209 - Efficacité énergétique des enceintes de production végétale

Afin de soutenir l’alimentation locale, de même que pour augmenter l’autonomie alimentaire du Québec, le Ministère de l'Agriculture, des Pêcheries et de l'Alimentation (MAPAQ) a lancé la stratégie de croissance du secteur serricole en 2020 avec l’objectif de doubler le volume de production du secteur d’ici 2025. Pour soutenir le développement des entreprises serricoles, certaines mesures sont instaurées dès 2020 : programmes d’aide financières pour construire de nouvelles serres et ou les moderniser, programmes de rabais sur l’électricité, mise en place de chaires ainsi qu’un programme visant à concevoir des solutions technologiques appropriées. La présentation porte sur la description du portrait global de la serriculture et de la production en bâtiments au Canada et au Québec. Il sera question de données statistiques concernant les superficies totales en serre, et, plus distinctement des fruits, légumes et productions ornementales, ainsi que l’évolution de leur répartition, vis-à-vis des superficies cultivées en serres, au cours des dernières années. Les moyens de développement seront également mis en lumière puisque le secteur serricole Québécois dispose de plusieurs leviers et opportunités. Toutefois, différents enjeux et défis sont à considérer si l’on souhaite que les efforts soient maintenus à long terme. En somme, l’objectif de l’intervention du ministère est de brosser un portrait du secteur serricole québécois et de le comparer aux secteurs canadiens et mondiaux.

La culture maraîchère en serre au Québec a vu sa superficie plus que doublé de 2010 à 2021 et constitue une avenue prometteuse pour renforcer l'autonomie alimentaire. Néanmoins, les risques et opportunités que les changements climatiques vont engendrer sur cette industrie sont encore mal connus au Québec. Dans le cadre de l’Action concertée - Programme de recherche sur les impacts économiques des changements climatiques du FRQ et MELCCFP, le projet vise à quantifier ces impacts sur la consommation énergétique et la productivité des serres, tant à l’échelle d’un seul producteur qu’à l’échelle provinciale.  L’objectif du travail présenté ici est d’obtenir un portrait de la consommation énergétique actuelle et future de la culture de tomates (46% du secteur au Québec) en se basant sur les projections climatiques SSP2-4.5 et SSP5-8.5 pour trois périodes futures s’étalant de 2011 à 2100. Pour ce faire, le modèle numérique libre d’accès GreenLight est employé pour simuler d’heure en heure la demande en énergie et la production en fonction des caractéristiques de la serre, du climat extérieur et des stratégies de contrôle. Les résultats serviront ultérieurement à créer un modèle technoéconomique qui aidera à formuler des recommandations sur les meilleures adaptations pour minimiser les coûts totaux.

L’essor de la production alimentaire locale à l’année au Québec a favorisé le développement des espaces d’agriculture en environnement contrôlé (AEC). Ils permettent la croissance des cultures en ajustant précisément les conditions climatiques intérieures. Les types d’espace AEC peuvent être très différent - serres passives, serres chauffées et espaces de production verticale en intérieur (EPVI) - et se distinguent par leur niveau de contrôle de l’environnement, leur efficacité énergétique et leurs impacts économiques.

Pour évaluer leurs performances, des indicateurs clés de performance (IDPs) sont couramment utilisés dans la littérature. Dû à la nature même des espaces d’AEC, ces IDPs se répartissent en deux grandes catégories : agronomiques (thermique, radiatif, rendement) et liés au bâtiment (thermique, énergétique). L’analyse de ces IDPs pour les espaces d’AEC permet d’identifier et de comparer des stratégies de gestion pour améliorer la productivité des cultures tout en minimisant les coûts et l’empreinte énergétique.

Cette présentation introduit les principaux IDPs utilisés pour évaluer les espaces d’AEC . Elle propose une méthode d’analyse standardisée de ces espaces fondée sur ces IDPs.

La production de fruits et légumes en serre offre une piste de solution intéressante pour la poursuite des objectifs québécois en matière d’alimentation locale et d’autonomie alimentaire. Toutefois, le contexte climatique de la province contribue aux besoins énergétiques importants de l’industrie serricole. La modélisation énergétique des serres permet de prédire leur consommation énergétique et d’explorer des stratégies pour la réduire. Par exemple, le modèle libre d’accès GreenLight simule le climat intérieur, l’utilisation des équipements et la croissance des plants d’une serre. Ce modèle, développé aux Pays-Bas, n’a pas encore été validé pour le contexte serricole québécois.  Ce projet s’intéresse donc à l’application de GreenLight à deux cas d’étude québécois. Il est calibré et validé à partir de données portant sur le climat intérieur pour chacune de ces serres, leur architecture, les équipements en place et les règles de contrôle utilisées. Il est ensuite utilisé pour comparer différents équipements, tels que des écrans thermiques, et évaluer leur potentiel en termes de réduction de la consommation énergétique, en vue d’optimiser l’utilisation de l’énergie dans les serres québécoises. Le modèle soutient le développement de systèmes énergétiques plus efficaces, et s'aligne sur les objectifs mondiaux de durabilité, favorisant l'adoption de meilleures pratiques agricoles.

