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Présentation thierry boulard - partie 1

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Présentation lors de la formation convertion à la culture hors - sol par le docteur Boulard INRA - FR

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    Présentation thierry boulard - partie 1 Présentation thierry boulard - partie 1 Presentation Transcript

    • Maîtrise du climat des serres Boulard Thierry, INRA-TEAPEA,400, route des Chappes, BP 167, 06903 Sophia Antipolis, France boulard@sophia.inra.fr 1
    • Introduction• L’Agro système Serre : une création récente et une vraie «succes story» qui offre l’avantage unique de permettre de maîtriser le climat des cultures. Historique et la diversité des modèles de serres. Quels sont les différents effets de serre (radiatif, confinement) ? Comment se forme le climat sous serre ? Quel est le rôle de laération? Quel est le rôle du refroidissement évaporatif et de la culture? Quelle est l’efficience du chauffage ? Quel est l’impact environnemental des serres ? 2 Quelles sont les différentes stratégies de cultures abritées ?
    • BREF HISTORIQUE DES SERRES En Europe, les premières serres furent considérées comme des instruments scientifiques et d’agrément destinées à l’acclimatation des espèces exotiques rapportées des régions méditerranéennes, tropicales et subtropicales. Faites pour économiser une énergie rare, leur design est toujours d’actualité 3
    • LAPRODUCTION DE MASSESOUS SERRE la production de masse sous serre a vu le jour dans les années 1950,simultanément dans les Flandres belges et aux Pays Bas. Les premières serres étaient recouvertes de verre et leurs surfaces se sonttrès rapidement développées dans les autres pays d’Europe du Nord et enFrance, principalement dans la ceinture verte des grandes agglomérations(Paris, Lyon, Orléans, Angers, …). Peu de temps après (début des années 60) les tunnels recouverts defilms plastiques naissaient dans la partie sud de la France (SerresFILCLAIR puis RICHEL & BN) et leurs superficies prenaient très rapidementl’avantage sur les serres en verre à cause de leur coût de revient plus faible etde leur polyvalence. Les surfaces de serre, principalement en plastique sesont ensuite développées très rapidement dans les autres pays du bassinméditerranéen, d’abord en Italie (années 70) puis en Espagne (années 80) etensuite dans tout le Moyen Orient et le Maghreb (années 1990).
    • Dans le reste du monde les serres en plastique se sont développéesparallèlement dans les pays «froids» d’Extrême Orient, au Japon d’abord (années70) puis en Corée (années 80) et surtout en Chine (Années 90 – 2000) où lasurface totale de serres est actuellement égale à celle du reste du monde. AuxUSA et au Canada, la surface de serre est restée très longtemps modeste et ce n’estque récemment (années 90 au Canada et 2000 aux USA) que l’on a assisté à undéveloppement important des surfaces de serre en verre et en plastique. Depuis le début des années 90 on observe une pénétration importante desserres dans les régions tropicales et équatoriales, d’abord sur les hauts plateauxde l’arc andin (Colombie, Pérou, Bolivie, etc) puis d’Afrique de l’Ouest ( Kenya, etc).Dans les deux cas il s’agit de serres florales dont la production est exportée surl’Europe et l’Amérique. Plus récemment, dans les années 90-2000, on a égalementobservé un développement considérable des serres dans des régions tropicales nonsituées en altitude comme c’est le cas en Chine, en Malaisie, en Inde et à Taiwan. 5
    • SITUATION DE L’AGRO SYSTÈME / MONDESERRE VERRE + PLASTIQUE, 1 049 000 hect en 2003 Total Extrême Orient (71%) Total Europe (20%) Total Afrique (2,5%) Total Moyen Orient (4%) Total Amérique du Nord (1,2%) Total Amériques Centrale & du Sud (2%) Actuellement, la surface de serres dans le Monde est d’environ 1million d’ hect dont 5% seulement de serres en verre. En Europe on compte environ 200 000 hectares de serre dont 6 un1/4 de serres en verre.
