Utilisation de cellules photovoltaïques pour les serres hydroponiques commerciales : étude de faisabilité

Les contraintes en eau et en terres entraînent une demande croissante de serres hydroponiques. Ces serres utilisent l'énergie solaire pour développer des cultures en milieu clos, mais leur utilisation présente également des aspects différents. L'étude présentée aujourd'hui mettra en lumière les aspects environnementaux et énergétiques de l'utilisation du photovoltaïque pour les serres hydroponiques dans la province d'Alborz.

Les serres sont répandues dans le monde entier en raison de leurs performances et de leur capacité d'adaptation à différents environnements. Ainsi, compte tenu des conditions géographiques et du climat aride et semi-aride, le secteur agricole iranien privilégie le développement des serres.

En termes de consommation d'eau et d'engrais, les serres hydroponiques sont plus efficaces que les serres traditionnelles. Elles produisent également de meilleurs rendements, mais leur consommation et leurs coûts énergétiques sont relativement plus élevés. Cela pose un problème majeur pour la culture pendant les saisons froides.

Ces dernières décennies, plusieurs serres ont utilisé des sources d'énergie non renouvelables comme le gaz naturel et le pétrole, entraînant une pollution environnementale par les gaz à effet de serre, le réchauffement climatique et les changements climatiques.

Étude du photovoltaïque pour les serres hydroponiques

Les chercheurs ont recueilli des données dans une serre de 3000 2 m². L'apport énergétique total dans cette serre était d'environ 8652.20 1 GJ/ha, les principales sources étant le gaz naturel et l'électricité. La productivité énergétique calculée était de 0.20 kg/GJ, et le ratio énergétique de 1.

L' analyse du cycle de vie (ACV) révèle que le gaz naturel est l'élément ayant l'impact le plus important . Les cellules solaires améliorent les indicateurs environnementaux et la production d'énergie de la serre. Pour la serre étudiée, environ 120 m² de cellules solaires sont nécessaires, couvrant seulement 4 % de la toiture.

Objectifs de l'étude Photovoltaïque pour serres hydroponiques

Cette recherche discutée ici a les objectifs suivants :

• Enquêter – Effets environnementaux et modèles de consommation d’énergie de la production de fraises en serre pendant la période de culture.
• Simulation d'un système PV – Calculer précisément la surface nécessaire aux panneaux pour alimenter la serre hydroponique en électricité. L'inclinaison des panneaux est également prise en compte.
• Analyse comparative – Analyser les charges environnementales dans une serre hydroponique avec et sans système solaire.
• L'eau Productivité Sommaire a également été étudié dans le cadre de l’étude.
• Rayonnement total sur une surface inclinée:Le rayonnement journalier moyen mensuel reçu sur les surfaces inclinées des panneaux a été calculé en considérant le rayonnement reçu sur une surface horizontale.

Détails de la région étudiée

Une serre commerciale de fraises hydroponiques de 3000 2 m² a servi de site d'étude pour cette recherche. Elle est située dans la province d'Alborz, en Iran. Les précipitations annuelles moyennes y sont d'environ 252 mm et la température moyenne enregistrée est de 14.1 °C. De plus, ce site est situé à 1300 XNUMX m d'altitude, ce qui permet de visualiser les perspectives internes de la serre pour l'étude.

Paramètres de consommation d'énergie pris en compte

Grâce à des visites directes et à des mesures des intrants consommés, la collecte de données pour la période de production 2021-2022 a été possible. À l'aide de coefficients énergétiques, les apports énergétiques totaux ont été calculés. Voici les apports physiques et leurs équivalents énergétiques du site d'étude.

• Travail humain:Leur apport énergétique a été calculé en fonction de leurs heures de travail pendant la période de production ainsi que des coefficients pertinents.
• Équipement fixe:Leur valeur énergétique a été calculée en tenant compte du poids de l'équipement. Les chercheurs ont utilisé la valeur moyenne par kilogramme et par an pour les équipements fixes (8–10 MJ kg−1 an−1).
• Électricité et Gaz NaturelLe phasomètre et le compteur de gaz ont permis d'enregistrer la consommation totale des deux sources pour les équipements fixes, l'éclairage et d'autres usages pendant la période de production. Ensuite, à l'aide de coefficients énergétiques, les chercheurs ont calculé l'équivalent énergétique.
• Engrais chimiques et biocides:En raison de leur pouvoir de contrôle des maladies, la demande pour ces matériaux a augmenté. Le total des engrais chimiques (nutriments primaires et secondaires) et des biocides (fongicides et insecticides) utilisés pendant la période de production avec leur équivalent énergétique a été calculé.
• Nylon:Il est utilisé pour couvrir la serre de l'extérieur, mais aussi à l'intérieur. Son poids et sa durée de vie utile ont été utilisés pour calculer la quantité de nylon enregistrée (poids) pendant la période de production. Le coefficient énergétique utilisé pour le calcul était de 60 MJ kg-1.
• Sortie:Il s'agissait de la quantité de fraises produites, dont le poids était pris en compte, ainsi que le coefficient énergétique. Cela permettait de calculer la quantité d'énergie produite.
• Indice de productivité de l'eau:Quantité d'eau utilisée par mètre cube pour produire 5 kg de fraises hydroponiques.

