Comment empêcher les tensions vagabondes de nuire au bétail dans les exploitations laitières équipées de systèmes photovoltaïques

D’après pv magazine International

Les tensions vagabondes correspondent à des différences de potentiel électrique non souhaitées dans l’environnement, souvent observées autour des équipements ou des systèmes de mise à la terre des exploitations laitières. Ce phénomène est dangereux pour les animaux, car même de très faibles courants électriques involontaires peuvent circuler à travers le sol, les équipements métalliques ou les points d’eau d’une étable, puis traverser le corps de l’animal.

Le bétail, notamment les vaches laitières, est particulièrement sensible à ce phénomène, car ces animaux se tiennent fréquemment sur des sols en béton humides et sont en contact étendu avec des machines de traite, des abreuvoirs ou des stalles métalliques, qui peuvent compléter un circuit électrique. Les vaches sont aussi plus sensibles que d’autres animaux en raison de leur masse corporelle. Étant de grande taille, elles présentent souvent une surface de contact plus importante avec les surfaces conductrices, ce qui augmente la probabilité que de faibles différences de tension fassent circuler un courant à travers leur corps.

Lorsqu’une tension vagabonde est présente, un animal peut recevoir une légère décharge électrique répétée lorsqu’il boit, mange ou est trait. Cela peut provoquer douleur, stress et anxiété, entraînant des changements de comportement tels qu’une diminution de l’alimentation, un évitement de l’eau ou une réticence à entrer dans les salles de traite. Avec le temps, ce stress peut réduire la production laitière, affecter la croissance et accroître le risque de problèmes de santé.

Incident dans une étable

Le média suisse RTS a récemment rapporté qu’environ 300 vaches étaient mortes dans le canton de Vaud, les tensions vagabondes étant soupçonnées d’en être la cause dans une étable où un système photovoltaïque avait été installé. Le reportage indique que le problème serait davantage lié à des installations électriques défectueuses ou mal conçues qu’aux panneaux solaires eux-mêmes. L’affaire a également été reprise par l’Union démocratique du centre (UDC), parti suisse de droite, qui a déposé une motion au Conseil national demandant un moratoire temporaire sur l’installation de panneaux solaires sur les étables.

« Jusqu’à présent, le photovoltaïque peut être exclu comme cause dans ce cas précis, affirme l’association suisse du photovoltaïque Swissolar à pv magazine. Des courants vagabonds peuvent apparaître avec toute installation électrique, comme les machines de traite. La cause doit être analysée et éliminée au cas par cas. Nous avons entendu parler d’autres cas en Suisse, mais aucun n’était aussi grave que celui mentionné par RTS ».

Des études suggèrent qu’un courant d’environ 2 mA peut parfois déclencher des réactions comportementales telles que des mouvements de sursaut, une réticence à boire ou l’évitement de certaines zones de l’étable. Toutefois, selon le MSD Veterinary Manual, seulement environ 2 % des vaches présentent de légères réactions comportementales à ce niveau, cette proportion augmentant jusqu’à environ 30 % lors d’une exposition de 4 mA entre le museau et le sabot, même si ces réactions ne se traduisent pas nécessairement par des effets plus larges sur la santé ou la productivité.

Point de vue vétérinaire

« Je n’ai jamais rencontré de cas liés à des installations solaires », indique pour sa part Ronald J. Erskine, auteur de l’article sur les tensions vagabondes dans le MSD Veterinary Manual, à pv magazine. Ronald J. Erskine, professeur au Michigan State University College of Veterinary Medicine, nous a expliqué que les panneaux solaires produisent du courant continu, tandis que les vaches sont surtout sensibles au courant alternatif. « Installer un système solaire n’est pas plus dangereux que d’installer une nouvelle pompe à lait ou un chauffe-eau dans une étable. Il faut simplement s’assurer que l’onduleur, qui transforme le courant continu en courant alternatif, est correctement câblé et mis à la terre par un électricien qualifié », a-t-il ajouté.

Ronald J. Erskine, qui intervient également comme expert témoin pour la défense dans des affaires de tensions vagabondes, affirme que la fréquence réelle du phénomène est très faible. « Les tensions vagabondes sont parfois accusées de problèmes qui peuvent en réalité avoir d’autres causes, indique-t-il. Il est important de procéder à un diagnostic différentiel rigoureux – essentiellement un travail d’enquête – surtout lorsqu’il s’agit de problèmes complexes et multifactoriels comme une baisse de la production laitière ou des boiteries ».

