Serres géothermiques et passives – Réduire les émissions de carbone agricoles

Abondance non durable

L’un des grands conforts de la vie moderne est la possibilité d’obtenir à tout moment des produits frais directement au supermarché. Les produits frais nous attendent directement au supermarché. Dehors, il fait peut-être froid et couvert de neige, mais nous trouverons quand même une abondance de tomates, de laitue et de fruits frais.

Toutefois, cela se fait au prix de émissions massives de carbone. Soit ces produits sont expédiés, la plupart du temps par avion, depuis l’autre bout du monde. Ou encore, ils sont produits dans des serres chauffées, principalement maintenues au chaud avec du gaz naturel ou du propane.

Une option serait de renoncer à ce luxe. C’est ce que faisaient nos ancêtres, surtout dans les climats froids, en se nourrissant d’oignons, de pommes de terre, de carottes, de fromage, de cornichons et de viande salée ou fumée pendant l’hiver. Mais en réalité, ce n’est pas quelque chose que le consommateur moyen est prêt à faire.

Heureusement, de nouvelles conceptions de serres reposant sur une utilisation plus intelligente de l’énergie de la Terre et du Soleil peuvent contribuer à réduire le besoin de combustibles fossiles pour accroître notre approvisionnement alimentaire hivernal.

Serres passives

La conception essentielle d'une serre consiste à capter et à stocker l'énergie thermique du soleil. En laissant pénétrer les rayons du soleil, les plantes sont protégées du vent et conservent la chaleur. Cela augmente la productivité des plantes en allongeant la saison de croissance et en offrant des températures plus chaudes, stimulant ainsi leur croissance. C'est indispensable pour produire même des aliments de base comme les tomates ou le paprika dans de nombreuses régions des États-Unis, du Canada et d'Europe.

Chauffage de la serre par rayonnement solaire – Source : La culture hydroponique simplifiée

Les serres passives poussent plus loin ce concept de base en augmentant l'efficacité de chaque composant possible.

Masse thermique

La première idée est d’augmenter l’inertie du système. Le plus grand risque pour la culture en serre réside dans les gelées de courte durée qui tueraient les plantes fragiles comme les tomates. L'augmentation de l'inertie thermique de la serre réduit les pics de température maximale et minimale.

Une solution consiste à choisir un mur nord en briques ou en pierre, plutôt qu'en plastique ou en verre. Ce mur massif conservera davantage la chaleur et absorbera directement la chaleur du soleil pendant la journée. Il la restituera ensuite à l'intérieur de la serre la nuit, la protégeant ainsi du gel.

Cette conception a été déployée à grande échelle en Chine et fait désormais l’objet d’études dans la littérature scientifique.

Serres passives chinoises – Source : researchgate

Pour renforcer encore l'effet du mur, une couche d'isolant, souvent du polystyrène, est appliquée à l'extérieur du mur afin que la chaleur réémise reste à l'intérieur de la serre.

D'autres conceptions permettent également d'ajouter des barils d'eau et un dissipateur thermique très puissant, en contact avec le mur nord pour une inertie thermique encore plus grande. Des pierres autour des plantes et un sol en béton/pierre au centre de la serre peuvent également être utiles.

Réduire les pertes

Une autre option pour garder les serres plus chaudes la nuit est de réduire les pertes thermiques. Pour cela, les serres passives chinoises déroulent chaque nuit une couverture sur la serre. Initialement réalisée à la main, cette opération se fait désormais plus couramment avec des systèmes automatiques.

Source: researchgate

Des progrès supplémentaires pourraient être réalisés, notamment en matière de ventilation, mais dans tous les cas, cette conception peut déjà fonctionner sans aucun combustible fossile et représente un élément important de la manière dont la Chine peut nourrir ses 1.4 milliards d'habitants.

Source: researchgate

Serres géothermiques

Températures du sol

Les serres passives constituent une amélioration radicale par rapport aux modèles chauffés aux combustibles fossiles courants en Occident, notamment aux États-Unis ou aux Pays-Bas. Mais dans les climats les plus rigoureux, cela peut ne pas suffire, notamment en cas d'hivers très nuageux et enneigés, où des semaines entières peuvent s'écouler sans qu'une serre ne reçoive aucun soleil direct.

L'énergie géothermique est déjà utilisée pour chauffer les maisons grâce à des pompes à chaleur géothermiques. L'idée est d'acheter un réseau de canalisations en profondeur dans le sol, à un niveau où la température est constante tout au long de l'année. Ensuite, utilisez une pompe à chaleur pour extraire cette chaleur et garder la maison au chaud.

