تجربه جهانی گلخانه‌های خودکفا

/// خلاصه

چالش تأمین غذای کافی برای جمعیت رو به رشد جهان، منجر به انقلاب سبز در اواسط قرن بیستم گردید. دانشمندان در طی دهه‌های گذشته همواره تلاش نموده‌اند تا با بهره‌گیری از فناوری‌های نوین در کشاورزی، نظیر استفاده از ارقام اصلاح‌شده، کودهای شیمیایی و آفت‌کش‌ها و مکانیزاسیون کشت و تولید، میزان تولید محصول در واحد سطح را افزایش دهند. در طی فرایند گذار از کشاورزی گسترده¹ به کشاورزی متمرکز²، کشت گلخانه‌ای به نماد کشاورزی مدرن تبدیل شده است. تولید محصولات کشاورزی در قالب زیرساخت‌های متمرکز نظیر گلخانه‌ها موجب افزایش فزاینده مصرف انرژی به ازای تولید هر واحد محصول گردیده است. از یک‌سو با توجه به بهره‌گیری از سیستم‌های هوشمند در گلخانه‌ها به‌منظور کنترل دقیق عوامل تولید و ارتقاء کمیت و کیفیت محصولات، تأمین پایدار انرژی الکتریسیته به یکی از چالش‌های کشت‌های گلخانه‌ای تبدیل گردیده است. از سوی دیگر به دلیل مصرف بالای آب در بخش کشاورزی و محدودیت تأمین آن به دلیل تغییرات اقلیمی در بسیاری از نقاط دنیا، شیوه‌های مؤثر در افزایش راندمان مصرف آب در گلخانه‌ها و بهره‌گیری از تکنولوژی‌های مدرن جهت استحصال مجدد منابع آب اتلاف شده در فرایندهای آبیاری و تبخیر و تعرق در اولویت دست‌اندرکاران و فعالان بخش کشاورزی قرار گرفته است. کشورهای پیشرو در صنعت کشاورزی، توانسته‌اند با بهره‌گیری از این تکنولوژی‌ها، گام‌های مؤثری در تحقق خودکفایی گلخانه‌ها در تأمین انرژی و تولید پایدار محصولات کشاورزی، بردارند. از مهم‌ترین سیستم‌های پیاده‌سازی شده در گلخانه‌ها جهت کاهش وابستگی به منابع انرژی بیرونی می‌توان به سیستم­‌های نیروگاه خورشیدی، نیروگاه CHP، مبدل حرارتی، تصفیه زه آب آبیاری، تلفیقی نیروگاه خورشیدی و شیرین سازی آب دریا، زمین‌گرمایی با بهره‌گیری از حرارت و منابع آب گرم اعماق زمین و ذخیره انرژی حرارتی گلخانه اشاره نمود. در این مقاله تلاش گردیده تا تعدادی از این سیستم‌ها معرفی و نتایج حاصل از پیاده‌سازی آن‌ها تشریح گردد.

مقدمه

با گسترش فرایند جهانی‌سازی، رابطه تنگاتنگ بین منابع غذایی و منابع انرژی پیچیده‌تر می شود. پیش‌بینی‌ها بیانگر این حقیقت است که با تداوم روند کنونی افزایش جمعیت که سالانه معادل 83 میلیون نفر می‌باشد، جمعیت جهان تا سال 2050 به حدود 9 میلیارد و هشتصد میلیون نفر خواهد رسید. این افزایش جمعیت مستقیماً منجر به افزایش تقاضا برای کالاهای ملموس خواهد گردید، به‌طوری‌که انتظار می‌رود نیاز غذایی در سطح جهان، بیش از 100 درصد نسبت به مقدار کنونی افزایش یابد. از سوی دیگر کمبود منابع انرژی، تولید مواد غذایی کافی برای بیش از 2 میلیارد نفر از ساکنین این کره خاکی را با چالش جدی مواجه نموده است.

