- en Westkuststaten die worden verwarmd met geothermische energie van gemiddelde temperatuur.” De VS, maar ook Japan, Canada, Chili en andere regio’s met warmwaterbronnen en vulkanische activiteit zouden goede kandidaten kunnen zijn om dit type kas uit te breiden.

Een andere optie kan diepe geothermische boring zijn, waarbij men diep genoeg graaft om gesteente te bereiken dat permanent is opgewarmd door de geothermische activiteit van de aarde. Helaas zijn dergelijke diepe putten momenteel zeer duur. Terwijl sommige bedrijven, zoals Eavor, proberen dit probleem op te lossen voor energieopwekking, is het onwaarschijnlijk dat het op korte termijn voor voedselproductie wordt ingezet.

Conclusie

Geothermische kassen zijn nog steeds een zeer nieuw concept en werken het beste in combinatie met het concept van passieve kassen. Passieve kassen worden nu wereldwijd steeds meer mainstream, na hun massale adoptie in China.

Dus is het waarschijnlijk dat geothermische kassen de volgende stap zullen zijn om de voedselketen meer lokaal en veerkrachtig te maken, terwijl de afhankelijkheid van fossiele brandstoffen wordt verminderd.

Op het moment dat dit artikel werd geschreven, konden we geen beursgenoteerd bedrijf vinden dat zich specialiseert in het bouwen van passieve of geothermische kassen. Het “low‑tech” aspect van deze technologie kan het minder “startup‑vriendelijk” hebben gemaakt, aangezien er weinig eigen intellectueel eigendom kan worden ontwikkeld.

Desondanks zijn er enkele kits beschikbaar van particuliere bedrijven zoals:

• Ceres Greenhouse Solutions (hoogrenderende kassen).
• SunCatcher (Zonne‑passieve kas).
• Atmos Greenhouse Systems(Geothermische “klimaatbatterij”).

Het is desalniettemin een sleutel tot het verminderen van het fossiele brandstofverbruik, evenals het bouwen van een veerkrachtigere economie, zoals de crisis die de Nederlandse kasproductie in 2022 trof, illustreerde. Het land heeft 24.000 hectare kassen die  106 petajoule per jaar verbruiken, wat 21% van de paprika’s, 20% van de komkommers en 17% van de tomaten die in Europa worden geteeld, levert.

Dus zou dit een nieuwe groene sector kunnen worden die nog op schaal moet worden ontwikkeld, met gestandaardiseerde systemen om kosten te verlagen en efficiëntie en betrouwbaarheid te verhogen.