    • Répartition mondiale selon les climats Les serres, malgré leur Répartition Mondiale des Serres selon 3 grandes classes pénétration dans les de climat (1 049 000 Hectares) régions chaudes restent majoritairement implantées dans des Région Méditerranéennes (28 %) zones avec une saison froide, d’où la Régions Tempérées dEurope, persistance de la dAsie & dAmérique (60%) problématique du chauffage, Régions tropicales et sub particulièrement en tropicales (12%) une période d’énergie chère. 7
    • . . .PRODUCTIONAGRICOLE La surface de serresSOUS SERRE ET dans le monde , c’est environ 1 Million d’hectares,COMPETITION Soit 100 km x 100 km, qui produisent environ 40% desPOUR légumes frais dans le MondeL’OCCUPATIONDE L’ESPACE
    • Serres à couverture en verre Serres Venlo : standardisées, modulables 3,20 m Serre verre contemporaine Système de réserve d’eau chaude associé à la fumure carbonéeSerre verre des années80 9
    • Serres à couverture plastique Tunnel des années 70 Multichapelle des années 90Tunnel « gothique »des années 90 Multichapelle « high tech » des années 2000Mono-chapelle longue portée 10des années 2000
    • Serres CanariennesSerre Canarienne de bananiersprès d’Agadir au Maroc 6à7m Poteaux métalliques ou le plus souvent en bois 11
    • Serres horticoles plastiques des régions tropicales et sub-tropicales 2à3m 6à7m Serre plastique du sud chine4à 6m Serre plastique horticole colombienne 12 Serre multichapelle plastique de roses au Kenya
    • Serres «bioclimatiques» chinoises En 2002 la Chine comptait 700 000 ha de serres dont environ 170 000 ha de serres solaires «Bioclimatiques » adossées, principalement entre les 33eme & 47eme parallèles, (W. Jiang et al., 13 2004)
    • Caractéristiques des serres : les différents effets de serre L’effet de serre « radiatif » L’effet de serre « convectif » 14
    • EFFET DE SERRE RADIATIF (grande longueur d’onde de nuit)Frein au refroidissement nocturne de l’air: Typiquement d’1 ou 2 degrés. Ra Ra ½ Rt ½ Ra verre ½ Rt ½ Ra Rt Rt Bilan en plein air de nuit Bilan dans une serre en verre ou avec un plastique Infra Rouge de nuit Rnet = Ra-Rt Rnet = ½ Ra + ½ Rt-Rt Ra = 250 Wm2 Rt = 325 Wm2 Rnet = 125+ 162,5-325=-37,5 Wm2 Rnet = 250-325=-75 Wm2 *Rnet plastique = - 68,5 Wm2
    • EFFET DE SERRE CONVECTIF « enrichissement » diurne de l’air en chaleur, en vapeur d’eau et(courte longueur d’onde de jour) appauvrissement en CO2. Typiquement de plus de 10 °C L’effet de serre = Effet radiatif + Effet convectif 16
    • Climatisation naturelle « fabriquée » par la culture Mesures du climat de 2 serres avec et sans culture (tomate) en été : Sans culture Avec une culture • La serre avec culture est naturellement 10°C plus froide • La serre avec culture a Avec une culture naturellement uneSans culture humidité de 40% plus élevée 17
    • MICROCLIMAT CREE PAR UNE SERRE PAR RAPPORT AU PLEIN CHAMP Facteurs Modifications Rayonnement (solaire) Forte diminution (-25 à -50%) Nature du rayonnement Fortement diffus (plus de 50%) Augmentation du % du rayonnement IR Vitesse d’air Très forte diminution (divisée par 10 à 20 et même plus) Temp. Jour Forte augmentation Temp. Nuit Peux modifiée Temp. Sol Augmentation Humidité de l’air Forte augmentation, surtout de nuit Demande évaporatoire Très forte diminution (divisée par 2 à 4) Pluie Suppression 18
    • Spécificités de la serre : effets du rayonnemen1) Les cultures n’utilisent que 50% du rayonnement solaire • Sur le plan qualitatif : modification du spectre avec: – Coupure de l’IR lointain (Verre, PVC, PE Thermique) => effet de serre – Modification de l’UV et possible du PAR • Perspectives: coupure possible du Rayonnement Solaire dans l’IR proche 400 800 • En région chaude, l’idéal serait de laisser passer le Visible et de filtrer le PIR. UV Visible Proche IR 3% 47% 50%