بخش کشاورزی به‌تنهایی حدود 70 درصد از مصرف آب در سطح جهان را به خود اختصاص داده است که همین امر بیانگر میزان وابستگی این بخش به تغییرات اقلیمی و منابع آب شیرین می‌باشد. از سوی دیگر، تغییرات اقلیمی و کاهش منابع آبی می‌تواند برای کشورهایی که بخش اعظم تولید برق آن‌ها وابسته به نیروگاه‌های برق آبی می‌باشد، چالش‌برانگیز باشد. وجود ارتباط تنگاتنگ بین منابع انرژی نظیر آب و برق با بخش کشاورزی، تلاش های جهانی برای افزایش راندمان مصرف انرژی به ازای تولید هر واحد محصول کشاورزی را به‌شدت افزایش داده است. با توجه به اینکه گلخانه و کشت گلخانه‌ای به‌عنوان نماد کشاورزی مدرن شناخته می شود و از مزیت‌های بسیاری نظیر کاهش مصرف منابع انرژی و امنیت و پایداری در تولید محصولات غذایی برخوردار می‌باشد، درنتیجه، محققین و دانشمندان همواره تلاش می‌کنند تا با بهره‌گیری از تکنولوژی‌های روز دنیا و سیستم‌های هوشمند، گلخانه‌ها را به سیستم‌های نیمه بسته و بسته‌ای تبدیل کنند که قابلیت تولید پایدار با بیشترین راندمان و کمترین اتلاف انرژی را داشته باشند.

سیستم‌های مدرن تولید و مدیریت منابع انرژی در گلخانه‌ها

چالش کمبود منابع و تغییرات اقلیمی، احداث گلخانه‌های خودکفا را در اولویت محققین و سیاست‌گذاران حوزه کشاورزی قرار داده است. گلخانه های خودکفا با بهره‌گیری از سیستم های تولید و ذخیره انرژی خورشیدی، آبیاری قطره ای، تصفیه و بازچرخانی زه آب گلخانه، جمع‌آوری و استفاده از آب نزولات آسمانی در فرایند تولید، سیستم ذخیره انرژی و سایر فناوری‌ها، ضمن تولید انرژی، با مدیریت تکنولوژی محور، میزان مصرف منابع انرژی را به حداقل رسانده و راندمان مصرف انرژی به ازای هر واحد تولید محصول را به میزان قابل‌توجهی افزایش می‌دهند. طبیعتاً توسعه احداث و بهره‌برداری از چنین گلخانه‌هایی، تولید پایدار محصولات کشاورزی و امنیت غذایی جامعه بشری در دهه‌های آتی تضمین خواهد گردید. در ادامه سیستم‌های نوین طراحی و پیاده‌سازی شده در جهت تحقق خودکفایی گلخانه‌ها معرفی و تبیین گردیده اند.

* استفاده از پنل های خورشیدی نیمه شفاف و شفاف جهت تولید انرژی برق

استفاده از پنل های خورشیدی در گلخانه ها می تواند وابستگی این واحدهای تولیدی به منابع انرژی بیرونی را به میزان چشمگیری کاهش دهد. با توجه به نیازمندی گیاهان به نور جهت رشد و تکمیل فازهای رویشی و زایشی خود و درنهایت تولید محصول باکیفیت، استفاده از پنل های خورشیدی شفاف می‌تواند ضمن فراهم‌سازی امکان عبور نور کافی از سقف و دیواره‌های گلخانه جهت انجام فرایند فتوسنتز در گیاهان، تولید انرژی الکتریسیته از انرژی تابشی خورشید را میسر سازد. پنل های خورشیدی دومنظوره به‌گونه‌ای طراحی‌ شده‌اند که قادرند طیف نوری قابل جذب در فرایند فتوسنتز (آبی و قرمز) را از خود عبور داده و در عین حال بخش غیرقابل استفاده (مثل مادون‌قرمز) توسط گیاهان را جذب و در فرایند تولید انرژی برق مورد استفاده قرار دهند. این فرایند ضمن تولید برق به تعدیل دمای گلخانه نیز کمک می‌نماید.

پنل های فتوولتائیک ارگانیک³ (OPV)، پنل های خورشیدی تولید شده با تکنولوژی روز دنیا می‌باشند که با توجه به مزیت‌های آن‌ها، در حال حاضر در ساخت گلخانه‌های خورشیدی مورد استفاده قرار می‌گیرند. این پنل‌ها، برخلاف پنل های سنتی که از سیلیکون یا مواد نیمه‌رسانای معدنی ساخته شده‌اند، از مولکول‌ها یا پلیمرهای آلی ساخته می‌شوند. استفاده از این نوع پنل ها به دلیل مزیت‌های مورد اشاره در زیر، در حال گسترش می‌باشد:

• دارای سطوح شفاف و نیمه شفاف با قابلیت عبور نور کافی،
• دارای انعطاف‌پذیری مناسب جهت نصب در سطوح خمیده نظیر سطح کمان‌های انحنادار گلخانه‌ها،
• دارای وزن سبک‌تر نسبت به پنل های سیلیکونی و تحمیل بار کمتر به سازه گلخـانه‌ها،
• هزینه تولید و قیمت کمتر.

