Techniques de gestion des opérations sur le terrain
Dans une ferme verticale, plus de LED ne signifie pas toujours plus de profit : jusqu'où pousser le PPFD dépend du prix de l'électricité
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« En fin de compte, combien faut-il en donner à ma laitue ? » La question sur le PPFD se pose presque toujours sous cette forme. Mais l’hypothèse même qu’il existe un chiffre unique mérite d’être remise en cause. Plus on pousse la lumière, plus la part de l’électricité qui se convertit en poids de légumes s’efface silencieusement. Donc « combien en donner » ne se décide pas selon les besoins de la culture, mais selon le prix de l’électricité au moment T. Le PPFD optimal se trouve du côté de la facture d’énergie, pas du côté de la plante.
Pourquoi « plus de PPFD est toujours mieux » se retourne contre vous en fin de mois
L’an dernier, vous avez peut-être décidé de vraiment monter d’un cran la luminosité sur une étagère. En hydroponie centrée sur la laitue, vous avez poussé l’éclairage que vous régliez jusque-là autour de 200 (μmol/m²/s) vers près de 300, dans une logique offensive. La récolte augmente. Le poids et l’aspect s’améliorent. « Monter, c’était bien le bon choix », vous vous dites — jusqu’à ce que vous voyiez la facture d’électricité en fin de mois. Et là, vous tiquez. Vous avez multiplié la lumière par 1,5, mais le rendement n’a pas suivi dans les mêmes proportions. En soustrayant le surcroît d’électricité du surcroît de chiffre d’affaires, ce qui reste dans la poche est en réalité plus faible qu’avant. Certains mois se passent ainsi. Dans mon expérience de suivi des cultures de laitue en hydroponie en culture indoor, j’ai vu la même scène se reproduire maintes fois : on pousse fort et la marge se réduit au lieu de grossir.
Ce qui rend la chose délicate, c’est que ce n’est pas pareil tous les mois. Quand l’électricité est bon marché, ce réglage agressif paraît largement positif, mais dès que le tarif unitaire remonte, ce même réglage devient soudainement pesant. Même étagère, même variété, même lumière, et pourtant « c’est le bon réglage » et « c’est trop » s’échangent leurs places d’un mois à l’autre. C’est dans ce paradoxe que réside toute la logique.
D’abord, la relation entre lumière et rendement n’est pas proportionnelle. En partant d’un niveau bas, ça monte vite au début, mais plus on monte, plus le gain obtenu en ajoutant encore 100 de luminosité devient petit. Pour les légumes-feuilles, à partir d’une certaine intensité, l’efficacité avec laquelle la lumière ajoutée se convertit en rendement commence à chuter. Passer de 200 à 300 donne 1,5 fois la lumière, mais le rendement n’arrive pas à ce niveau. Ce n’est pas une erreur de réglage ; c’est ce que cette courbe produit naturellement. Dans une expérience contrôlée sur laitue, en montant le PPFD à travers 200, 400 et 750, le poids frais par mol de lumière est passé de 29 à 27 puis à 21 g (voir 1). Le rendement absolu continue de croître jusqu’à 750. Mais l’efficacité avec laquelle ce même 1 mol de lumière se convertit en légume diminue à mesure qu’on monte en intensité.
La facture d’électricité, elle, suit presque en ligne droite. Ajoutez 100 et c’est à peu près tout ce montant qui s’ajoute. Donc le surcroît de chiffre d’affaires « ralentit progressivement », tandis que le surcroît d’électricité « monte en ligne droite ». Superposez les deux et il apparaît un point où « le surcroît de recette des 100 watts suivants » et « le coût en électricité des 100 watts suivants » s’équilibrent exactement. C’est le point d’arrêt. En deçà, il vaut encore la peine d’ajouter ; au-delà, plus on ajoute, plus la marge se resserre.
Selon les conditions, au-delà d’une certaine plage de luminosité, le rendement lui-même cesse de progresser. Dans une expérience sur laitue et basilic, ajouter de la lumière faisait croître la culture jusqu’à environ 250 μmol, mais au-delà les gains disparaissaient presque (voir 2). La lumière au-delà de cette plage n’a presque pas d’effet sur le rendement, et pourtant vous payez le coût en électricité en entier. Cela dit, la position où ce plateau apparaît se déplace selon la concentration en CO2 et la température. Apportez suffisamment de CO2 et le plateau recule. Plutôt que de mémoriser le chiffre absolu « 250 », mieux vaut observer où ce plateau se situe dans votre propre installation. Que le point d’arrêt existe comme un chiffre réel ne change pas.
