地熱能在農業中的應用,以及如何回收再利用。

農業和食品加工業是世界上最大和最需要能源的行業。該行業消耗了全球約三分之一的能源生產,其中約12%的能源用於作物生產,近80%能源用於加工、分銷、零售、製備和烹飪(FAO,2010年)。它們還佔全球淡水使用量的80-90%,而其中的70%淡水僅用於灌溉(Hoff,2011年)。從氣候變化和過度開發自然資源的角度來看,這些統計數據將認定農業和農產品供應鍊是對環境最有害的行業之一。農業的生產力主要取決於水、能源和土地資源的可用性。

隨著全球人口繼續呈指數級增長,我們對這些資源的需求也在增加。這些行業嚴重依賴化石燃料生產,以至於當原油價格飆升時,一盒穀物的平均價格也會上漲。為了減少過度使用不可再生資源對環境造成的破壞性影響,農業和農產品供應鏈,應利用各種可再生能源來代替化石燃料促進生產,以達到提高全球糧食安全、減少溫室氣體排放的目的。

所以,在該行業形成對環境造成不可逆轉的破壞之前,發現和使用安全、可獲取和環保的能源,成為了該行業的當務之急。

美国可再生能源的使用情况饼状图

(圖一) 美國可再生能源的使用情況餅狀圖

由於人口繼續呈指數級增長且地球缺乏可用資源,農業和農副產品供應鏈不僅要跟上人類日益增長的物質需求,還需要適應氣候變化並減少溫室氣體排放,這給農業生產者帶來了嚴峻的生產和技術挑戰。而太陽能、風能和地熱能等可再生能源的開發,有可能降低生產成本並最大限度地減少對環境的影響。其中,地熱能被歸類為來自地殼內部的熱量,是岩石和流體中包含的熱能填充了地殼內的孔隙和裂縫,也是最近在農業生產過程中使用的最穩定和最強大的可再生資源之一。

人們可以通過在地下水庫中鑽大孔以提取蒸汽和熱水到地面,為各種不同的應用提供動力。大多數地熱能來自地球的最初形成以及材料的放射性衰變,具有成本效益佳、可再生、可靠和可持續的特點,而以往的應用場景僅限於位於構造板塊邊界附近的地區。

新技術的出現極大地擴展了地熱能資源的範圍和可使用性,如今,地熱能可在大範圍的家庭供暖等使用場景中應用。雖然地熱井仍然會釋放出被困在地球深處的微量溫室氣體,但與傳統化石燃料能源產生的排放相比,這些排放要低得多。

图2:地热能回收的基本过程描绘图

(圖二) 地熱能回收的基本過程描繪圖

材料的導熱性
基岩材料的熱導率是地熱建模的一個極其重要的參數,因為它直接控制著穩態溫度場。地面的熱導率會對地熱熱交換器的工作溫度和整體性能產生巨大影響,而熱導率描述的是一種材料通過傳導過程有效傳遞熱量的能力。地熱材料的熱導率從0.5W/(mK)到8W/(mK)不等,雖然這是一個相對較窄的值範圍,但大多數地熱系統對基底的熱導率極為敏感。

例如,跟高熱導率6W/(mK)的材料相比,低熱導率2W/(mK)的地質材料滿足建築能源所需的鑽孔長度,需要增加50%以上。而鑽孔可能是一個昂貴的成本,所以我們了解地下材料的導熱性有助於獲得最準確的鑽孔長度,以滿足所需的能量。

地熱能的應用
在農業和食品工業中,地熱能的使用正漸漸開始變得越來越普遍,如常用於加熱和冷卻建築物及土壤和水(包括水產養殖用水)、乾燥作物和穀物、加熱溫室。地熱能的許多常見應用與太陽能相似,而地熱能能夠365天*24小時都可以被人類利用,這使得它比太陽能更方便獲取,這對高緯度陽光更少的地區來說更是福音。截至2014年底,全球地熱能的使用量增加了24%以上。在全球範圍內,4.5%的地熱用於溫室和露天供暖,2%用於水產養殖,1.8%用於工業加工,0.4%用於乾燥。

利用地热能的水产养殖场示例

(圖三) 利用地熱能的水產養殖場示例

溫室的熱調節就是用地熱能代替傳統的加熱方法,有益於環境、大大降低生產者成本的一個實際應用案例。地熱采暖利用土壤或空氣中的熱量,來替代和改造以往由電力或化石燃料驅動的加熱器。從2010年到2015年,全球用於溫室供暖的地熱能應用增加了15%以上。灌溉是目前世界上最大的淡水消耗者,而地熱水脫鹽是一種可以確保高質量的淡水用於各種應用的簡單方法,所以地熱系統也可以被視為淡水生產的解決方案。

在豬和家禽等農業養殖中,空間加熱(和冷卻)是食品生產行業的重要能源消耗。這些機械或蒸發冷卻循環需要在恆定溫度和空氣質量的封閉建築中進行,以促進動物達到最佳健康生長狀態。而室內恆定的溫度、濕度及空氣質量,可以通過地熱或太陽能來替代化石燃料等不可再生資源達成目標。

農作物、穀物和動物產品的干燥,是目前在食品和農業行業中最通用和最簡單的地熱能和太陽能應用之一。這些乾燥過程的範圍可以從人工的方法到複雜的工業大規模地熱動力脫水機。與太陽能乾燥相比,地熱能可以在接收較少太陽輻射的地區(例如海拔較高和氣候較冷的地區)中獲得。15個國家報告顯示,他們目前正在工業規模上使用地熱能源乾燥各種穀物、蔬菜和水果作物,如海藻、洋蔥、小麥和穀物等。其中,這些可再生資源用於乾燥目的的主要應用者是中國、匈牙利和美國。

利用地热工艺干燥的干果和坚果

(圖四) 利用地熱工藝乾燥的干果和堅果

總結
地熱能是一種不受氣候、天氣條件變化影響的無限可再生資源,一年365天都可以使用。在農業和食品生產行業中,用地熱能替代傳統不可再生能源的應用,將大大降低成本,並最大限度地減少對環境的有害影響。

從理論上講,地球的地熱資源可以提供足夠的能源來滿足人類對能源的需求,然而目前只有一小部分地熱能源可以被開發利用。這些資源的鑽探和勘探成本最初可能很高,使得許多公司和生產商缺乏生產動力。儘管從化石燃料轉向地熱能需要初始投資,但總體而言,在過去幾十年中,這種可再生資源在農業中的使用量已大大增加,而隨著新機器和技術的不斷設計和製造,地熱能在農業和食品加工業中的使用量和應用範圍將持續增長。

 

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