    • Spécificités de la serre : effets du rayonnement2) captation et utilisation d’énergie coexistent mais en opposition de phase La Serre est un capteur et un utilisateur d’énergie thermique. Au pas de temps annuel, la capture d’énergie thermique excède du double les besoins de chauffage de l’hiver (ex: culture de tomate). 20
    • Spécificités de la serre : effets du rayonnementvisible Matériaux Transmission Réflexion Absorption τ (%) ρ (%) α (%) -Verre 90 5 5 - Polyéthylène (PE) 88 7 5 -Ethyl-vinyl- 82 10 8 acétate(EVA) Tableau 1 - Valeurs (%) des propriétés optiques dans le rayonnement visible des matériaux de serre les plus utilisés. 21
    • Spécificités de la serre : effets du rayonnementInfra Rouge (ou de grande longueur d’onde) Matériau Transmission Réflexion Absorption τ (%) ρ (%) α (%) - Verre 0 0 100 -PE 70 10 20 - EVA 15 10 75 Tableau 2 - Valeurs des propriétés optiques dans linfra rouge lointain pour les matériaux de serre les plus utilisés 22
    • Spécificités de la serre : Propriétés de la transmission durayonnement Transmission du Rayonnement • Direct, Diffus 1) transmission du diffus : isotropique => t constant 2) transmission du direct : t = f(angle incidence) i I t% 100 % tI i, 40 90 degrés⇒ La transmission globale va donc dépendre de la hauteur du soleil dans le ciel,en hiver elle sera de 45% environ, en été de 70% environ. 23
    • Spécificités de la serre : Hétérogénéité de la transmissiondu rayonnement selon l’orientation du faitage et le nombrede chapelles Hétérogénéité de la distribution du rayonnement solaire dans la serre selon l’orientation du faitage (35° Nord, 21 Décembre) 24
    • STo .V G= 2.Cd o .CM fG = Flux d’aération en m3/sSTo= Surface totale d’ouvrants (m2)V= vitesse du vent (m/s)Cdo= Coefficient de décharge de l’ouvrant (.) (supérieur à 1, typiquement = 1,7)CMf = coefficient multiplicateur du filet insect-proof (.) (supérieur ou égal à 1,typiquement = 1,7 pour un anti Bemisia)
    • STo .∆T .H G= 2.Cd o .CM fG = Flux d’aération en m3/sSTo= Surface totale d’ouvrants (m2)ΔT= Différence de température intérieure extérieure (°C)H=Différence de hauteur entre ouvrants hauts et bas (m)Cdo= Coefficient de décharge de l’ouvrant (.) (supérieur à 1, typiquement = 1,7)CMf = coefficient multiplicateur du filet insect-proof (.) (supérieur ou égal à 1,typiquement = 1,7 pour un anti Bemisia) 26
    • 0 m/s 1 m/sSans vent : effet cheminée Avec vent : effet vent et cheminée
    • Systèmes de chauffage localisés à bassetempérature Possibilité d’utiliser des eaux à basse température (pompes à chaleur, rejets industriels, énergie géothermique). Nécessite des investissements plus élevés pour les émetteurs de chaleur (↑S échange ) Economies d’énergie attendue de 10% environ par rapport à un chauffage haute ALIM NTATION températureR E AGRICULTU 28 ENVIRONNEMENT
    • Le Chauffage, conservation del’énergie : jusqu’où peut on aller ? Type de couverture Coefficient de Consommation déperdition K annuelle d’énergie (W m-2 °C-1) de chauffage Simple paroi 5,7 100% Simple paroi + écran 4,4 76% Double paroi 3,0 66% Double paroi + écran 2,5 63% Double paroi faible ε 1,6 54% Triple paroi faible ε 1,0 50% Puissance installée par m2 : P = K*ΔT K= coefficient de déperdition de la serre ΔT = Différence de température intérieure - extérieure 29
    • Les Défis du développement durable « les trois canons d’un développement durable : viabilité économique, équité sociale et durabilité écologique »1992Le sommet de la terre organisé par les Nations Unies à Rio de Janeiro (Brésil) les 3 et 4 juin 1992, aconsacré le développement durable et s’est traduit par plusieurs documents, et notamment :•La déclaration de Rio qui présente 27 principes pour établir un partenariat mondial sur une basenouvelle et plus équitable, • L’agenda 21, un programme d’actions planétaire pour le 21e siècle.
