Geotermiska och passiva växthus – Minska jordbrukets koldioxidutsläpp

Unsustainable Abundance

En stor bekvämlighet med det moderna livet är möjligheten att när som helst få färska produkter direkt från mataffären. Färska produkter väntar direkt på oss i butiken. Utanför kan det vara iskallt och täckt av snö, men vi hittar fortfarande ett överflöd av tomater, sallad och färsk frukt.

Detta sker dock till priset av enorma koldioxidutsläpp. Antingen transporteras dessa produkter, oftast med flyg, från andra sidan av världen. Eller så produceras de i uppvärmda växthus, som mestadels hålls varma med naturgas eller propan.

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.

Passive Greenhouses

Den grundläggande designen för ett växthus är att fånga och lagra solens termiska energi. Genom att låta solstrålarna komma in, skydda växterna från vinden och behålla värmen. Detta ökar växtproduktionen genom att förlänga växtsäsongen och ge varmare temperaturer, vilket främjar växttillväxt. Detta är nödvändigt för att producera även “grundläggande” livsmedel som tomater eller paprika i många delar av USA, Kanada och Europa.

Uppvärmning av växthus med solstrålning – Källa: Hydroponics simplified

Passive greenhouses tar detta grundkoncept ett steg längre genom att öka effektiviteten i varje möjlig komponent.

Thermal Mass

Den första idén är att öka systemets tröghet. Den största risken för växthusodling är kortvariga frost som kan döda känsliga växter som tomater. Genom att öka den termiska trögheten i växthuset minskar både de maximala och minimala temperaturtopparna.

Ett sätt att göra detta är att låta den norra sidan av växthuset vara byggd av tegel eller sten istället för plast eller glas. Den solida muren behåller mer värme och absorberar solens värme direkt under dagen. Den avger sedan värmen mot växthusets inre på natten, vilket ökar sannolikheten för att hålla frostfri.

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.

Andra designer kan också lägga till vattenfat och en mycket kraftfull värmesänka som rör den norra muren för ännu större termisk tröghet. Stenar runt växterna och ett betong-/stengolv i växthusets centrum kan också hjälpa.

Reducing losses

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

Ytterligare framsteg kan göras, särskilt när det gäller ventilation, men i vilket fall som helst kan denna design redan fungera utan någon fossil bränsle och utgör en stor del av hur Kina kan föda sin befolkning på 1,4 miljarder människor.

Källa: Research Gate

Geothermal Greenhouses

Ground Temperatures

Passiva växthus är en radikal förbättring jämfört med de fossila bränslen som värmer växthus som är vanliga i väst, särskilt i USA eller Nederländerna. Men i det hårdaste klimatet kan det vara otillräckligt, särskilt under mycket molniga och snöiga vintrar, där det kan gå hela veckor utan att ett växthus får direkt solljus.

Geotermisk energi används redan för att värma hus via jordvärmepumpar. Idén är att installera ett nätverk av rör djupt i marken, på en nivå där temperaturen är konstant året runt. Därefter används en värmepump för att utvinna den värmen och hålla huset varmt.

Källa: energy.gov

Det som gör en jordvärmepump överlägsen en luftvärmepump, åtminstone i kalla klimat, är att den har en konstant temperatur över fryspunkten. Den exakta temperaturen varierar beroende på region samt den potentiella geotermiska aktiviteten.

A Simplified Geothermal Design

För växthus behövs ingen värmepump för att ”koncentrera” jordens energi till en temperatur som är bekväm för människor.

Att hålla sig några grader över frost på natten är tillräckligt, och de stunder då solen skiner ger de extra grader som behövs för att återuppta växttillväxten. Från dessa enkla fakta uppstod konceptet med ett geotermiskt växthus.

Idén är att begrava ett rör tillräckligt djupt så att den omgivande jorden förblir varm året runt. Luft från växthuset cirkuleras sedan i röret, värms upp och återförs till växthuset för att hålla luften inuti över fryspunkten.

Detta strategiska tillvägagångssätt har implementerats i amerikanska delstater med kalla vintrar, som Nebraska, för att odla lokalt citrus, fikon eller druvors.

Simple Is Beautiful

Fördelen med denna design är att den är mycket energieffektiv. Behovet av luftcirkulation gör den inte helt passiv, eftersom ventilationssystemet kräver viss elektrisk kraft. Men den har en mycket låg energiförbrukning jämfört med någon annan uppvärmningsmetod för växthus.

Det är också en relativt lågteknologisk lösning, där grävningen kan utföras av en person med en grävmaskin eller grävmaskin och bara behövs en gång för flera decennier.

Slutligen innebär den stabila genomsnittstemperaturen under jord att samma system kan användas för att kyla ner växthusen på sommaren, vilket potentiellt kan öka växtproduktionen under sommarmånaderna och/eller minska vattenförbrukningen.

Other Geothermal Heating

Det grundläggande geotermiska växthuset är en bra lösning för att förlänga växtsäsongen eller göra frostkänsliga grödor och träd möjliga i nordiska regioner. Kraftfullare geotermiska värmekällor kan behövas för att uppnå optimal produktivitet året runt.

Ett alternativ är varma källor och andra lokala jordvärmekällor (60‑150 °C / 140‑300 °F). Även om det är svårt att skala överallt, finns det “dussintals växthusverksamheter i Rocky Mountain- och västkuststaterna som värms av geotermisk energi med medeltemperatur.” USA, men också Japan, Kanada, Chile och andra regioner med varma källor och vulkanisk aktivitet kan vara goda kandidater för att expandera denna typ av växthus.

Ett annat alternativ kan vara djup geotermisk borrning, där man gräver djupt nog för att nå berg som är permanent uppvärmda av jordens geotermiska aktivitet. Tyvärr är sådana djupa brunnar för närvarande mycket dyra. Även om vissa företag, som Eavor, försöker lösa detta problem för elproduktion, är det osannolikt att de kommer att användas för livsmedelsproduktion inom kort.

Conclusion

Geotermiska växthus är fortfarande ett mycket nytt koncept och fungerar bäst i kombination med passiva växthus. Passiva växthus blir nu mer vanliga globalt, efter deras massiva antagande i Kina.

Så är det sannolikt att geotermiska växthus blir nästa steg för att göra livsmedelskedjan mer lokaliserad och motståndskraftig samtidigt som beroendet av fossila bränslen minskar.

När den här artikeln skrevs kunde vi inte hitta något börsnoterat företag som specialiserar sig på att bygga passiva eller geotermiska växthus. Teknikens ”lågteknologiska” aspekt kan ha gjort den mindre ”startup‑vänlig”, eftersom mycket lite proprietär IP kan utvecklas.

Det finns dock några kit tillgängliga från privata företag som:

• Ceres Greenhouse Solutions (högriskväxthus).
• SunCatcher (Solpassivt växthus).
• Atmos Greenhouse Systems(Geotermisk “klimatbatteri”).

Det är dock en nyckel till att minska fossilbränsleförbrukningen samt bygga en mer motståndskraftig ekonomi, som krisen som drabbade den nederländska växthusproduktionen 2022 illustrerade. Landet har 24 000 tunnland växthus som förbrukar 106 petajoule per år, vilket ger 21 % av paprikorna, 20 % av gurkorna och 17 % av tomaterna som odlas i Europa.

Så kan detta bli en ny grön sektor som ännu inte har utvecklats i skala, med standardiserade system för att minska kostnader och öka effektivitet och tillförlitlighet.