این نوع پنل ها، علی‌رغم مزیت‌های مذکور، بازدهی تبدیل انرژی آن‌ها کمتر بوده و در عین حال دارای عمر مفید کوتاه‌تری می‌باشند.

نکته اساسی در پیاده‌سازی چنین سیستمی این است که پنل های خورشیدی می‌بایست به‌گونه‌ای نصب گردند که تأثیر منفی بر رشد گیاهان کشت شده نداشته باشند. در برخی از سیستم‌ها، پنل ها روی سقف گلخانه‌ها به‌صورت متحرک نصب می‌شوند و با تغییر زاویه در طی روز، امکان دسترسی گیاهان به نور کافی را فراهم می‌سازند. نتایج بررسی‌های صورت گرفته نشان می‌دهد که گلخانه‌ها با بهره‌گیری از این سیستم می‌توانند تا 50 درصد از انرژی برق موردنیاز خود جهت کارکرد سیستم‌های آبیاری، تهویه، سرمایش و سایر تجهیزات را تأمین نموده و در عین حال هزینه‌های عملیاتی خود را کاهش دهند.

گلخانه‌های خورشیدی به‌طور موفقیت‌آمیزی در کشورهای پیشرو در صنعت گلخانه‌ای نظیر هلند، پیاده‌سازی گردیده است. چنین تأسیساتی ضمن تأمین انرژی پاک برای گلخانه‌ها، وابستگی گلخانه‌ها به شبکه برق سراسری کشورها را کاهش داده و درنهایت موجب پایدارتر شدن فرایند تولید گردیده است. در کشوری نظیر اسپانیا که دارای روزهای آفتابی بیشتری نسبت به کشورهای اروپای شمالی می‌باشد، گلخانه‌های خورشیدی توسعه بیشتری پیدا کرده است. سیاست‌گذاری‌های اتحادیه اروپا و مقامات کشورهای اروپایی در خصوص کاهش انتشار گازهای گلخانه‌ای در راستای حفاظت از محیط‌زیست و اعطای مشوق‌های گوناگون به تولیدکنندگان انرژی‌های پاک، منجر به توسعه گلخانه های خورشیدی در اروپا گردیده است.

سرمایه‌گذاری اولیه بالا و همچنین طراحی و منطبق سازی سیستم پنل های خورشیدی با سازه‌های گلخانه‌ای موجود از عمده‌ترین چالش‌های تحقق گلخانه‌های خورشیدی در اروپا به شمار می رود. در حال حاضر دولت‌ها تلاش می کنند تا با بهره گیری از تکنولوژی روز دنیا و تولید انبوه پنل های خورشیدی، هزینه مالی اجرای گلخانه‌های خورشیدی را به میزان قابل‌توجهی کاهش داده و فعالان کشت گلخانه ای را به پیاده‌سازی چنین سیستم‌های ترغیب نمایند، شکل شماره (1).

شکل شماره (1): نمونه‌ای از تلفیق کشت گلخانه‌ای و نیروگاه خورشیدی در کشور آلمان

* سیستم تولید همزمان برق و حرارت (نیروگاه CHP)

در طی سالیان گذشته، پیاده‌سازی نیروگاه‌های CHP جهت تولید همزمان برق و حرارت در گلخانه‌های مدرن به دلیل مصرف بالای انرژی موردتوجه قرار گرفته است. کارایی پیاده‌سازی چنین سیستمی در برخی از کشورهای اروپایی نظیر هلند به اثبات رسیده است. اجرای چنین سیستمی از سوی کشورهای اروپای شمالی که به دلیل میانگین دمای سالانه کمتر، به تجهیزات گرمایشی بیشتری جهت تولید محصولات گلخانه‌ای خود نیازمند می باشند، مورد استقبال بیشتری قرار گرفته است. اجرای این سیستم می تواند با سیستم نیروگاه خورشیدی تلفیق گردیده و راندمان تولید و مصرف برق و حرارت موردنیاز در گلخانه را به میزان چشمگیری افزایش دهد. همچنین امکان پیاده‌سازی سیستم‌های خورشیدی حرارتی (با استفاده از کلکتورهای خورشیدی) جهت تأمین مستقیم و یا غیرمستقیم گرمایش موردنیاز گلخانه، وجود دارد.