Et voici l’essentiel : ce point d’équilibre se déplace latéralement quand le prix de l’électricité bouge. Un mois où l’électricité est chère, la courbe « prochain coût en électricité » se raidit, donc le point d’équilibre se rapproche. C’est pourquoi les 300 qui étaient justes auparavant semblent soudainement excessifs. Un mois bon marché, la courbe est douce, donc ces mêmes 300 sont clairement rentables. L’étagère, la variété, la lumière — rien n’a changé, et pourtant le verdict s’inverse — parce que ce qu’on n’a pas touché, le tarif unitaire, est précisément ce qui a bougé. Essayez de mémoriser le PPFD optimal comme un chiffre unique et vous serez forcément dans l’erreur un certain mois. Ce qu’il faut retenir, ce n’est pas le chiffre mais le comportement : « quand le tarif monte, le point d’arrêt se rapproche ; quand il baisse, il s’éloigne. »
Cela dit, avant d’en venir à cette discussion sur le tarif, il y a une chose à vérifier. Quand ajouter de la lumière cesse d’améliorer le rendement, la cause se trouve-t-elle vraiment du côté de la lumière ? La lumière ajoutée peut ne pas fonctionner parce que le CO2, la circulation d’air ou la température est devenu le facteur limitant en premier. Si ajouter du CO2 repousse le plateau, c’est le CO2 qu’il faut ajuster, pas la lumière. Si la circulation d’air est insuffisante et que les échanges gazeux sont bloqués autour des feuilles, commencez par faire circuler l’air. Ce n’est qu’après avoir confirmé que la limite se situe du côté de la lumière qu’on passe à réduire ou augmenter la lumière selon le tarif. Inversez l’ordre et vous ne faites que couper la lumière en laissant la vraie cause en place.
Quand le tarif monte, de combien faut-il réduire la lumière ?
Si l’électricité augmente de 10 %, baisser le PPFD de 10 % suffit-il à rééquilibrer ? Ou peut-on réduire moins, ou faudrait-il réduire plus ? On aimerait avoir une règle générale.
Pour aller droit à la conclusion : cette règle générale unique ne peut pas être établie. La fabriquer et la mémoriser donnera presque toujours de mauvais résultats. L’ampleur de la réduction à apporter varie beaucoup selon où vous vous situez actuellement. Par « où », j’entends : si vous ajoutez encore un cran de lumière au-dessus de votre intensité actuelle, le rendement bondit-il, ou bouge-t-il à peine — autrement dit, à quel endroit vous vous trouvez sur la « courbe dont la réponse s’atténue à mesure qu’on monte » évoquée à la section précédente.
Supposons que vous fonctionnez actuellement à un niveau assez agressif, où ajouter de la lumière ne fait presque plus bouger le rendement — sur la partie aplatie de la courbe. Dans ce cas, même une légère hausse du tarif unitaire déplace fortement le point d’arrêt vers vous. La lumière à cet endroit, « le coût en électricité, lui, s’applique en totalité, mais elle ne rend qu’un filet de retour ». C’est la première lumière à couper dès que le tarif devient pesant. Si vous êtes là, une hausse de 10 % justifie une réduction assez importante.
À l’inverse, si vous êtes encore en zone modérée, sur la partie montante où ajouter de la lumière entraîne le rendement ? La lumière dans cette zone fonctionne bien cran par cran, donc une hausse de tarif de 10 % déplace à peine le point d’arrêt. Réduire dans la précipitation revient à jeter une lumière qui fonctionnait bien. Si vous êtes là, mieux vaut ne pas trop réduire. Pour la même « hausse de 10 % », le premier cas réduit beaucoup et le second presque rien. L’écart est de cet ordre.
Donc, avant de chercher un aide-mémoire en pourcentages, il y a une chose à faire. Modifier la lumière d’un seul cran dans votre propre installation et mesurer une fois correctement dans quelle mesure le rendement bouge. Une fois que vous savez ça, vous voyez « suis-je du côté plat, ou sur la partie montante ? » La façon de vous ajuster en découle alors naturellement.
Ne compliquez pas trop la mesure. Pour une étagère, montez (ou baissez) le PPFD d’un seul cran, et comparez le surcroît de recette — le surplus de rendement multiplié par le prix de vente — au surcroît de coût — la puissance supplémentaire multipliée par le tarif unitaire. Si le surcroît de recette est inférieur au surcroît de coût, ce cran est allé trop loin, donc revenez en arrière. Faites tourner ça une fois à chaque variation de tarif et le point d’arrêt de votre installation apparaît comme un chiffre par unité de surface pour ce mois.
