Η μεγάλης κλίμακας καλλιέργεια φαρμακευτικής κάνναβης σε ένα κλειστό περιβάλλον, όπως ένα θερμοκήπιο ή μια εσωτερική εγκατάσταση, απαιτεί έντονη ποσότητα ενέργειας και υψηλή κατανάλωση ηλεκτρικής ισχύος. Σε ένα σχεδιασμό εγκαταστάσεων υψηλής τεχνολογίας, τα περισσότερα συστήματα λειτουργούν χρησιμοποιώντας κάποια μορφή ενέργειας, που μετατρέπεται σε ηλεκτρική ενέργεια.
Σύμφωνα με τις στατιστικές για την ενέργεια, από τα στοιχεία που καταγράφονται σε αμερικανικά κράτη με εγκατεστημένη παραγωγή κάνναβης μεγάλης κλίμακας, τα συστήματα HVAC αντιπροσωπεύουν έως και 51% της χρήσης ενέργειας, ενώ ο τεχνητός φωτισμός συμβάλλει στο 38% περίπου της κατανάλωσης [1]. Η κατανάλωση ενέργειας σε όλο τον δήμο του Ντένβερ, στο Κολοράντο, αυξήθηκε κατά 1,2% ετησίως, μεταξύ 2012 και 2014, ενώ το 45% αυτής της αύξησης αποδόθηκε στην καλλιέργεια κάνναβης σε εσωτερικούς χώρους [2].
Η αυξανόμενη συνειδητοποίηση των κινδύνων των ορυκτών καυσίμων και η ανάγκη παραγωγής ενέργειας χωρίς τοξικές εκπομπές, πρέπει να εφαρμοστούν στην αναδυόμενη ιατρική βιομηχανία κάνναβης στην Ευρώπη. Πολλές διαφορετικές πηγές εναλλακτικής ενέργειας μπορούν να αξιοποιηθούν, για την τροφοδότηση των τόπων καλλιέργειας. Με την προοπτική και την προγραμματισμένη σταδιακή υλοποίηση των έργων, οι παραγωγοί μπορούν να επιτύχουν στόχους βιώσιμους, ουδέτερους σε άνθρακα ή ακόμη και αρνητικούς σε άνθρακα.
Σε αυτό το άρθρο, θα επικεντρωθούμε στην ενσωμάτωση των φωτοβολταϊκών πηγών ενέργειας στα συστήματα φαρμακευτικής καλλιέργειας, διερευνώντας τις πιο πρακτικές και αποδοτικότερες επιλογές. Τα φωτοβολταϊκά μπορούν να κατανοηθούν μέσω της θεωρίας των φωτονίων. Σε αυτή την περίπτωση, τα φωτόνια είναι ενεργειακά πακέτα από τον ήλιο (χωρίς μάζα!), τα οποία χτυπάνε τα χαλαρά συνδεδεμένα εξωτερικά ηλεκτρόνια, που περιέχονται στο φωτοβολταϊκό ημιαγωγικό υλικό και τα απελευθερώνουν μέσω του φωτοηλεκτρικού εφέ. Αυτό το φαινόμενο μπορεί να απεικονιστεί ως μια λευκή μπάλα που χτυπά μια ριγέ ή χρωματιστή μπάλα σε ένα τραπέζι μπιλιάρδου και μεταφέρει την ενέργεια της σε αυτή τη μπάλα. Μόλις το ηλεκτρόνιο είναι ελεύθερο, πρέπει να κατευθυνθεί σε ένα ηλεκτρικό ρεύμα, για να παρέχει ηλεκτρική ενέργεια.
Για να δημιουργηθεί ένα ρεύμα με αυτά τα ηλεκτρόνια, χρησιμοποιείται ένα υλικό ημιαγωγού, όπως το πυρίτιο, που είναι “ντοπαρισμένο” με μικρές ποσότητες άλλων στοιχείων. Η εισαγωγή αυτών των στοιχειωδών προσμείξεων στη δομή του κρυσταλλικού πυριτίου, προκαλεί αλλαγές στις θέσεις των ηλεκτρονίων, εντός αυτής της δομής και σχηματίζεται ένα ηλεκτρικό πεδίο επί της κυψέλης. Αυτό το ηλεκτρικό πεδίο “αιχμαλωτίζει” τα ηλεκτρόνια που έχουν σπάσει από τα άτομα πυριτίου, κατευθύνοντάς τα σε ένα ρεύμα, δημιουργώντας έτσι ισχύ.
