Geotermiska och passiva växthus – Minska jordbrukets koldioxidutsläpp

Överflöd med miljökostnader

Tillgången till färska livsmedel året runt är en av det moderna livets bekvämligheter. Även när det är frost och snö ute finns tomater, sallad och frukt i butiken. Här behandlas växthusteknik och exempel ur ett 2023-perspektiv.

Produktionen och transporterna kan dock orsaka betydande koldioxidutsläpp. Importerade produkter transporteras med fartyg, lastbil och, för vissa mycket lättfördärvliga varor, flyg; merparten anländer inte automatiskt med flyg. Annat odlas i uppvärmda växthus, ofta med naturgas eller propan. Klimatavtrycket beror både på produktion och transport.

Ett alternativ skulle vara att avstå från sådan lyx. Det var vad våra förfäder gjorde, särskilt i kalla klimat, och förlitade sig på en kost av lök, potatis, morötter, ost, inlagda grönsaker och saltat eller rökt kött under vintern. Men realistiskt sett är detta inte något den genomsnittliga konsumenten är villig att göra.

Lyckligtvis kan nya växthusdesigner som utnyttjar energi från både jordens värme och solen på ett smartare sätt hjälpa till att minska behovet av fossila bränslen för att odla vår vinterföda.

Passiva växthus

Växthus släpper in solljus, skyddar växterna från vind och begränsar värmeförluster. Det kan förlänga odlingssäsongen och ge gynnsammare temperaturer. Det är särskilt användbart för tomater och paprika i kalla delar av USA, Kanada och Europa, men inte ett krav överallt och under alla årstider.

Uppvärmning av växthus med solstrålning – Källa: Hydroponics simplified

Passiva växthus utvecklar denna princip genom att begränsa förluster och använda värmen effektivare.

Termisk massa

En metod är att öka värmetrögheten. Kortvarig frost kan skada känsliga växter som tomater. Termisk massa lagrar värme och jämnar ut dygnets variationer: de högsta temperaturtopparna sänks och de lägsta temperaturerna höjs.

På norra halvklotet kan den norra väggen byggas av tegel eller sten i stället för genomskinligt material. Den absorberar värme på dagen och avger den på natten, vilket minskar frostrisken. Orienteringen behöver anpassas till halvklot och breddgrad.

Denna design har implementerats i stor skala i Kina och studeras nu i vetenskaplig litteratur.

Kinesiska passiva växthus – Källa: Research Gate

För att ytterligare förstärka väggens effekt appliceras ett lager isolering, ofta polystyren, på utsidan av muren så att den återutstrålade värmen stannar inne i växthuset.

Vattentunnor kan också ge termisk massa och lagra värme. Stenar kring odlingen eller ett sten- och betonggolv kan bidra. Nyttan beror på utformningen och behöver vägas mot den odlingsyta som tas i anspråk.

Minskade värmeförluster

Ett annat alternativ för att hålla växthusen varmare på natten är att minska termiska förluster. För detta rullar de kinesiska passiva växthusen ut en filt över växthuset varje natt. Ursprungligen gjordes detta för hand, men idag sker det oftare med automatiska system.

Källa: Research Gate

Ventilation, skuggning och fuktkontroll är fortfarande viktiga. Under lämpliga förhållanden kan utformningen kraftigt minska eller undvika fossil uppvärmning, men den garanterar inte odling utan värmetillskott i varje klimat. Den omfattande användningen i Kina bidrar till tillgången på grönsaker.

Källa: Research Gate

Växthus som utnyttjar markvärme

Marktemperaturer

Passiv utformning kan minska behovet av bränslen. Under mycket kalla, molniga eller snörika vintrar kan solenergin ändå vara otillräcklig. Då behövs extra värme eller andra odlingsval.

Markvärmepumpar används redan i byggnader. Rör läggs i marken, där temperaturen varierar mindre än i utomhusluften. Värmepumpen använder elektricitet för att flytta värme till uppvärmning eller kylning.

Källa: energy.gov

I många områden är marken varmare än luften på vintern och svalare på sommaren. Det kan ge bättre verkningsgrad än en luftvärmepump vid stark kyla. Marktemperaturen är dock inte helt konstant eller över fryspunkten överallt; djup, plats, årstid och markförhållanden spelar roll.