Source: énergie.gov

Ce qui rend une pompe à chaleur géothermique supérieure à une pompe à chaleur à air, du moins dans les climats froids, c'est que le groupe aura une température constamment au-dessus du point de congélation. La température exacte varie en fonction de la région, ainsi que de l'activité géothermique potentielle.

Une conception géothermique simplifiée

Pour les serres, nul besoin d’une pompe à chaleur pour « concentrer » l’énergie du sol jusqu’à une température confortable pour l’homme.

Rester plusieurs degrés au-dessus du gel la nuit suffit, les moments où le soleil brille apportant les degrés supplémentaires nécessaires à la reprise de la croissance des plantes. De ces faits simples est né le concept de serre géothermique.

L’idée est d’enterrer un tuyau suffisamment profondément pour que le sol environnant reste chaud toute l’année. L'air de la serre circule ensuite dans le tuyau, le réchauffe, puis est réinjecté dans la serre pour maintenir l'air à l'intérieur au-dessus du point de congélation.

Cette stratégie a été déployée dans les États américains aux hivers froids, comme Nebraska, pour cultiver localement des agrumes, des figues ou du raisins.

Le simple est beau

L’avantage de cette conception est qu’elle est très économe en énergie. Le besoin de circulation de l’air ne le rend pas entièrement passif, car le système de ventilation nécessite une certaine énergie électrique. Mais c’est une consommation d’énergie très faible par rapport à toute autre forme de chauffage pour serres.

Il s'agit également d'une solution relativement peu technologique, le creusement requis étant réalisable par une seule personne avec une pelle rétrocaveuse ou une excavatrice et n'étant nécessaire qu'une seule fois pendant plusieurs décennies.

Enfin, la température moyenne stable sous terre signifie que le même système peut être utilisé pour refroidir les serres en été, contribuant ainsi potentiellement à augmenter la productivité des plantes pendant les mois d'été et/ou à réduire la consommation d'eau.

Autre chauffage géothermique

La serre géothermique de base est une bonne solution pour allonger la saison de croissance ou rendre viables les cultures et les arbres sensibles au gel dans les régions nordiques. Des sources de chaleur géothermiques plus puissantes pourraient être nécessaires pour atteindre une productivité optimale tout au long de l’année.

Une option consiste à utiliser des sources chaudes et d'autres sources de chaleur localisées au sol (60-150°C / 140-300°F). Bien qu’il soit difficile de l’étendre partout, il existe des «des dizaines de serres dans les États des Rocheuses et de la côte Ouest qui sont chauffées par l'énergie géothermique à température moyenne.» Les États-Unis, mais aussi le Japon, le Canada, le Chili et d’autres régions dotées de sources chaudes et d’activité volcanique pourraient être de bons candidats pour étendre ce type de serre.

Une autre option pourrait être le forage géothermique profond, creusant suffisamment profond pour accéder aux roches réchauffées en permanence par l'activité géothermique terrestre. Malheureusement, ces puits profonds sont, pour l'instant, très coûteux. Si certaines entreprises, comme Eavor, cherchent à résoudre ce problème pour la production d'électricité, il est peu probable que ce soit déployé prochainement pour la production alimentaire.

Conclusion

Les serres géothermiques sont encore un concept très nouveau et fonctionnent mieux en combinaison avec le concept de serre passive. Les serres passives sont désormais de plus en plus répandues à l’échelle mondiale, suite à leur adoption massive en Chine.

Il est donc probable que les serres géothermiques deviendront la prochaine étape pour rendre la chaîne alimentaire plus localisée et plus résiliente tout en réduisant la dépendance aux combustibles fossiles.

Au moment de la rédaction de cet article, nous n'avions trouvé aucune entreprise cotée en bourse spécialisée dans la construction de serres passives ou géothermiques. Le caractère « low-tech » de cette technologie la rendait peut-être peu adaptée aux startups, car très peu de propriété intellectuelle pouvait y être développée.

Néanmoins, certains kits sont disponibles auprès d'entreprises privées comme :

• Solutions de serre Ceres (serres à haut rendement).
• Attrape-soleil (Serre solaire passive).
• Systèmes de serre Atmos(« Batterie climatique » géothermique).

Il s’agit néanmoins d’un élément clé pour réduire la consommation de combustibles fossiles, ainsi que pour construire une économie plus résiliente, ainsi que la crise qui frappe la production sous serre aux Pays-Bas en 2022 illustrée. Le pays compte 24,000 XNUMX acres de serres consommant  106 pétajoules par an, fournissant 21 % des poivrons, 20 % des concombres et 17 % des tomates cultivées en Europe.

Cela pourrait donc devenir un nouveau secteur vert qui n’a pas encore été développé à grande échelle, avec des systèmes standardisés pour réduire les coûts et accroître l’efficacité et la fiabilité.