Υπάρχουν δύο τρόποι για την αξιοποίηση της ηλιακής ενέργειας σε μια φαρμακευτική επιχείρηση: 1) επιλέγοντας ή σχεδιάζοντας εξοπλισμό με ενσωματωμένες φωτοβολταϊκές κυψέλες, που παράγουν ηλεκτρική ενέργεια, η οποία χρησιμοποιείται για την άμεση λειτουργία του συστήματος και 2) αποθηκεύοντας την συλλεγμένη ηλιακή ενέργεια σε έναν συσσωρευτή, για μελλοντική χρήση σε οποιοδήποτε σύστημα το απαιτεί περισσότερο.
Άμεση αξιοποίηση της ηλιακής ενέργειας
Η περισσότερο, ενεργειακά και οικονομικά, αποδοτική μέθοδος άμεσης αξιοποίησης ενός θερμοκηπίου ή μιας εσωτερικής καλλιέργειας είναι η προσαρμογή των συστημάτων HVAC, όπως οι βιομηχανικοί ανεμιστήρες κυκλοφορίας αέρα, οι αφυγραντήρες και οι ψυκτικοί θάλαμοι, ώστε να λειτουργούν απευθείας από την ηλιακή ενέργεια που παράγεται στα φωτοβολταϊκά. Στους θερινούς και ηλιόλουστους μήνες, όταν οι φωτοβολταϊκές κυψέλες παράγουν το μέγιστο των δυνατοτήτων τους, σε ενέργεια και ισχύ (ποσοστό κατανάλωσης ενέργειας), τότε είναι που τα συστήματα ψύξης θα πρέπει να χρησιμοποιούν τη μεγαλύτερη ποσότητα ενέργειας. Αυτό δημιουργεί ένα πολύ αποτελεσματικό αυτορυθμιζόμενο κύκλο ανατροφοδότησης. Περισσότερη ενέργεια και υψηλότερη ισχύς θα είναι διαθέσιμες για τους ανεμιστήρες ή τα συστήματα ψύξης, ακριβώς όταν απαιτείται. Στις ψυχρότερες, νεφελώδεις ημέρες, θα υπάρχει λιγότερη ενέργεια και ισχύς, αλλά και τα συστήματα δεν θα απαιτούν τόση πολύ, για να διατηρήσουν τις κατάλληλες περιβαλλοντικές συνθήκες.
Η ηλιακή ενέργεια, που παράγεται από φωτοβολταϊκά, μπορεί επίσης να μετατραπεί άμεσα σε θερμική ενέργεια. Αυτή η θερμική ενέργεια μπορεί να χρησιμοποιηθεί για θέρμανση σε ψυκτικούς κύκλους συστολής-διαστολής, που περιλαμβάνονται σε ψυγεία και μερικούς αφυγραντήρες ή για θέρμανση του αέρα σε αφυγραντήρες ξηραντικού τροχού. Τον χειμώνα η ηλιακή ενέργεια που παράγεται έχει πολύτιμες εφαρμογές θέρμανσης στην περιοχή καλλιέργειας. Χρησιμοποιώντας αυτή την πηγή θερμότητας, μια επιχείρηση μπορεί να εξοικονομήσει σημαντικά ποσά δαπανών από το δίκτυο ηλεκτρισμού ή το φυσικό αέριο.
Αποθηκευτικές Στήλες Ιόντων Λιθίου
Ένας περιοριστικός παράγοντας στη λειτουργικότητα των φωτοβολταϊκών συστημάτων είναι η ανεπαρκής αποθήκευση ενέργειας. Μόλις συλλεχθεί η ηλιακή ενέργεια, αν δεν χρησιμοποιηθεί αμέσως, κάποιο μέρος της χάνεται ανεπανόρθωτα, ακόμη και με την πιο σύγχρονη τεχνολογία μπαταριών. Εάν ένα σύστημα δεν έχει μπαταρία με χωρητικότητα αποθήκευσης, η πλεονάζουσα ενέργεια, που συλλέγεται, απλώς χάνεται ή ρέει στο κύριο δίκτυο, εάν υπάρχει. Οι μπαταρίες ιόντων λιθίου αντιπροσωπεύουν την πιο πρακτική επιλογή για ένα σύστημα αποθήκευσης μεγάλης κλίμακας. Αυτές οι μπαταρίες μπορούν να κρατήσουν μέχρι και έξι φορές την ενέργεια ανά χιλιόγραμμο, σε σύγκριση με τις παραδοσιακές μπαταρίες μολύβδου-οξέος και από την μπαταρία μπορεί να αντληθεί 40% περισσότερη ενέργεια, πριν την επαναφόρτιση (ένα χαρακτηριστικό που ονομάζεται Βάθος Εκφόρτισης) [3]. Οι μονάδες ιόντων λιθίου μπορούν, επίσης, να διατηρούν την ενέργεια για μεγαλύτερο χρονικό διάστημα, χωρίς αποδόμηση και έχουν συνολικά μεγαλύτερη διάρκεια ζωής σε σύγκριση με άλλες τεχνολογίες.