Enklare värmeväxling mellan mark och luft

I vissa små, välisolerade växthus med låg måltemperatur kan direkt värmeväxling med marken fungera utan värmepump. Det gäller inte alla växthus.

För tåliga växter kan det räcka att undvika frost på natten och få extra värme från solen på dagen. Nödvändig temperatur och ljusmängd beror på grödan och produktionsmålet.

Luft från växthuset cirkuleras med fläkt genom nedgrävda rör, utbyter värme med marken och återförs till växthuset. Marken kan även lagra solvärme. Detta grunda värmeutbyte skiljer sig från varmvattenresurser och djup geotermi.

Ett exempel från ett område med kalla vintrar är odling av citrus, fikon och druvor i Nebraska. Resultatet gäller en viss liten och isolerad konstruktion, inte alla växthus.

Värdet av enkelhet

Systemet kan ha relativt låg energianvändning. Det är inte helt passivt eftersom fläkten behöver el. Besparingen mot andra värmesystem beror på klimat, isolering, storlek och måltemperatur.

Tekniken kan vara förhållandevis enkel, men schaktning, dränering, rörval och dimensionering behöver genomföras korrekt. Det är inte självklart att en person räcker eller att systemet blir underhållsfritt i årtionden.

På sommaren kan den svalare marken ta upp värme från växthusluften. Kylning kan gynna växterna och, beroende på förhållandena, minska vattenbehovet.

Andra geotermiska värmekällor

Direkt mark–luft-värmeväxling kan förlänga säsongen. För högre temperaturer och produktion året runt kan värmepump eller kraftigare värmekälla behövas.

Ett alternativ är varma källor eller brunnar med vatten på cirka 60–150 °C, motsvarande 140–300 °F. Dessa resurser finns inte överallt. En rådgivningspublikation från 2019 beskrev dussintals växthusanläggningar i Klippiga bergen och västkuststaterna som värmdes med geotermisk energi med medelhög temperatur. Även lämpliga områden i USA, Japan, Kanada och Chile kan undersöka direkt geotermisk uppvärmning.

Djup geotermisk borrning är ett annat alternativ, men kostnader och geologi är avgörande. Eavor utvecklade exempelvis redan 2023 teknik för både elproduktion och fjärrvärme, inte enbart elektricitet. Växthustillämpningar beror på tillgänglig värme, avstånd och ekonomi.

Slutsats

Geotermisk växthusuppvärmning är inte ett helt nytt koncept. Enkla markvärmeväxlare kan kombineras med passiva solväxthus, medan andra system använder värmepumpar eller varmt geotermiskt vatten.

Kombinationerna kan stödja mer lokal och motståndskraftig produktion och minska fossilbränslebehovet. Miljönyttan beror på utformningen och energikällan.

Den ursprungliga genomgången 2023 hittade inget börsnoterat företag som uteslutande specialiserade sig på dessa konstruktioner; det visar inte att inget sådant företag fanns. Privata leverantörer finns, och enkel teknik innebär inte att immaterialrätt saknas. Ceres beskriver patenterade konstruktioner och tekniker.

Det finns dock några kit tillgängliga från privata företag som:

• Ceres Greenhouse Solutions (växthus med hög avkastning).
• SunCatcher (passivt solväxthus).
• Atmos Greenhouse Systems (värmelagring i marken, ett ”klimatbatteri”).

Minskat bränsleberoende kan stärka motståndskraften, vilket energikrisen i den nederländska växthusproduktionen 2022 visade. Originalartikeln angav cirka 24 000 acres, ungefär 9 700 hektar växthus. Acres är inte svenska tunnland. En rapport från 2022 angav 106 petajoule energianvändning under 2019 samt historiska andelar av Europas produktion: 21 procent av paprikan, 20 procent av gurkan och 17 procent av tomaterna. Uppgifterna avser olika historiska tidpunkter och är inte dagens årsstatistik.

Standardiserade system och bättre utformning kan minska kostnaderna och förbättra effektivitet och tillförlitlighet där de lokala förhållandena lämpar sig för tekniken.