Геотермальные и пассивные теплицы – сокращение выбросов углерода в сельском хозяйстве

Неустойчивое изобилие

Одним из величайших удобств современной жизни является возможность в любое время получать свежие продукты прямо из супермаркета. Свежие продукты ждут нас прямо в супермаркете. На улице может быть морозно и покрыто снегом, но мы все равно найдем изобилие помидоров, салата и свежих фруктов.

Однако это достигается за счет огромные выбросы углерода. Либо эти продукты доставляются, чаще всего самолетом, с другого конца света. Или их производят в отапливаемых теплицах, в основном обогреваемых природным газом или пропаном.

Одним из вариантов было бы отказаться от такой роскоши. Именно так поступали наши предки, особенно в холодном климате, питаясь зимой луком, картофелем, морковью, сыром, солеными огурцами, а также соленым или копченым мясом. Но на самом деле это не то, на что готов пойти средний потребитель.

К счастью, новые конструкции теплиц, основанные на более разумном использовании энергии Земли и Солнца, могут помочь снизить потребность в ископаемом топливе для увеличения запасов продовольствия на зиму.

Пассивные теплицы

Основная задача теплицы — улавливать и хранить солнечную тепловую энергию. Пропуская солнечные лучи, защищая растения от ветра и сохраняя тепло. Это повышает продуктивность растений за счет удлинения вегетационного периода и обеспечения более высоких температур, ускоряя рост растений. Это необходимо для производства даже «основных» продуктов питания, таких как помидоры или перец, во многих частях США, Канады и Европы.

Обогрев теплицы солнечной радиацией – Источник: Гидропоника упрощена

Пассивные теплицы развивают эту базовую концепцию, повышая эффективность всех возможных компонентов.

Термическая масса

Первая идея – повысить инерционность системы. Самый большой риск для тепличных культур – это кратковременные заморозки, которые могут привести к гибели хрупких растений, таких как томаты. Увеличение тепловой инерции теплицы снижает максимальные и минимальные температурные пики.

Один из способов сделать это — сделать северную сторону теплицы не из пластика или стекла, а из кирпича или камня. Твердая стена будет сохранять больше тепла и напрямую поглощать солнечное тепло в течение дня. Затем он будет повторно излучать его в сторону теплицы внутри ночью, что увеличит вероятность того, что она останется без заморозков.

Эта конструкция была широко применена в Китае и сейчас изучается в научной литературе.

Китайские пассивные теплицы – Источник: Исследования Gate

Чтобы еще больше усилить эффект стены, на внешнюю часть стены наносится слой изоляции, часто полистирола, поэтому повторно излучаемое тепло остается внутри теплицы.

Другие конструкции также могут добавлять бочки с водой и очень мощный радиатор, касающийся северной стены для еще большей тепловой инерции. Камни вокруг растений и бетонный/каменный пол в центре теплицы также могут помочь.

Снижение потерь

Еще один вариант поддержания теплицы в ночное время – снижение тепловых потерь. Для этого китайские пассивные теплицы каждую ночь расстилают сверху теплицы одеяло. Первоначально это делалось вручную, теперь это чаще делается с помощью автоматических систем.

Источник: Исследования Gate

Можно было бы добиться еще некоторого прогресса, особенно в области вентиляции, но в любом случае эта конструкция уже может работать без какого-либо ископаемого топлива и представляет собой важный компонент того, как Китай может прокормить свое население в 1.4 миллиарда человек.

Источник: Исследования Gate

Геотермальные теплицы

Температура грунта

Пассивные теплицы представляют собой радикальное улучшение по сравнению с конструкциями с подогревом, работающими на ископаемом топливе, распространенными на Западе, особенно в США или Нидерландах. Но в самом суровом климате этого может быть недостаточно, особенно в случае очень пасмурной и снежной зимы, когда теплица может не получать прямых солнечных лучей целыми неделями.

Геотермальная энергия уже используется для обогрева домов с помощью грунтовых тепловых насосов. Идея состоит в том, чтобы купить сеть труб глубоко в земле, на уровне, где температура постоянна в течение всего года. Затем используйте тепловой насос, чтобы отобрать это тепло и сохранить тепло в доме.

Источник: Energy.gov

Что делает наземный тепловой насос превосходящим воздушный тепловой насос, по крайней мере, в холодном климате, так это то, что в группе будет постоянно поддерживаться температура выше нуля. Точная температура варьируется в зависимости от региона, а также от потенциальной геотермальной активности.