Οι μονάδες αποθήκευσης χωρητικότητας 1-5 μεγαβάτ-ώρα (MWh), χρησιμοποιούνται ήδη σε βιομηχανικές εφαρμογές. Μια φαρμακευτική επιχείρηση δέκα στρεμμάτων, μπορεί να καταναλώνει από 5-8 MWh ενέργειας ανά ημέρα. Υπάρχουν μεγαλύτερες μονάδες αποθήκευσης, ωστόσο το εξαιρετικά υψηλό κόστος τους τις εμποδίζει απ’ το να είναι μια πρακτική επιλογή για τους καλλιεργητές. Με μια πιο προσιτή μονάδα αποθήκευσης 0,5-2 MWh, για παράδειγμα, ο καλλιεργητής θερμοκηπίου μπορεί να τροφοδοτήσει τεχνητά φώτα για να κρατήσει τα φυτά στη βλαστική φάση ή να προσθέσει συμπληρωματικό φως σε συννεφιασμένες ημέρες. Ένας εσωτερικός καλλιεργητής μπορεί να μειώσει σημαντικά την ποσότητα ενέργειας, που καταναλώνεται από τις παραδοσιακές πηγές δικτύου για το φωτισμό και άλλα μηχανήματα.
Η ενέργεια που αποθηκεύεται σε μπαταρία, μπορεί ουσιαστικά να χρησιμοποιηθεί σε οποιοδήποτε σύστημα επιθυμεί ο καλλιεργητής, αντισταθμίζοντας το κόστος της ηλεκτρικής ενέργειας δικτύου και μειώνοντας τις εκπομπές. Η εγγενής απώλεια ενέργειας, που συνδέεται με την αποθήκευση στην μπαταρία, μετριάζεται από την ικανότητα χρήσης της ενέργειας με τρόπο προσαρμοσμένο στις ανάγκες της παραγωγής.
Αν και ακριβές, οι μονάδες μπαταριών ιόντων λιθίου είναι, αναμφισβήτητα, ζωτικής σημασίας για την παροχή ενεργειακής απόδοσης στα ιδιωτικά φωτοβολταϊκά συστήματα. Χρησιμοποιούμενες μαζί με τα συστήματα HVAC και άλλα συστήματα καλλιέργειας, έχουν σχεδιαστεί για να λειτουργούν με τις ηλιακές πηγές ενέργειας που συνδέονται στα κυκλώματα τους. Η αποθήκευση σε στήλες ιόντων λιθίου μπορεί να σώσει τον φαρμακευτικό καλλιεργητή από ένα σημαντικό κόστος και να μειώσει δραστικά τις εκπομπές της εγκατάστασης. Η υπεύθυνη και βιώσιμη, περιβαλλοντικά, καλλιέργεια απαιτεί την ευρεία εφαρμογή της φωτοβολταϊκής τεχνολογίας.
Από τον J.R. Tremblay
Πηγές:
[1] Northwest Power and Conservation Council; “Electrical Load Impacts of Indoor Cannabis Production”, 3 September, 2014; https://www.nwcouncil.org/sites/default/files/p7.pdf
[2] Denver Environmental Health Cannabis Sustainability Work Group; “The Cannabis Environmental Best Practices Management Guide”, 1 August, 2017; https://www.denvergov.org/content/dam/denvergov/Portals/771/documents/EQ/MJ%20Sustainability/Draft%20Cannabis%20Environmental%20BMP%20Guide.pdf
[3] https://www.energysage.com/solar/solar-energy-storage/what-are-the-best-batteries-for-solar-panels/
