Un système d’ombrières solaires pour la culture durable de roses

Les serres participent significativement au rejet de gaz à effet de serre dans l’atmosphère. Qu’elle soit utilisée pour cultiver des légumes hors-saisons ou pour la floriculture, l’énergie pour la culture en serres – nécessaire au chauffage, à l’irrigation et à l’éclairage des plantes – contribue majoritairement aux 2 % de la demande énergétique mondiale liée à l’horticulture.

Des chercheurs des universités iraniennes de Shiraz et de Mälardalen, en Suède, ont analysé l’effet de la couverture des serres avec différentes configurations PV, sur la consommation d’énergie, d’eau et la croissance des plantes. Les résultats ont été publiés dans l’article Thermo-environomic assessment of an integrated greenhouse with an adjustable solar photovoltaic blind system, paru dans la revue universitaire Renewable Energy.

Les chercheurs ont modélisé les différentes configurations de panneaux solaires en utilisant le logiciel de simulation EnergyPlus, et en prenant des mesures de la structure de la serre étudiée. Cette dernière a été virtuellement recouverte de 14 modules PV en forme de damier, à un mètre au-dessus du toit. Les différentes configurations couvraient la surface du toit de 1,6 % à 22,4 %, avec un déploiement de 40 à 560 modules d’une puissance de 260 Wp et un rendement de conversion de 15,9 %. La serre mesure 77 mètres de long sur 53 mètres de large, pour une surface totale de 4 081 m², le toit comprenant sept travées avec une hauteur de gouttière de 6 mètres.

Le nombre magique

D’après les calculs des chercheurs, couvrir jusqu’à 19,2% du toit n’aurait pas d’impact significatif sur l’éclairage des cultures. Cette couverture réduirait la consommation de gaz naturel de 3,57 % et la demande d’électricité de 45,5 %, avec une baisse des émissions annuelles de CO2 de 30,56 kg/m2. Un système de tracker solaire pourrait permettre aux jardiniers d’ouvrir et de fermer les ombrières, afin d’améliorer la croissance des plantes ou la production d’électricité. Avec une telle installation, la production annuelle d’électricité a été modélisée à 42,7 kWh/m2. La configuration comportant le plus grand nombre de modules sur le toit était également celle qui présentait le taux d’autosuffisance le plus élevé, soit 46 %. Toutefois, cette configuration ne disposait pas de batteries, ce qui a permis de ramener le taux d’autosuffisance à 32 %. Avec la configuration d’une couverture de 19,2 % du toit, 65,5 % de l’énergie de l’installation photovoltaïque était exportée vers le réseau.

Le placement de modules au-dessus d’un toit comme « ombrage adaptatif » n’est pas nouveau. De nombreuses serres sont recouvertes de chaux, de feuilles de plastique et d’écrans thermiques pour optimiser les conditions de croissance. La structure Shiraz, utilisée comme référence, utilise une feuille de plastique pour faire pénétrer 87 à 90 % du rayonnement solaire tout en absorbant environ un tiers de la lumière ultraviolette.

Selon les chercheurs, une serre a en moyenne une demande énergétique annuelle de 100 à 300 kWh/m2, pour le refroidissement, le chauffage, l’éclairage et la ventilation. Le groupe Shiraz-Mälardalen a effectué une analyse complète des flux d’énergie. Avec des modules sur le toit, l’ombrage réduit l’évapotranspiration, l’un des principaux facteurs du bilan énergétique des serres. Il modifie l’enthalpie de l’air, décrivant la capacité de l’air à retenir la chaleur en fonction de sa teneur en vapeur d’eau et de sa pression.

Avec cette étude, les chercheurs n’ont constaté aucune différence significative de température et d’humidité entre les serres équipées de modules PV et la structure de référence. En termes d’éclairage, les serres modélisées où les panneaux solaires occupaient jusqu’à 17 % de la surface du toit n’ombrageaient pas suffisamment les roses. Alors que la configuration avec une couverture de 19,2 % du toit était idéale, les configurations occupant plus de 19,2 % de cette surface ne permettaient pas une lumière suffisante pour une croissance optimale des roses.

La serre étudiée est chauffée au gaz naturel. Avec un écran thermique cédant la place à l’installation d’un module PV, la chaleur pourrait s’échapper rapidement et nécessiter un chauffage nocturne plus important. Certains besoins de chauffage pourraient toutefois être évités en journée, lorsque l’ombrage partiel des modules offre la bonne quantité d’humidité et de maintient l’enthalpie de l’air.