Cela dit, laissez-moi ajouter une chose en toute honnêteté. Que le surplus de rendement se vende réellement est une question à part. Si votre contrat fixe le prix et que le surplus part à prix réduit, ou s’il sort des spécifications et est mis au rebut, traitez ce surplus de recette comme zéro. Dans le cas où une seule feuille touchée par le tip burn fait sortir toute la pomme des spécifications, le surplus de rendement n’atteint jamais votre résultat net. Le point d’arrêt se retrouve alors bien en deçà du point calculé. Mesurez en « poids qui a poussé et vendu », pas « poids qui a poussé ». Confondre les deux donne le même décalage : ça s’additionne sur le papier, mais la marge reste faible.
Et le tarif unitaire ne bouge pas seulement d’un mois à l’autre, mais aussi au sein d’une même journée. Si l’électricité nocturne est bon marché, livrez le même volume de lumière quotidien total (DLI) en le concentrant sur ces heures creuses. Même sur un site à contrat annuel où le tarif mensuel ne bouge pas, c’est la forme la plus pratique de « laisser le tarif décider de la distribution » — utilisable chaque jour indépendamment du contrat. Ce qu’on modifie ici, c’est le timing et la répartition de l’éclairage, pas le ratio jour/nuit lui-même (pour ne pas entrer en conflit avec la notion d’horloge biologique évoquée plus loin, pensez-y comme : maintenir le rythme jour/nuit stable tout en concentrant sur les heures creuses).
Que ce « redessiner selon le tarif » ne soit pas que de la théorie ressort aussi des publications. En adaptant quotidiennement les schémas d’intensité lumineuse pour suivre des prix d’électricité fréquemment variables, le coût en électricité d’éclairage a été estimé en baisse d’environ 10 % sans diminution du poids marchand du basilic, pak-choï, roquette et épinard, et le maintien du poids marchand a été confirmé dans une expérience de culture réelle (voir 3). Le chiffre de réduction lui-même est une estimation de modèle, tandis que l’absence de baisse du rendement a été démontrée dans une expérience de culture distincte — c’est cette combinaison. Il est possible de faire bouger le coût en électricité pour suivre le tarif sans sacrifier le rendement. La valeur de redessiner le point d’arrêt plutôt que de le fixer est démontrée à la fois par l’estimation de modèle et par l’expérience de culture.
Pas seulement l’intensité : la distribution est un second axe
Jusqu’ici, nous avons raisonné sur un seul axe — « à quel PPFD régler », l’intensité de la lumière. Mais en pratique il y a aussi un choix de « distribution » : livrer le même volume de lumière quotidien total fort et bref, ou faible et long. Dès qu’on intègre la durée d’éclairage, la façon de chercher le point d’arrêt change aussi.
Même à DLI identique, répartir faiblement et longuement peut développer la culture plus qu’une livraison forte et brève. Dans une expérience sur laitue et mizuna, en maintenant le même total de lumière et en prolongeant les heures d’éclairage tout en baissant le PPFD, la croissance aérienne a progressé respectivement d’environ 16 % et 18,7 % (voir 4). Sur la même électricité, le rendement varie selon la distribution. Il vaut donc la peine de réfléchir non seulement à « où s’arrêter en intensité » mais aussi à « comment distribuer cette électricité ».
Cela dit, faible et long n’est pas non plus une solution universelle. Prolonger l’éclairage, c’est occuper l’étagère d’autant plus longtemps, donc le roulement ralentit. Pour une étagère où l’on veut expédier même un jour plus tôt et enchaîner la fournée suivante, ce n’est pas anodin. Pousser la croissance fort peut aussi provoquer le tip burn — ce symptôme où les bords des feuilles sèchent — et le rendement qu’on a travaillé à augmenter se fait grignoter par des feuilles abîmées. Cela aussi peut arriver.
Il vaut donc mieux traiter l’intensité (PPFD) et la distribution (photopériode) comme des leviers distincts. Le point d’arrêt devient aussi quelque chose à chercher dans la combinaison de ces deux variables plutôt qu’un point unique sur une seule ligne. Les indicateurs à surveiller augmentent en conséquence : rendement et coût en électricité, plus tip burn et rotation des étagères — quatre. Quand vous modifiez la distribution, ne vous arrêtez pas à regarder le rendement seul et à conclure « ça a monté » ; regardez comment les quatre ont bougé ensemble. En faisant ça, vous apprendrez progressivement à distinguer les moments où il faut pousser en intensité de ceux où il faut gagner avec la distribution.
Choisir l’équipement selon son efficacité lumineuse (µmol/J), pas selon la luminosité
Jusqu’ici il s’agissait des réglages quotidiens, mais cela se connecte aussi à ce qu’on fait pour l’équipement. Quand vient la question de remplacer les LED ou d’ajouter un niveau de rayonnage supplémentaire, on est tenté de penser « si je les remplace, autant prendre un modèle plus lumineux » ou « si j’ajoute, quelque chose qui produit plus de lumière ». Cette façon de choisir est risquée. Quand on choisit un équipement, qu’est-ce qu’il faut regarder à la place de la luminosité absolue ? Le point d’arrêt quotidien et l’investissement qui se chiffre en centaines de milliers d’euros peuvent-ils se penser avec le même critère ? Voyons ça clairement.