Dans les dernières années, on assiste à l’essor d’activité serricole communautaire dans les zones nordiques, dont celles du Nunavik. Depuis 2017, une équipe franco-québécoise travaille à l’amélioration des conditions de cultures sous serres dans cette région en prenant en compte les contraintes locales . Les défis climatiques, caractérisés par une saison de culture courte et des écarts de température significatifs, ont conduit à la conception d'un système de stockage thermique d’énergie (STÉ) à base de lit de roche, mis en service en 2019. Ce système a été répliqué plus au Sud, à Radisson en 2022. 

Cette présentation mettra l’accent sur les performances de ces systèmes de STÉ ainsi que les enjeux en termes de contrôle et de commande.

Par ailleurs, les travaux entrepris dans le cadre de ce projet ont mené à une collaboration avec le CISA (Centre d’Innovation Social en Agriculture) pour la création d’un laboratoire sur l’étude de l’agroalimentaire en milieu nordique.

La voix de l'autosuffisance alimentaire passe incontestablement par l'agriculture en environnement contrôlé, car elle offre un climat ajustable en fonction du stade de croissance des cultures, ce qui permet d'augmenter à la fois les rendements et la qualité des produits. Toutefois, ces types de cultures sont réputés être énergivores. De plus, dans le contexte des serres, maintenir le microclimat aux seuils optimaux requis est un défi complexe, puisque les serres sont des systèmes non linéaires fortement perturbés par des facteurs externes incontrôlés.  Face à cette situation, les contrôleurs conventionnels génèrent des déviations par rapport aux points de référence, ce qui entraîne des surconsommations d'énergie en raison de leur incapacité à réagir de manière optimale aux perturbations. Pour résoudre ce problème, nous proposons un contrôleur basé sur un algorithme inspiré du principe d'optimalité de Bellman, qui permet de déterminer automatiquement la séquence de contrôle optimale pour réguler le microclimat de manière plus efficace. Les simulations montrent que cet algorithme offre des performances comparables à un contrôleur prédictif, tout en permettant une réduction de 67 % du coût total de contrôle par rapport à l'utilisation du MPC. Cette amélioration considérable en termes d'efficacité énergétique et de gestion des ressources marque une avancée importante dans le domaine de la régulation des serres agricoles.

La simulation énergétique des bâtiments permet de modéliser le comportement thermique d’un espace et d’évaluer différentes solutions d’efficacité énergétique. Pour les enceintes de production végétale, telles les serres et les fermes verticales, les échanges latents et sensibles entre les plantes et l'environnement intérieur sont des facteurs importants dans ce bilan énergétique. Ces dernières années, divers modèles de plantes ont été développés pour estimer ces échanges. Toutefois, leur intégration aux outils de simulation énergétique reste complexe, les rendant souvent inaccessibles aux concepteurs et gestionnaires d’enceintes de production végétale, en plus de nécessiter d’importantes ressources informatiques. Pour répondre à cette problématique, un modèle simplifié est proposé. Il repose sur des résultats générés à partir d’un modèle de laitues, formulé selon la méthode du bilan thermique, appliqué à diverses conditions intérieures dans différents climats du Québec. La méthode proposée s’appuie sur des hypothèses simplificatrices visant à réduire le temps de calcul tout en représentant de manière adéquate les charges sensibles et latentes des plantes. Ce modèle, qui génère des profils en fonction des conditions intérieures d’une serre, peut être facilement intégré à l’outil OpenStudio/EnergyPlus, disponible en libre accès.

L'optimisation de la gestion de l'énergie dans les serres est un défi majeur pour l'agriculture moderne, en particulier dans des régions comme le Québec, où les conditions climatiques varient considérablement. L’un des défis les plus critiques est l’identification et la gestion des anomalies, telles que les défaillances d’équipements, les capteurs défectueux et les variations anormales des conditions environnementales.

Cette recherche se concentre sur les approches basées sur l’apprentissage automatique et l’intelligence artificielle pour la détection et la gestion des anomalies en temps réel. En exploitant des modèles basés sur les données et des techniques d’optimisation avancées, nous visons à améliorer la fiabilité et l’efficacité des systèmes de contrôle des serres.