* سیستم تأمین گرمایش گلخانه از انرژی زمین‌گرمایی

انرژی زمین‌گرمایی روشی برای گرم کردن مناطق گلخانه‌ای با استفاده از منابع حرارتی طبیعی در زیرزمین است. این سیستم‌ها با بهره‌گیری از دمای ثابتی که از اعماق زمین می‌آید، گلخانه‌ها را به‌طور طبیعی و کارآمد گرم می‌کنند. سیستم‌های گرمایش زمین‌گرمایی در گلخانه‌ها که انرژی را مستقیماً از پوسته زمین می‌گیرند، هم هزینه‌های انرژی را کاهش می‌دهند و همچنین به‌واسطه کاهش انتشار گازهای گلخانه‌ای، راهکاری مؤثر برای حفاظت از محیط‌زیست به شمار می‌رود. مراکز تحقیقاتی در نقاط مختلف دنیا تلاش نموده‌اند تا با بهره‌گیری از انرژی زمین‌گرمایی عمیق، گام‌های مؤثری را در راستای تأمین انرژی پایدار و خودکفایی سیستم‌های کشت گلخانه‌ای به منابع انرژی بیرونی (شبکه برق سراسری و سوخت‌های فسیلی) بردارند. موسسه فناوری کارلسروهه در آلمان استفاده از انرژی زمین‌گرمایی جهت کربن‌زدایی بخش گرمایش مسکونی و صنعتی را در برنامه تحقیقاتی خود قرار داده است. نمونه بارز دیگر شرکت دویی وستین توماتن⁴ در کشور هلند می‌باشد که پروژه تأمین گرمایش گلخانه‌های تحت مالکیت خود از طریق انرژی زمین‌گرمایی را با موفقیت پیاده‌سازی نموده است. گرمایش گلخانه‌های گوجه‌فرنگی این شرکت از سیستم زمین‌گرمایی و از طریق لوله‌های قهوه‌ای خاکستری که در کل گلخانه‌ها توزیع شده‌اند تأمین می‌گردد.

* سیستم تأمین دی‌اکسید کربن گلخانه از نیروگاه CHP

مطالعات صورت گرفته بیانگر آن است که واکنش گیاهان نسبت به مقادیر مختلف دی‌اکسید کربن تا سطح 1400 پی پی ام متفاوت می‌باشد؛ اما مسئله اثبات شده این است که در صورت مساعد بودن سایر فاکتورهای محیطی رشد، افزایش دی‌اکسید کربن تا مقادیر بالای 1000 پی پی ام می تواند افزایش عملکرد محصول را در پی داشته باشد. با توجه به پایین بودن میزان گاز دی‌اکسید کربن آزاد در هوا که در دامنه 200 الی 400 پی پی ام قرار دارد، تأمین مقادیر بالاتر دی‌اکسید کربن در راستای ارتقای راندمان فتوسنتز و افزایش عملکرد در گیاهان گلخانه‌ای موردتوجه محققین بوده است. یکی از جدیدترین نوآوری‌ها، استفاده از گازهای حاصل از نیروگاه CHP در تأمین دی‌اکسید کربن گلخانه‌ها می‌باشد. در این فرایند، گازهای خروجی از اگزوز توربین جمع‌آوری گردیده، دی‌اکسید کربن موجود در آن استخراج شده و متناسب با نوع کشت در گلخانه توزیع می‌گردد.

اروپای شمالی در پیاده‌سازی ایده استفاده از محصول جانبی دی‌اکسید کربن به‌عنوان محرک رشد گیاهان پیشگام بوده است. این گلخانه ها با پیاده‌سازی تلفیقی سیستم‌های CHP و استحصال دی‌اکسید کربن توانسته‌اند محصولات گوناگونی نظیر انواع صیفی‌جات، گل‌های شاخه بریده و زینتی را تولید نمایند. طبق برآوردهای صورت گرفته، تأمین سطوح بالاتر دی‌اکسید کربن، می‌تواند سرعت رشد گیاهان را 10 الی 15 درصد افزایش دهد. بر اساس مشاهدات عینی صورت گرفته، پیاده‌سازی تلفیقی این سیستم‌ها توانسته میزان تولید را حتی در برخی موارد تا 40 درصد افزایش دهد. چنین افزایش عملکردی، هزینه سرمایه‌گذاری اولیه جهت پیاده‌سازی چنین سیستم‌هایی را توجیه‌پذیر می‌سازد.