Il estime toutefois que, même rares, les tensions vagabondes existent bel et bien et ont, dans certains cas, causé des problèmes chez les bovins. « D’après mon expérience, dans la plupart des cas de tensions vagabondes, lorsque les vaches sont exposées à des niveaux de tension alternative supérieurs à 2 volts, il existe souvent un problème de câblage et de mise à la terre, en particulier au niveau du système d’abreuvement. Une autre cause se rencontre dans les anciennes étables rénovées, où le sol n’a pas été correctement mis à la terre pour gérer les tensions de pas », relate-t-il.

En 2021, une étude de terrain néerlandaise a examiné des signalements de comportements de regroupement inhabituels chez des vaches laitières aux Pays-Bas, les agriculteurs suspectant fréquemment des causes telles que les panneaux solaires, les lignes à haute tension, les systèmes de traite automatisés ou les tensions vagabondes. Après avoir comparé 31 exploitations touchées à 62 fermes témoins, les chercheurs ont observé des associations entre ce comportement et les étables récemment construites, la présence de ventilateurs et les signalements d’enquêtes sur les tensions vagabondes. Cependant, aucun lien de causalité n’a pu être prouvé pour ces facteurs de risque.

« Dans notre étude, nous n’avons trouvé aucune association avec la présence de panneaux solaires sur les toits. Les exploitations où les vaches présentaient un comportement anormal avaient autant de chances d’avoir des panneaux solaires sur leurs toits que les exploitations où les vaches se comportaient normalement, reconnaît Gerdien van Schaik, autrice correspondante de cette recherche et professeure d’épidémiologie vétérinaire à l’Université d’Utrecht. Cela ne signifie toutefois pas que les panneaux solaires ne peuvent jamais provoquer de problèmes de tensions vagabondes ».

Selon Andreas Iliou, propriétaire d’Elektro-Solar (Munich) PTIA Consultant (Phnom Penh), les problèmes de santé animale associés aux tensions et courants vagabonds ne sont pas causés par les modules photovoltaïques eux-mêmes, mais par l’infrastructure électrique dans son ensemble, notamment la conception de la mise à la terre, les liaisons équipotentielles et les interactions entre plusieurs systèmes tels que les onduleurs, les machines de traite et les réseaux de terre des bâtiments. « Des configurations de mise à la terre inadéquates, corrodées ou appliquées de manière incohérente peuvent créer des gradients de tension sur les surfaces conductrices, ce qui peut, dans certaines conditions, permettre à de faibles courants de fuite de traverser les animaux servant de chemins conducteurs », détaille Andreas Iliou à pv magazine.

Ce dernier ajoute que les bâtiments agricoles modernes reposent souvent sur des structures métalliques fortement interconnectées et des fondations en béton armé destinées à créer des zones équipotentielles. Toutefois, lorsque des systèmes électriques supplémentaires, tels que des installations photovoltaïques, sont ajoutés sans intégration soigneuse, l’équilibre global du réseau de mise à la terre peut être modifié. Dans ce cas, les courants peuvent se redistribuer par des chemins non prévus, en particulier là où l’humidité et les contacts métalliques augmentent la conductivité.

Autres cas

« J’ai rencontré plusieurs cas de problèmes de santé chez les vaches associés aux tensions vagabondes en Israël, en Irlande, en Allemagne et en Suisse, poursuit Andreas Iliou. Mais dans le cas israélien, le problème existait déjà avant l’installation du système photovoltaïque. Une maison située à environ 50 à 100 mètres de la salle de traite présentait un système de mise à la terre corrodé, permettant à de faibles courants de fuite de circuler à travers le réseau électrique de la ferme jusqu’à l’étable. Comme tous les appareils domestiques et équipements électriques continuaient à fonctionner normalement, le problème est d’abord passé inaperçu ».

Selon lui, la situation a changé après l’ajout des onduleurs photovoltaïques. Alors que les faibles courants de fuite peuvent rester relativement limités dans des installations conventionnelles, chaque onduleur peut introduire un courant de fuite supplémentaire en fonction de la taille et de la conception du système. Dans les grandes installations photovoltaïques, cela peut augmenter considérablement la quantité de courant circulant dans le réseau de terre. « Si le système de mise à la terre n’est pas correctement conçu, ces courants peuvent emprunter des chemins imprévus à travers les structures conductrices reliées à la salle de traite, notamment les grilles métalliques au sol et les fondations en béton armé utilisées comme systèmes de mise à la terre équipotentielle », décrit Andreas Iliou.