Notre méthodologie comprend la classification des anomalies, l’identification de leur origine et une analyse comparative des méthodes de détection existantes afin d’évaluer leur efficacité et leurs limites. Cette étude contribuera au développement d’un cadre amélioré pour la gestion énergétique des serres, intégrant une détection précoce des anomalies afin d’optimiser la performance du système et la durabilité de la production agricole.

Cette étude analyse l’impact des configurations d’éclairage LED intracanopée sur la productivité et la qualité des tomates (grendice) cultivées dans une serre commerciale en culture biologique, l’Abri Végétal (Compton, QC). Le système LED d’Hort Americas fournit un éclairage artificiel composé à 90 % de longueurs d’onde dans le rouge et 10 % dans le bleu. Quatre traitements ont été évalués : (1) absence d’éclairage supplémentaire, (2) une couche d’éclairage intracanopée par le bas, (3) une couche d’éclairage intracanopée par le haut et (4) deux couches combinées. Les résultats sur deux périodes de culture montrent une augmentation du rendement atteignant 60 % avec deux couches d’éclairage en automne et 50 % avec une seule couche par le bas en été. La qualité des fruits a également été améliorée, avec une augmentation de 19 % en Brix et 20 % en matière sèche. La vitesse de maturation a été réduite de 13 jours en automne. Sur le plan économique, l’éclairage LED a permis une amélioration du revenu net par un facteur de 4.3, pour la superficie de l’essai uniquement (54 m²). Une gestion optimisée de l’éclairage, combinant une activation dynamique et une adaptation saisonnière, a amélioré l’efficacité énergétique par rapport aux systèmes traditionnels. Ces résultats confirment l’intérêt des LED pour maximiser la productivité et la qualité des fruits tout en optimisant la consommation énergétique en serre nordique.

Les stratégies actuelles de contrôle climatique en serre sont souvent réactives, basées sur des seuils de température, d'humidité relative et de VPD, ce qui peut engendrer des retards et une consommation d’énergie inutile. Cette étude propose une méthode de contrôle prédictif optimisant la ventilation naturelle et la déshumidification mécanique pour une gestion plus efficace du climat interne.  En intégrant une modélisation prédictive, la méthode anticipe les variations de température, d’humidité et de VPD à partir des tendances en temps réel et du comportement du système. Plutôt que d'appliquer des règles fixes, elle ajuste de manière proactive la ventilation et la déshumidification. Cette approche est implémentée dans un modèle numérique sous TRNSYS, validé avec des données expérimentales d’une serre commerciale de tomates.  Les résultats montrent une amélioration du contrôle du VPD, portant la proportion de temps dans la plage optimale de 43 % à 61 %, grâce à l’intégration de la déshumidification mécanique lorsque la ventilation naturelle seule est insuffisante.

Les légumes cultivés en serre consomment beaucoup plus d’énergie que ceux cultivés en plein champ, ce qui pousse de nombreux producteurs à négliger les besoins en refroidissement, impactant les rendements. La gestion de l’humidité est un autre défi, notamment au Québec, où les serres utilisent la ventilation pour introduire de l’air extérieur à faible taux d’humidité afin de réduire l’humidité intérieure. Cependant, cette méthode accroît les besoins en chauffage, crée des zones froides et entraîne des pertes de CO₂, réduisant la productivité. L’énergie géothermique constitue une solution prometteuse pour offrir un contrôle climatique rentable dans les serres. Les échangeurs de chaleur sol-air (ECS) se démarquent parmi les technologies géothermiques grâce à leurs faibles coûts d’installation et d’exploitation. Les ECS sont composés de tuyaux installés sous la serre, qui captent l’énergie géothermique du sol pour réguler efficacement les conditions intérieures. Les ECS utilisent des ventilateurs pour faire circuler l’air de la serre ou de l’air extérieur à travers le système, où il est refroidi, chauffé ou déshumidifié selon les besoins. Ce processus stabilise la température et l’humidité tout en réduisant la consommation énergétique.  Bien que les ECS soient déjà utilisés dans certaines applications au Canada, leur adoption dans les serres est encore rare. Leur potentiel pour le refroidissement, la déshumidification et une partie du chauffage reste sous-exploité.

