Geotermiske og passive drivhus – Redusere karbonutslipp i landbruket

Uholdbar overflod

En stor komfort i det moderne livet er muligheten til å få ferske produkter direkte fra supermarkedet når som helst. Ferske produkter venter rett på supermarkedet. Utenfor kan det være iskaldt og dekket av snø, men vi finner fortsatt en overflod av tomater, salat og fersk frukt.

Dette kommer imidlertid med en kostnad av massive karbonutslipp. Enten blir disse produktene fraktet, for det meste med fly, fra den andre siden av verden. Eller de produseres i oppvarmede drivhus, som hovedsakelig holdes varme med naturgass eller propan.

Et alternativ ville være å gi avkall på slik luksus. Dette er hva våre forfedre pleide å gjøre, spesielt i kalde klima, ved å stole på et kosthold av løk, poteter, gulrøtter, ost, sylteagurk og saltet eller røkt kjøtt i vinterhalvåret. Men realistisk sett er dette ikke noe den gjennomsnittlige forbrukeren er villig til å gjøre.

Heldigvis kan nye drivhusdesign som utnytter energi smartere fra både jord og sol bidra til å redusere behovet for fossilt brensel for å dyrke vår vintermatforsyning.

Passive drivhus

Den essensielle designen for et drivhus er å fange og lagre solens termiske energi. Ved å la solstråler komme inn, beskytte plantene mot vind, og holde varmen inne. Dette øker plantenes produktivitet ved å forlenge vekstsesongen og gi varmere temperaturer, noe som fremmer plantevekst. Dette er et must for å produsere selv «grunnleggende» mat som tomater eller paprika i mange deler av USA, Canada og Europa.

Oppvarming av drivhus ved solstråling – Kilde: Hydroponics simplified

Passive drivhus tar dette grunnleggende konseptet videre ved å øke effektiviteten til hver mulig komponent.

Termisk masse

Den første idéen er å øke systemets treghet. Den største risikoen for drivhusdyrking er kortvarige froster som kan drepe skjøre planter som tomater. Økt termisk treghet i drivhuset reduserer maksimums‑ og minimumstemperatursvingningene.

En måte å gjøre dette på er å ha nordsiden av drivhuset laget av murstein eller stein i stedet for plast eller glass. Den solide veggen vil beholde mer varme og direkte absorbere solens varme i løpet av dagen. Den vil deretter re‑emitere den mot drivhusets indre om natten, noe som gjør det mer sannsynlig at det forblir frostfritt.

Denne designen er blitt implementert i massiv skala i Kina og studeres nå i vitenskapelig litteratur.

Kinesiske passive drivhus – Kilde: Research Gate

For å forsterke veggens effekt ytterligere, påføres et lag isolasjon, ofte polystyren, på utsiden av veggen slik at den re‑emitterte varmen holder seg på innsiden av drivhuset.

Andre design kan også legge til vannfat og en svært kraftig varmesenke som berører nordveggen for enda større termisk treghet. Stein rundt plantene og et betong/stein‑gulv i drivhusets sentrum kan også hjelpe.

Redusere tap

Et annet alternativ for å holde drivhusene varmere om natten er å redusere termiske tap. For dette ruller de kinesiske passive drivhusene ut et teppe på toppen av drivhuset hver natt. Opprinnelig gjort for hånd, gjøres dette nå oftere med automatiske systemer.

Kilde: Research Gate

Noe mer fremgang kan oppnås, særlig innen ventilasjon, men uansett kan dette designet allerede operere uten noe fossilt brensel og representerer en stor komponent i hvordan Kina kan mette sin befolkning på 1,4 milliarder mennesker.

Kilde: Research Gate

Geotermiske drivhus

Jordtemperaturer

Passive drivhus er en radikal forbedring i forhold til de fossile‑brensel‑oppvarmede designene som er vanlige i vestlige land, spesielt i USA eller Nederland. Men i de tøffeste klimaene kan det være utilstrekkelig, særlig i svært skyete og snørike vintre, hvor det kan gå uker uten direkte sollys i drivhuset.

Geotermisk energi brukes allerede til å varme opp hus gjennom jordvarmepumper. Ideen er å legge et nettverk av rør dypt i bakken, på et nivå hvor temperaturen er konstant gjennom året. Deretter brukes en varmepumpe til å hente ut varmen og holde huset varmt.

Kilde: energy.gov

Det som gjør en jordvarmepumpe overlegen en luft‑varmepumpe, i det minste i kalde klima, er at den har en konstant over frysepunktet temperatur. Den eksakte temperaturen varierer avhengig av regionen, samt den potensielle geotermiske aktiviteten.