Un autre cas en Irlande implique un bâtiment d’élevage équipé de panneaux photovoltaïques en toiture. Selon Andreas Iliou, le système de mise à la terre n’avait pas été correctement réalisé au départ, et les modifications ultérieures se sont principalement concentrées sur l’installation photovoltaïque elle-même, sans évaluation complète de la structure conductrice sous-jacente du bâtiment, notamment les sols en béton armé et les piliers métalliques de soutien.

Par ailleurs, de nombreux bâtiments d’élevage modernes reposent sur de grandes structures en acier ou en fer interconnectées avec le système de terre. Dans ce cas, les courants de fuite liés à l’installation électrique étaient supposés circuler à travers les piliers métalliques et les poutres structurelles vers le sol. Les zones les plus touchées semblaient être les parties du bâtiment où les vaches se rassemblaient habituellement pour se reposer avant de retourner à la salle de traite ou aux zones de couchage.

Ainsi, Andreas Iliou affirme avoir observé que les vaches évitaient systématiquement certains coins du bâtiment, qu’il associait à des concentrations de courant plus élevées autour des supports structurels. Selon son interprétation, les poutres métalliques conductrices et les chemins de mise à la terre peuvent, dans certaines conditions, créer des zones localisées présentant une activité électrique accrue si le système de terre global n’est pas correctement équilibré et surveillé.

Il évoque aussi l’utilisation croissante d’abreuvoirs en acier inoxydable dans les installations d’élevage modernes. Bien que ces systèmes soient souvent adoptés pour des raisons d’hygiène, les surfaces métalliques conductrices peuvent, dans certaines conditions, rendre les animaux plus sensibles aux faibles différences de tension si les systèmes de mise à la terre ne sont pas correctement équilibrés. Dans ces cas, les vaches peuvent devenir réticentes à boire, à entrer dans les salles de traite ou à rester dans certaines zones de l’étable.

Enfin, l’humidité peut amplifier ces effets en réduisant la résistance électrique. Dans le cas israélien, des systèmes de refroidissement utilisant des pulvérisations d’eau et de grands ventilateurs ont été introduits pour améliorer le confort des animaux par temps chaud. Toutefois, Andreas Iliou affirme que l’humidité peut également augmenter la conductivité et rendre les faibles sensations électriques plus perceptibles pour des animaux déjà exposés à des irrégularités de mise à la terre. Selon lui, certaines vaches ont ensuite présenté des signes de stress ou des comportements d’évitement dans les zones concernées.

Déploiement correct du photovoltaïque

En fait, les systèmes photovoltaïques ne sont pas problématiques en eux-mêmes, mais ils ajoutent des composants électriques supplémentaires, notamment des onduleurs et de longues lignes de câbles, qui doivent être soigneusement intégrés au réseau de mise à la terre du bâtiment. Andreas Iliou estime qu’un mauvais cheminement des câbles, des pratiques de mise à la terre incohérentes ou une liaison équipotentielle insuffisante peuvent contribuer à des champs électromagnétiques plus élevés ou à des chemins involontaires de courants de fuite dans la structure.

« Les courants vagabonds peuvent provenir de nombreux systèmes agricoles conventionnels sans lien avec le photovoltaïque, notamment les pompes de traite, les circuits d’éclairage, les équipements de ventilation et les variateurs de fréquence utilisés dans les systèmes de traite modernes, concède-t-il. Ces dispositifs modulent continuellement les charges électriques et peuvent, dans certaines conditions, introduire des courants harmoniques ou des courants de fuite dans le système de terre ».

Le principal enjeu consiste donc à garantir que tous les éléments conducteurs de l’étable restent au même potentiel électrique grâce à des systèmes de mise à la terre maillés correctement conçus et à des schémas de terre coordonnés. Le spécialiste met toutefois en garde contre des pratiques telles que la déconnexion des conducteurs de terre pour réduire les valeurs mesurées de fuite, estimant que cela peut simplement rediriger les courants vers d’autres chemins conducteurs au lieu d’éliminer le problème de fond.

Certains agriculteurs du sud de l’Europe et du Moyen-Orient utilisent des systèmes de pulvérisation d’eau pour refroidir les modules photovoltaïques et améliorer leur rendement énergétique par temps chaud. Bien que cette pratique puisse améliorer les performances des modules dans certaines conditions, Andreas Iliou estime que l’humidité peut également accroître la conductivité autour des structures électriques et des systèmes de terre, amplifiant potentiellement les défauts de mise à la terre existants si les installations ne sont pas soigneusement conçues et entretenues.