* بهره‌گیری از سیستم‌های بازچرخانی و کاهنده مصرف آب

در حال حاضر، از سیستم‌های آبیاری هوشمند جهت آبیاری کشت‌های گلخانه‌ای استفاده می‌شود. این سیستم‌ها بسته به سیستم کشت مورد استفاده (خاکی، هیدروپونیک، ایروپونیک و …) با آنالیز محتوای رطوبتی اندام‌های گیاه و وضعیت عناصر غذایی در گیاهان تحت کشت، حجم آب موردنیاز را تعیین و در اختیار گیاهان قرار می‌دهند. کشورهای پیشرو در کشت گلخانه‌ای نظیر هلند و اسپانیا، با طراحی سیستم‌های آبیاری بسته، تلاش نموده‌اند تا میزان اتلاف آب را به حداقل ممکن کاهش دهند. در این سیستم‌ها، زه آب خروجی از بسترهای کشت و یا زهکش‌های زیرسطحی (در کشت خاکی) تحت تیمار قرار گرفته و مجدداً جهت آبیاری گیاهان مورد استفاده قرار می‌گیرد.

از سوی دیگر، در حدود 90 درصد آبی که در گلخانه‌ها مصرف می‌شود، به دو فرایند تبخیر و تعرق و خنک‌سازی محیط تخصیص می‌یابد. حجم زیادی از آب استفاده شده در گلخانه‌ها بدون استفاده و به‌صورت هوای مرطوب توسط هواکش‌ها به بیرون هدایت می‌شود که قابل بازیافت بوده و امکان مصرف دوباره آن با تقطیر به چرخه ورودی آب گلخانه وجود دارد. نتایج تحقیقات صورت گرفته بیانگر این حقیقت است که با استفاده از مبدل حرارتی می‌توان 10 تا 30 درصد از آب مصرف شده برای آبیاری و سرمایش را بازیافت نمود. در این روش با توجه به اینکه در گلخانه‌ها امکان نگهداشت خروجی هوای مرطوب وجود ندارد، لذا می‌بایست طول دستگاه و شدت جریان هوا در مبدل حرارتی به صورتی تعیین گردد تا در این فاصله امکان میعان آب وجود داشته باشد. تحقیقات صورت گرفته نشان می‌دهد که با افزایش سطح انتقال حرارت در واحد مبدل حرارتی امکان استحصال درصد بیشتری از رطوبت موجود در هوا، وجود خواهد داشت. چنین سیستمی در حال حاضر در کشورهای توسعه‌یافته نظیر آلمان، اسپانیا، فرانسه و سایر کشورهای پیشگام در بهره‌گیری از سیستم‌های نوین در کشت‌های گلخانه‌ای، پیاده‌سازی گردیده است. البته نکته حائز اهمیت این است که با توجه به سرمایه‌گذاری موردنیاز، در حال حاضر چنین سیستم‌هایی صرفاً برای گلخانه‌های بزرگ و دارای تولید تجاری قابل اجرا می‌باشد.

* سیستم استحصال آب شیرین از آب ‌شور دریا با بهره‌گیری از انرژی خورشیدی

در مناطق ساحلی و یا نزدیک به آب‌های شور که دارای اقلیم خشک بوده و با محدودیت دسترسی به منابع آب شیرین مواجه می‌باشند، بهره‌گیری از انرژی خورشیدی جهت تبخیر آب دریا و نمک‌زدایی جهت استفاده در فرایند کشت های گلخانه‌ای، به‌عنوان یکی از راهکارهای نوین جهت کاهش حداکثری تلفات آب در گلخانه‌های هوشمند و بهبود حداکثری میزان بهره‌وری آب ارائه گردیده است. در این فرایند آب شور وارد شده به محیط گلخانه ابتدا توسط انرژی خورشیدی بخار و سپس دوباره به آب تازه تبدیل می شود. تحقیقات و اقدامات اجرایی صورت گرفته در راستای پیاده‌سازی این سیستم در کشور اسپانیا، نتایج مطلوبی را به همراه داشته است. تلفیق سیستم های انرژی خورشیدی فتوولتائیک با سیستم نمک‌زدایی آب دریا به روش اسمز معکوس، توانسته هزینه تولید آب را به کمتر از 36/0 یورو در هر مترمکعب کاهش دهد.///

1. Extensive Agriculture

 2. Intensive Agriculture

3. Organic Photovoltaics

4. Duijvestijn Tomaten