    • Des contraintes majeures pour les serressur le plan environnementale :- la consommation d’hydrocarbures fossiles (prix,épuisement, pollution, changement climatique)- la crise phytosanitaire (effet / santé humaine &l’environnement).-la consommation d’eau et les pollutions minérales
    • LES ETUDES D’IMPACT ENVIRONNEMENTAL DES SERRES Epuisement des ressources naturelles• On recense déjà de nombreuses 100 études sur ce thème Eutrophisation 80 Rechauffement global 60 40 Diminution de lozone• La majorité emprunte l’analyse en Acidification 20 0 atmosphérique cycle de vie (ACV) Oxydation photochimique Toxicité humaine• Agrégation des impacts + consommations selon 9 critères Ecotoxicité terrestre Ecotoxicité aquatique majeurs : Cultures en Sol Cultures Hors Sol
    • Conclusion de l’ACV de la production de tomate en France• Le chauffage des serres est responsable de 50 % à 90% de tous les impacts.• La production non chauffée (tunnels) a un impact environnemental 4 à 5 fois moindre.• La soutenabilité du système de production sous serre passe par la résolution du problème du chauffage.
    • Production éloignée et consommation locale: impact sur les consommation d’énergie de chauffage et de transportConsommation d’énergie pour Consommation d’énergie pourproduire une Tomate consommée produire une Tomate consomméedans l’état de New York en région parisienneTomate locale de 49,3 MJ/kg / Tomate locale de 31,6 MJ/kg /serre chauffée * production serre chauffée productionTomate locale de 3,4 MJ/kg / France **tunnel * production Tomate locale de 5,13 MJ/kg /Tomate importée 10 MJ/kg/ tunnel France** productionpar la route du transport Tomate importée 7,75 MJ/kg/Mexique (4000km)* par la route du transport Maroc (3100km) *•Reinhardt W., Albright L. and de Villiers D.S., 2008. Energyinvestments and CO2 emissions for fresh produce imported intoNew York State compared to the same crops grown locally. NewYork State Energy Research and Development Authority. Report08-10, USA. 34
    • Peut on concilier production sous serre et développement durable ?Grande diversité de systèmes de serre et bilans contrastés vis-à-vis du DDSystème Avantages Inconvénients - maîtrise des rejets minéraux -fortes consommation d’énergie non renouvelableSerre chauffée -maîtrise du climat - législations environnementales et sociales contraignantesdes régions -maîtrise des bioagesseurs / PBI - situation proche des centre detempérées consommation -main d’œuvre spécialisé, permanente -économie d’eau -non maîtrise des rejets minérauxSerre froide -faible consommation d’énergie non -non maîtrise du microclimat (T, HR,CO2)des régions renouvelable - problème de maîtrise des bio agresseurs & lutte -main d’œuvre abondante chimique + intenseméditerranéenn - législations environnementales et - main d’œuvre temporaire, non spécialiséees et sociales peu contraignantes - éloignement production/consommationsubtropicales -faible consommation d’énergie non -non maîtrise du microclimat (T, HR,CO2)Serre renouvelable -non maîtrise des bio agresseurs & lutte chimique -main d’œuvre abondante intensebioclimatique - forte synergie avec l’élevageChinoise - rapprochement production/consommation 35 - forte intensification
    • CONCLUSIONS• Les serres continuent de progresser rapidement au plan mondial• Très compétitives dans un contexte de raréfaction de l’espace, de l’eau et des ressources agricoles (Monde : 100km x 100 km).• Dans les pays européens, elles sont handicapées par leur image, la consommation d’énergie fossile, les distorsions de législation.• Des évolutions s’amorcent visant toutes à résoudre en priorité la question énergétique• Pour les productions distantes, la question du transport est un élément majeur ! ALIMENTATION AGRICULTURE ENVIRONNEMENT 36