Enfin, des cas distincts impliquant des chevaux hébergés dans des bâtiments équipés de panneaux photovoltaïques en toiture peuvent être évoqués. Dans ces situations, Andreas Iliou attribuait les comportements inhabituels des animaux à des champs électromagnétiques élevés générés par le cheminement des câbles et la configuration des onduleurs, plutôt qu’aux modules photovoltaïques eux-mêmes. La modification du cheminement des câbles et l’amélioration de la mise à la terre ont réduit ces effets et semblaient modifier la manière dont les animaux utilisaient différentes parties de l’écurie. « Obtenir un système correctement équilibré est techniquement exigeant et nécessite une planification minutieuse ainsi qu’une coordination de tous les éléments conducteurs du bâtiment », insiste Andreas Iliou.

Perspective plus large

Des cas impliquant des tensions vagabondes dans des infrastructures urbaines existent également. C’est le cas par exemple de situations dans lesquelles des systèmes ferroviaires, des cours d’eau voisins et des réseaux de mise à la terre de bâtiments étaient interconnectés, permettant involontairement aux courants électriques de se propager à travers les systèmes de terre et les réseaux conducteurs. Dans certaines anciennes installations, des conduites d’eau métalliques avaient été utilisées comme éléments du système de terre, entraînant d’importants flux de courant entre les bâtiments.

Ces systèmes avaient ensuite été repensés après des incidents impliquant de la corrosion et des décharges électriques involontaires lors de travaux de maintenance sur les infrastructures hydrauliques et électriques. Ces expériences ont donc conduit à des règles plus strictes interdisant l’utilisation des conduites d’eau comme électrodes de terre et avaient encouragé le développement de systèmes de terre dédiés dans les fondations des bâtiments.

Ces exemples historiques illustrent de fait la manière dont des réseaux de mise à la terre interconnectés peuvent involontairement transporter des courants importants à travers des bâtiments et des infrastructures. Des principes similaires s’appliquent aujourd’hui aux installations photovoltaïques agricoles, où plusieurs systèmes conducteurs doivent être soigneusement intégrés afin d’éviter des chemins de courant non souhaités.

Recommandations

« Installer des systèmes photovoltaïques sur des étables est tout à fait possible, mais cela nécessite une conception soignée. Ce n’est pas quelque chose qui doit être fait à la légère, car il existe de multiples interactions électriques et effets de mise à la terre pouvant affecter à la fois l’installation et les animaux, conseille Andreas Iliou. Lorsque des systèmes photovoltaïques sont ajoutés à une étable, la situation devient plus complexe. Tout l’environnement électrique du site change. »

Un autre facteur contributif réside dans les incohérences de conception. Certaines installations séparent physiquement les conducteurs positifs et négatifs ou modifient les pratiques de mise à la terre de manière à ne pas nécessairement réduire les fuites, mais plutôt à les redistribuer par différents chemins. « Cela peut involontairement aggraver les effets locaux des champs électriques au lieu de les résoudre, poursuit-il. La bonne approche n’est pas de supprimer la mise à la terre, mais de l’améliorer. Une installation photovoltaïque correctement conçue sur une étable devrait utiliser un système cohérent de liaison équipotentielle – essentiellement une structure de mise à la terre maillée bien conçue reliant le toit, les onduleurs, les infrastructures métalliques et la terre en un seul système contrôlé. »

Dans de nombreux cas, cela ne nécessite pas de mises à niveau coûteuses. Souvent, cela peut être réalisé en utilisant les surplus de câbles existants et quelques connexions supplémentaires mineures lors des visites d’installation ou de maintenance. L’impact sur le coût est généralement faible par rapport au coût global du système, mais l’effet sur la stabilité de l’installation peut être significatif. Le défi pour l’industrie est que la technologie photovoltaïque évolue rapidement, notamment la conception des onduleurs et de l’électronique de puissance, tandis que les pratiques d’installation et les normes de câblage accusent souvent un retard. Ce décalage peut conduire à l’application de concepts de mise à la terre obsolètes à des systèmes modernes.

« Il ne faut pas éviter les systèmes photovoltaïques sur les étables, conclut Andreas Iliou. Ils doivent plutôt être installés avec une attention particulière portée à la mise à la terre, à la liaison équipotentielle et au comportement électrique global du système. Avec une conception adéquate, les risques peuvent être maîtrisés et le système peut fonctionner en toute sécurité, tant pour la production que pour le bien-être animal ».

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