En forenklet geotermisk design

For drivhus er det ikke nødvendig med en varmepumpe for å «konsentrere» jordens energi opp til en temperatur som er behagelig for mennesker.

Det er tilstrekkelig å holde noen grader over frost om natten, mens solskinnet gir de ekstra gradene som trengs for å gjenoppta planteveksten. Fra disse enkle fakta oppstod konseptet med et geotermisk drivhus.

Ideen er å begrave et rør dypt nok til at den omkringliggende jorden holder seg varm året rundt. Luft fra drivhuset sirkuleres så gjennom røret, varmes opp, og blir deretter injisert tilbake i drivhuset for å holde luften inne over frysepunktet.

Denne strategien har blitt brukt i amerikanske delstater med kalde vintre, som Nebraska, for å dyrke lokalt sitrus, fiken eller druer.

Enkel er vakker

Fordelen med dette designet er at det er svært energieffektivt. Behovet for luftsirkulasjon gjør at det ikke er helt passivt, siden ventilasjonssystemet krever noe elektrisk kraft. Men det er et svært lavt energiforbruk sammenlignet med andre oppvarmingsformer for drivhus.

Det er også en relativt lav‑teknologisk løsning, hvor gravingen kan utføres av én person med en gravemaskin eller ekskavator og kun trengs én gang for flere tiår.

Til slutt betyr den stabile gjennomsnittstemperaturen under bakken at det samme systemet kan brukes til å kjøle ned drivhusene om sommeren, potensielt øke planteproduktiviteten i sommermånedene, og/eller redusere vannforbruket.

Annen geotermisk oppvarming

Det grunnleggende geotermiske drivhuset er en god løsning for å forlenge vekstsesongen eller gjøre frost‑følsomme avlinger og trær levedyktige i nordlige regioner. Mer kraftige geotermiske varmekilder kan være nødvendig for å oppnå optimal produktivitet året rundt.

Et alternativ er varme kilder og andre lokaliserte jordvarmekilder (60‑150 °C / 140‑300 °F). Selv om det er vanskelig å skalere overalt, finnes det “dusiner av drivhusdrift i Rocky Mountain‑ og vestkyststatene som varmes av geotermisk energi med middels temperatur.” USA, men også Japan, Canada, Chile og andre regioner med varme kilder og vulkansk aktivitet kan være gode kandidater for å utvide denne typen drivhus.

Et annet alternativ kan være dyp geotermisk boring, der man graver dypt nok til å nå stein som er permanent oppvarmet av jordens geotermiske aktivitet. Dessverre er slike dype brønner for tiden svært kostbare. Selv om noen selskaper, som Eavor, prøver å løse dette problemet for kraftproduksjon, er det lite sannsynlig at de blir tatt i bruk for matproduksjon i nær fremtid.

Konklusjon

Geotermiske drivhus er fortsatt et svært nytt konsept og fungerer best i kombinasjon med passive drivhus. Passive drivhus blir nå mer mainstream globalt, etter deres massive adopsjon i Kina.

Derfor er det sannsynlig at geotermiske drivhus blir neste steg i å gjøre matkjeden mer lokalisert og robust, samtidig som avhengigheten av fossilt brensel reduseres.

På tidspunktet for skriving av denne artikkelen kunne vi ikke finne et offentlig notert selskap som spesialiserer seg på å bygge passive eller geotermiske drivhus. Teknologiens «lav‑teknologi»‑aspekt kan ha gjort den mindre «startup‑vennlig», ettersom svært lite proprietært immateriell rett kan utvikles.

Likevel er noen sett tilgjengelige fra private selskaper som:

• Ceres Greenhouse Solutions (høyt avkastende drivhus).
• SunCatcher (solpassivt drivhus).
• Atmos Greenhouse Systems(geotermisk “klimabatteri”).

Det er likevel en nøkkel til å redusere forbruket av fossilt brensel, samt å bygge en mer robust økonomi, som krisen som rammet nederlandsk drivhusproduksjon i 2022 illustrerte. Landet har 24 000 mål med drivhus som forbruker 106 petajoule per år, og leverer 21 % av paprikaene, 20 % av agurkene og 17 % av tomatene som dyrkes i Europa.

Dermed kan dette bli en ny grønn sektor som ennå ikke er utviklet i stor skala, med standardiserte systemer for å redusere kostnader og øke effektivitet og pålitelighet.