Упрощенный геотермальный проект

Для теплиц нет необходимости в тепловом насосе, который «концентрирует» энергию грунта до комфортной для человека температуры.

Ночью достаточно поддерживать температуру на несколько градусов выше мороза, а моменты, когда светит солнце, приносят дополнительные градусы, необходимые для возобновления роста растений. Из этих простых фактов возникла концепция геотермальной теплицы.

Идея состоит в том, чтобы закопать трубу достаточно глубоко, чтобы окружающая почва оставалась теплой круглый год. Затем воздух из теплицы циркулирует в трубе, нагревая ее, а затем снова нагнетается в теплицу, чтобы поддерживать температуру воздуха внутри выше нуля.

Эта стратегия была применена в штатах США с холодными зимами, таких как Небраска, чтобы выращивать на месте цитрусовые, инжир или виноград.s.

Просто красиво

Преимущество этой конструкции в том, что она очень энергоэффективна. Необходимость циркуляции воздуха делает ее не совсем пассивной, поскольку система вентиляции требует некоторой электроэнергии. Но это очень низкое энергопотребление по сравнению с любым другим видом отопления теплиц.

Это также относительно низкотехнологичное решение: необходимые раскопки может выполнить один человек с помощью экскаватора или экскаватора и требуется только один раз в течение нескольких десятилетий.

Наконец, стабильная средняя температура под землей означает, что ту же систему можно использовать для охлаждения теплиц летом, что потенциально поможет повысить продуктивность растений и в летние месяцы и/или сократить потребление воды.

Другое геотермальное отопление

Базовая геотермальная теплица является хорошим решением для продления вегетационного периода или обеспечения жизнеспособности чувствительных к морозам культур и деревьев в регионах Северной Европы. Для достижения оптимальной производительности круглый год может потребоваться больше мощных геотермальных источников тепла.

Один из вариантов — горячие источники и другие локализованные наземные источники тепла (60–150°C/140–300°F). Хотя масштабировать везде сложно, существуютдесятки тепличных предприятий в штатах Скалистых гор и Западного побережья, которые обогреваются геотермальной энергией средней температуры.». США, а также Япония, Канада, Чили и другие регионы с горячими источниками и вулканической активностью могут стать хорошими кандидатами для расширения теплиц этого типа.

Другим вариантом может быть глубокое геотермальное бурение, то есть копание достаточно глубокое, чтобы получить доступ к породам, постоянно нагреваемым геотермальной активностью Земли. К сожалению, такие глубокие скважины пока очень дороги. Хотя некоторые компании, такие как Eavor, стремятся решить эту проблему для производства электроэнергии, маловероятно, что в ближайшее время она будет использована для производства продуктов питания.

Заключение

Геотермальные теплицы по-прежнему являются новой концепцией и лучше всего работают в сочетании с концепцией пассивной теплицы. Пассивные теплицы в настоящее время становятся все более распространенными во всем мире после их массового внедрения в Китае.

Таким образом, вполне вероятно, что геотермальные теплицы станут следующим шагом на пути к тому, чтобы сделать пищевую цепочку более локализованной и устойчивой, одновременно снижая зависимость от ископаемого топлива.

На момент написания этой статьи мы не смогли найти публично зарегистрированную компанию, специализирующуюся на строительстве пассивных или геотермальных теплиц. «Низкотехнологичный» аспект этой технологии, возможно, сделал ее «непригодной для стартапов», поскольку можно было разработать очень мало патентованной интеллектуальной собственности.

Тем не менее, некоторые комплекты доступны у частных компаний, например:

• Решения Ceres для теплиц (высокоурожайные теплицы).
• Ловец Солнца (Солнечная пассивная теплица).
• Тепличные системы Атмос(Геотермальная «климатическая батарея»).

Тем не менее, это ключ к сокращению потребления ископаемого топлива, а также к построению более устойчивой экономики, поскольку кризис, поразивший голландское тепличное производство в 2022 году, проиллюстрирован. В стране имеется 24,000 XNUMX акров теплиц, потребляющих  106 петаджоулей в год, что обеспечивает 21% перца, 20% огурцов и 17% помидоров, выращиваемых в Европе..

Таким образом, это может стать новым зеленым сектором, который еще предстоит развивать в масштабах, со стандартизированными системами для снижения затрат и повышения эффективности и надежности.