Points saillants : Modèle de consommation d'énergie dans les serres hydroponiques en Irak

• Travail humain: 19,200 1 h ha−XNUMX
• Gaz naturel: 119,693 3 m1 ha−XNUMX
• Engrais azotés: 423 kg ha−1
• Énergie totale requise (pour différents processus à l'intérieur de la serre) : 8652 GJ ha−1 (pour toute la période de production)
• Rendement moyen des fraises: 120 tonnes ha−1
• Énergie de production totale: 228 GJ ha−1
• Électricité totale consommée: 159,300 44,250 MJ (XNUMX XNUMX kWh)
• Consommation d'énergie d'entrée (Gaz naturel) : 5925 1 GJ ha−68 (XNUMX % de l’énergie totale consommée).
• Électricité:Chaque 10 unités générées par les panneaux nécessitent 1 unité d'énergie, 1 MJ (PV) = 0.1 MJ

Les indices énergétiques (production de fraises) dans les nouvelles conditions sont présentés dans la dernière colonne du tableau ci-dessous. Il est évident que le photovoltaïque améliore tous les indices énergétiques de la serre. Le ratio énergétique dans les nouvelles conditions était de 0.033, ce qui augmente grâce à l'utilisation de panneaux solaires.

Raisons de l'utilisation d'énergies non renouvelables dans les serres

En Iran, les prix bas du carburant entraînent une utilisation inefficace dans différentes industries. C'est la principale cause de la forte consommation de gaz naturel. Les systèmes de chauffage de la serre étudiée sont peu efficaces. Ils ne sont pas basés sur un système de chauffage intelligent et gaspillent donc d'importantes quantités de gaz. Le chauffage des serres représente généralement une consommation énergétique importante.

Solutions proposées

• Pour réduire la consommation de gaz naturelIl est conseillé d'utiliser des systèmes de chauffage à haut rendement. Ils seront également moins polluants.
• Pour réduire la consommation d'énergieIl est recommandé d'utiliser un écran thermique. Grâce à lui, l'espace autour des plantes à l'intérieur de la serre sera réduit. Ainsi, la pièce à chauffer la nuit sera moins importante. Cela optimisera également la consommation de combustible.
• Pour éviter les pertes de chaleur et améliorer l'isolation: Des matériaux à faible transfert de chaleur doivent être utilisés lors de la construction des murs et des toits des serres.
• Pour fournir le chauffage nécessaireLes capteurs solaires thermiques sont recommandés en raison de leur faible coût. De plus, un capteur géothermique est le moyen le plus efficace et le plus économique de chauffer une serre.
• Pour stocker la chaleur:Avec les matériaux à changement de phase, il est facile de stocker la chaleur pour la nuit.

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Simulation du système solaire sur le toit d'une serre

Comme mentionné précédemment, il est possible de remplacer la totalité de l'électricité utilisée dans la production de fraises par des énergies renouvelables. La surface de panneau nécessaire peut être calculée à partir de la consommation électrique (44,250 XNUMX kWh). Cette opération est réalisée en utilisant le rayonnement extraterrestre (Ho) et le rayonnement total (H) sur une surface horizontale, ainsi que les équations mentionnées.

Les résultats:

• Rayonnement total quotidien moyen (surface horizontale) : 10.9 MJ m−2
• Rayonnement (H) observé en juin: environ 29 MJ m−2 (le plus élevé)
• Rayonnement (H) observé en décembre: environ 9 MJ m−2 (le plus bas)
• Indice de clarté moyen annuel:% 63
• Épuisement du rayonnement solaire:% 27

Pente nécessaire

La dernière colonne indique le rayonnement solaire incident mensuel moyen par m² de cellule installée dans la serre étudiée. Celle-ci était inclinée à 35°48′ vers le sud. De ce fait, 2 7736 MJ d'énergie solaire peuvent être reçus annuellement par mètre carré de surface de panneau. Cette inclinaison permet d' accroître le rayonnement solaire reçu de 12 %.

