Serres géothermiques et passives – Réduire les émissions de carbone de l’agriculture

Abondance insoutenable

Un grand confort de la vie moderne est la possibilité d’obtenir des produits frais directement du supermarché à tout moment. Les produits frais nous attendent directement au supermarché. Dehors, il peut faire froid et la neige recouvre tout, mais nous trouvons toujours une abondance de tomates, de laitues et de fruits frais.

Cela, cependant, a un coût : émissions massives de carbone. Soit ces produits sont expédiés, le plus souvent par avion, depuis l’autre côté du monde. Soit 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 nos ancêtres faisaient, 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 qui utilisent de manière plus intelligente l’énergie de la Terre et du Soleil peuvent aider à réduire la dépendance aux combustibles fossiles pour cultiver nos approvisionnements alimentaires d’hiver.

Serres passives

Le principe essentiel d’une serre est de capter et stocker l’énergie thermique du soleil. En laissant les rayons du soleil entrer, en protégeant les plantes du vent et en retenant la chaleur, on augmente la productivité des plantes en allongeant la saison de croissance et en offrant des températures plus chaudes, stimulant ainsi la croissance végétale. C’est indispensable pour produire même des aliments « basiques » comme les tomates ou le paprika dans de nombreuses régions des États‑Unis, du Canada et de l’Europe.

Chauffage de la serre par rayonnement solaire – Source: Hydroponics simplified

Les serres passives poussent ce concept de base plus loin 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 est les gelées de courte durée qui tueraient des plantes fragiles comme les tomates. Augmenter l’inertie thermique de la serre réduit les pics de température maximale et minimale.

Une façon d’y parvenir est de faire en sorte que le côté nord de la serre ne soit pas en plastique ou en verre mais en briques ou en pierre. Le mur solide retiendra plus de chaleur et absorbera directement la chaleur du soleil pendant la journée. Il la réémettra ensuite vers l’intérieur de la serre la nuit, augmentant ainsi les chances de rester sans gel.

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

Serres passives chinoises – Source: Research Gate

Pour renforcer davantage l’effet du mur, une couche d’isolation, 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 peuvent également ajouter des barils d’eau et un puits de chaleur 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 aider.

Réduction des 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 une couverture sur le dessus de la serre chaque nuit. Initialement fait à la main, cela se fait maintenant plus couramment avec des systèmes automatiques.

Source: Research Gate

Des progrès supplémentaires pourraient être réalisés, notamment sur la ventilation, mais en tout cas, cette conception peut déjà fonctionner sans aucun combustible fossile et représente une composante majeure de la façon dont la Chine peut nourrir sa population de 1,4 milliard d’habitants.

Source: Research Gate

Serres géothermiques

Températures du sol

Les serres passives sont une amélioration radicale par rapport aux conceptions chauffées aux combustibles fossiles courantes en Occident, notamment aux États‑Unis ou aux Pays‑Bas. Mais dans le climat le plus rigoureux, cela peut ne pas suffire, surtout en cas d’hivers très nuageux et enneigés, où il peut y avoir des semaines entières pendant lesquelles une serre ne reçoit aucun soleil direct.

L’énergie géothermique est déjà utilisée pour chauffer les maisons grâce aux pompes à chaleur géothermiques. L’idée est d’installer un réseau de tuyaux profondément enfouis dans le sol, à un niveau où la température reste constante toute l’année. Ensuite, on utilise une pompe à chaleur pour extraire cette chaleur et garder la maison au chaud.

Source: energy.gov

Ce qui rend une pompe à chaleur géothermique supérieure à une pompe à chaleur aérothermique, 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 selon la région, ainsi que selon l’activité géothermique potentielle.

Conception géothermique simplifiée

Pour les serres, il n’est pas nécessaire d’utiliser une pompe à chaleur pour « concentrer » l’énergie du sol jusqu’à une température confortable pour les humains.

Rester plusieurs degrés au‑dessus du point de gel la nuit suffit, les moments où le soleil brille apportant les degrés supplémentaires nécessaires pour reprendre la croissance des plantes. De ces faits simples est née la notion 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 est alors circulé dans le tuyau, le réchauffe, puis est réinjecté dans la serre afin de maintenir l’air à l’intérieur au‑dessus de la température de congélation.

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

Simple est beau

L’avantage de cette conception est qu’elle est très efficace sur le plan énergétique. Le besoin de circulation d’air la rend légèrement active, car le système de ventilation nécessite une petite puissance électrique. Mais c’est une consommation d’énergie très faible comparée à toute autre forme de chauffage pour les serres.

C’est également une solution relativement peu technologique, le creusement requis pouvant être réalisé par une seule personne avec une pelle mécanique ou une excavatrice et n’étant nécessaire qu’une fois pour plusieurs décennies.

Enfin, la température moyenne stable sous terre signifie que le même système peut être utilisé pour refroidir les serres en été, ce qui pourrait également aider à augmenter la productivité des plantes pendant les mois estivaux, et/ou 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 les cultures et arbres sensibles au gel viables dans les régions nordiques. Des sources de chaleur géothermique plus puissantes pourraient être nécessaires pour atteindre une productivité optimale toute l’année.

Une option est les sources d’eau chaude et autres sources de chaleur du sol localisées (60‑150 °C / 140‑300 °F). Bien que difficile à mettre à l’échelle partout, il existe « des dizaines d’opérations de serres dans les États des Rocheuses et de la côte ouest qui sont chauffées par une énergie géothermique à température moyenne ». Les États‑Unis, mais aussi le Japon, le Canada, le Chili et d’autres régions avec des sources chaudes et une activité volcanique pourraient être de bons candidats pour développer ce type de serre.

Une autre option pourrait être le forage géothermique profond, creusant suffisamment pour accéder à des roches constamment réchauffées par l’activité géothermique de la Terre. Malheureusement, ces puits profonds sont, pour l’instant, très coûteux. Bien que certaines entreprises, comme Eavor, cherchent à résoudre ce problème pour la production d’énergie, il est peu probable que cela soit déployé pour la production alimentaire dans un avenir proche.

Conclusion

Les serres géothermiques restent un concept très novateur et fonctionnent au mieux lorsqu’elles sont combinées avec le concept de serre passive. Les serres passives sont maintenant en train de devenir plus courantes à l’échelle mondiale, suivant leur adoption massive en Chine.

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

Au moment de la rédaction de cet article, nous n’avons pas trouvé d’entreprise cotée en bourse spécialisée dans la construction de serres passives ou géothermiques. L’aspect « low‑tech » de cette technologie a peut‑être fait d’elle une solution peu « startup‑friendly », car très peu de propriété intellectuelle propriétaire a pu être développée.

Cependant, quelques kits sont disponibles auprès d’entreprises privées comme :

• Ceres Greenhouse Solutions (serres à haut rendement).
• SunCatcher (Serre solaire passive).
• Atmos Greenhouse Systems(Géothermie « batterie climatique »).

Il s’agit néanmoins d’une clé pour réduire la consommation de combustibles fossiles, ainsi que pour bâtir une économie plus résiliente, comme la crise qui a frappé la production de serres néerlandaises en 2022 l’a illustré. Le pays possède 24 000 acres de serres consommant 106 pétajoules par an, fournissant 21 % des poivrons, 20 % des concombres et 17 % des tomates cultivés en Europe.

Ainsi, cela pourrait devenir un nouveau secteur vert encore à développer à grande échelle, avec des systèmes standardisés pour réduire les coûts et augmenter l’efficacité et la fiabilité.