La gestion des résidus de cultures serricoles, notamment la biomasse issue de l’effeuillage hebdomadaire, représente un défi environnemental et économique majeur pour cette industrie. Ce projet explore la valorisation de ces résidus par digestion anaérobie afin de récupérer les nutriments et de les réintégrer dans les systèmes de culture. Pour cela, un digesteur anaérobie à l’échelle pilote, opérant en voie sèche, a été conçu pour traiter cette biomasse en co-digestion avec un engrais organique, la farine de luzerne. Les essais ont été réalisés en conditions thermophiles afin de maximiser la biodégradation et d’assurer l’assainissement du digestat. L’étude s’intéresse à l’optimisation des paramètres opérationnels, notamment la charge organique et le temps de rétention hydraulique, afin de garantir la stabilité du procédé. Les performances ont été évaluées en suivant la production de biogaz, la biodégradabilité du substrat et la qualité du digestat. Une surveillance à long terme a permis d’anticiper les effets des inhibiteurs et la variabilité des substrats. Le potentiel fertilisant du digestat a été analysé, incluant la stabilité de la matière organique et la présence de pathogènes. Cette approche s’inscrit dans une stratégie de gestion durable des résidus agricoles, réduisant les impacts environnementaux et favorisant l’économie circulaire en production serricole.

L’agriculture verticale en enceinte de production végétale intérieure (EPVI) a connu un essor important ces dernières années. Les fermes conteneurs, utilisant des conteneurs maritimes recyclés, offrent une solution innovante à cet enjeu. Les avantages mis en avant sont premièrement le faible coût de la structure, deuxièmement leur facilité de transport et leur modularité, et troisièmement la non-dépendance aux conditions météorologiques puisque le climat est artificiellement créé par les systèmes de Chauffage de Ventilation et de Conditionnement d’Air (CVCA).

Ce type d’EPVI peut donc être utilisé pour des cultures en zone urbaine, mais aussi  dans les régions éloignées ou hors réseaux, telles que les communautés du Nunavik et du Nunavut. Dans les FC, l’effet combiné de l’évapotranspiration des plantes et des apports énergétiques de l’éclairage engendre des besoins CVCA, principalement en déshumidification et en refroidissement. Ces besoins sont typiquement comblés par une unité de traitement d’air (UTA).

Cette étude évalue le potentiel d’un système de refroidissement visant à produire une puissance frigorifique par échange radiatif infrarouge avec la voûte céleste. Cette puissance est soit directement utilisée, soit stockée dans un dispositif combinant la technologie sensible et latente. Dans l’optique de la construction d’une ferme conteneur à l’ÉTS en 2026, cette recherche se focalise sur la conception du prototype de panneau de refroidissement radiatif.

Les serres jouent un rôle essentiel dans la production alimentaire au Canada, où les hivers rigoureux rendent l’agriculture en plein air impraticable. Cependant, leur forte consommation d’énergie, notamment pour le chauffage, représente un défi majeur. Cette étude explore l’utilisation de la chaleur industrielle résiduelle comme une solution de chauffage économique et durable.  Elle examine la disponibilité de cette chaleur dans divers secteurs industriels et évalue la surface de serre pouvant être chauffée grâce à cette ressource. Étant donné que l’offre de chaleur industrielle et la demande de chauffage des serres varient dans le temps, un réservoir de stockage thermique est mis en place afin d’assurer un chauffage stable.  Un modèle numérique d’un réservoir de stockage de chaleur, équipé de deux échangeurs de chaleur serpentins, est développé et intégré à GreenLight, une plateforme avancée de simulation des serres. Grâce à ce modèle, la surface de serre pouvant être efficacement chauffée par différents niveaux de chaleur industrielle résiduelle dans plusieurs zones climatiques est déterminée.  Cette étude apporte des informations précieuses pour optimiser le chauffage des serres grâce à la valorisation de la chaleur résiduelle, contribuant ainsi à des opérations plus énergétiquement efficaces et durables au Canada.

La Stratégie de croissance des serres au Québec 2020-2025 a stimulé l'expansion des surfaces cultivées sous serre. Pour maintenir une production alimentaire toute l'année, les serristes utilisent l'éclairage artificiel, en particulier en hiver, quand la lumière naturelle est insuffisante. Toutefois, l’utilisation d’éclairage artificiel vient augmenter la consommation énergétique liée à la culture en serre et, par effet rebond, augmente la charge du réseau électrique. Ainsi, lors de périodes hivernales extrêmes, des pics de consommation apparaissent et sont associés à des surcoûts pour les serricultrices et serriculteurs. Dans ce contexte, ces derniers peuvent renoncer à employer l’éclairage afin de ne pas dépasser des seuils de puissance, ou assumer des sommes substantielles pour éclairer durant les périodes non autorisées. Le but de ce projet est d’étudier l’impact de différents traitements lumineux sur le développement des cultures. Pour cela, une culture sera soumise à un traitement lumineux de référence, alors qu’une autre sera soumise à un traitement lumineux tenant compte des interruptions tout en conservant un DLI (daylight integral) équivalent. Ce travail présente la démarche employée et le protocole expérimental qui sera mis en place en chambre de croissance, à l’Université Laval.