Production d'électricité

L'étude indique que la consommation annuelle d'électricité est de 159,300 2 MJ . Pour produire cette quantité, environ 120 m² de panneaux sont nécessaires, soit 4 % de la surface de la toiture. Ceci sans compromettre l'éclairage et le chauffage à l'intérieur de la serre.

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Diverses études antérieures

Des chercheurs ont testé différentes méthodes et méthodes pour étudier la performance énergétique des serres équipées de cellules photovoltaïques. Leurs conclusions sont présentées ci-dessous :

Étude n ° 1

Au Japon, des chercheurs ont étudié l'influence de l'ombrage des panneaux photovoltaïques sur la croissance des oignons gallois. Deux types de configuration de panneaux solaires ont été testés. Ils ont constaté que la configuration en damier n'avait aucun impact significatif sur la croissance de la culture. En revanche, la configuration en ligne droite avait un impact positif et permettait de couvrir les besoins énergétiques de la serre grâce à des ressources renouvelables.

Étude n ° 2

Dans cette étude, les chercheurs ont cherché à déterminer l'impact des serres intégrant des panneaux solaires sur la production agricole. Les résultats se sont avérés positifs, démontrant que les panneaux photovoltaïques fournissent non seulement la quantité d'électricité nécessaire, mais réduisent également les besoins en irrigation des cultures.

Étude n ° 3

Cette recherche a porté sur la croissance des plantes et l'efficacité énergétique des panneaux photovoltaïques installés sur les toits. Deux modes d'installation ont été étudiés : l'installation fixe et l'installation à suivi solaire. Les résultats ont montré que l'installation à suivi solaire produisait davantage d'électricité que l'installation fixe. Elle peut donc fournir une quantité d'énergie significative à la serre.

Des chercheurs de l'université NMBU ont récemment découvert que de nouvelles bactéries pourraient réduire les émissions de gaz à effet de serre du secteur agricole.

Étude n ° 4

Une autre étude canadienne a examiné l'effet des panneaux photovoltaïques semi-transparents installés sur les toits de serres. Les résultats ont montré que ces panneaux provoquaient un ombrage intérieur, mais fournissaient également 43.7 % de l'électricité nécessaire à l'éclairage de la serre.

Étude n ° 5

Dans une étude, des chercheurs ont utilisé des capteurs solaires à air avec matériau à changement de phase (MCP) pour chauffer une serre. Ils ont conclu que la température intérieure des serres restait plus élevée, notamment la nuit, qu'avec un système de chauffage solaire classique.

Étude n ° 6

À Shiraz, en Iran, les conditions thermo-environnementales d'une serre équipée de panneaux solaires ont été étudiées. Quatorze configurations différentes ont été testées. Il a été conclu que l'éclairage de la serre restait inchangé, même lorsque 19.2 % de la toiture était recouverte de panneaux. Au contraire, la consommation de gaz naturel et les émissions de CO₂ ont été considérablement réduites.

Ainsi, diverses recherches sur les technologies solaires se sont concentrées sur un aspect précis : leurs performances et leur impact sur les serres. La plupart du temps, l'impact environnemental de ces technologies n'a pas été pris en compte dans ces études.

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Conclusion

L'objectif de cette recherche était d'évaluer les habitudes de consommation énergétique et de réaliser une analyse environnementale du site étudié. La serre hydroponique de la province d'Alborz a démontré la faisabilité de l'utilisation de cellules photovoltaïques pour la production d'électricité, en remplacement de ressources non renouvelables. Suite aux résultats de cette étude, les chercheurs ont tiré les conclusions suivantes.

La majeure partie de l’énergie consommée provenait du gaz naturel et de l’électricité.

• Les indices énergétiques montrent que la production de fraises en serre hydroponique est gourmande en énergie.
• Les résultats de l'ACV montrent que les dommages causés à l'écosystème et à la santé humaine sont dus aux équipements fixes et à l'électricité. Le gaz naturel est également le principal contributeur aux dommages causés aux ressources.
• Les résultats de l'étude de faisabilité de l'utilisation de l'énergie solaire dans la serre ont montré qu'environ 120 m² de cellules solaires peuvent fournir la quantité d'électricité nécessaire. De plus, leur installation sur le toit ne gênera pas l'éclairage intérieur de la serre.
• Grâce aux systèmes photovoltaïques dans les serres, la consommation d’énergie et les effets néfastes sur l’environnement peuvent être considérablement réduits.

Ainsi, grâce aux technologies photovoltaïques et aux techniques d'optimisation énergétique, les serres hydroponiques peuvent devenir plus économes en énergie. Cette recherche visant à démontrer l'efficacité du photovoltaïque pour les serres hydroponiques semble donc pertinente.

Source : Utilisation de cellules photovoltaïques pour une serre hydroponique commerciale