Ce qu’il faut regarder pour choisir un modèle, ce n’est pas la luminosité absolue. Ce qu’on regarde, c’est « combien de watts ça consomme pour produire ce même 1 de lumière » — c’est-à-dire l’efficacité lumineuse, la lumière produite par watt consommé. Même à PPFD identique, un modèle efficient peut le produire avec moins de puissance. Alors « le coût en électricité des 100 watts suivants » devient plus léger, donc le point d’équilibre — le point d’arrêt — recule. On pourrait tout aussi bien dire : plus de récolte sur la même électricité. Donc il est logique d’aligner les modèles par « efficacité lumineuse », pas par « luminosité ».
Cela dit, je dois ajouter une mise en garde honnête ici. Il est souligné que les valeurs d’efficacité des LED mesurées en laboratoire ne donnent pas forcément les mêmes chiffres sur le terrain (voir 5, 6). Supposer « passer à un modèle efficient, problème réglé » avec le même réflexe que « passer à un modèle plus lumineux, problème réglé » est, là encore, risqué. Comme on le verra en décomposant par postes de coût, l’effet, ramené à l’ensemble des coûts, est moins important qu’on ne le croit et fait rarement une différence assez grande pour tout renverser. Mieux vaut calibrer ses attentes à ce niveau.
Par ailleurs, le critère d’investissement et le point d’arrêt quotidien sont-ils des choses séparées ? Ils sont dans la continuité l’un de l’autre. Si le jugement quotidien consiste à voir « la lumière peut-elle rembourser le coût en électricité des 100 watts suivants avec le rendement qu’elle produit », le jugement d’investissement consiste simplement à voir « en combien d’années l’augmentation de rendement qu’elle produit rembourse-t-elle la différence de prix de cet équipement ? » La logique de décision est simple : plus votre réglage actuel est proche du plateau, plus l’avantage à investir dans davantage de lumière se réduit ; et plus le prix de l’électricité est élevé, plus l’intérêt à passer à un modèle efficient est grand. C’est le même critère « rendement par unité de lumière × tarif électrique », simplement étiré sur l’axe du temps, des comptes mensuels à une période de remboursement de plusieurs années. Nul besoin de changer de logique. En termes de postes de coût, en culture indoor l’électricité représente environ 20 à 40 % du coût de production, et l’éclairage en consomme environ 60 à 80 % et plus (voir 3). Donc l’effet d’une réduction de 10 % de la consommation électrique, ramené à l’ensemble des coûts, est étonnamment faible. Cadrez-le comme « en combien d’années je récupère cet écart ténu après avoir dépensé des centaines de milliers d’euros » et le tableau devient sobre.
Et une dernière chose : l’ordre des opérations. Avant de remplacer de l’équipement, le premier geste est de vérifier s’il reste encore de la marge à extraire du matériel existant. Le point d’arrêt en intensité et la distribution peuvent être ajustés sans dépenser d’argent. Tirez tout ce que vous pouvez du pilotage au quotidien, puis achetez du matériel pour ce qui reste insuffisant ensuite. L’exemple phare de « ce qu’on tire de l’exploitation », ce sont les réflecteurs. Placez des réflecteurs sur les côtés et les extrémités des étagères de culture pour récupérer la lumière qui s’échappe, et il est établi sur le terrain qu’on peut augmenter le rendement d’environ 10 % (environ 10 à 15 % avec une plaque d’aluminium à haute réflectance) sur la même puissance LED, avec presque aucun investissement nouveau. On n’augmente pas la lumière et on ne change pas le modèle — on réduit simplement la perte de l’électricité qu’on fait déjà passer. C’est le gain opérationnel le plus évident à récupérer avant de remplacer l’équipement. Se précipiter sur un modèle plus lumineux, ou sur un modèle plus efficient, vient dans l’ordre, après avoir d’abord optimisé la conduite au quotidien comme ça.
Dans quel ordre s’attaquer à l’hétérogénéité lumineuse et à la longueur d’onde
La discussion jusqu’ici a supposé que la lumière tombait uniformément sur toute l’étagère. Mais sur une étagère réelle, la luminosité diffère sensiblement entre les bords et le centre. En plus de ça, il y a la question distincte de la couleur de la lumière — blanc, ou rouge-bleu. Une fois qu’on commence à se préoccuper de cette « hétérogénéité » et de la « longueur d’onde », ça semble ne plus finir. Clarifions donc les priorités et jusqu’où il faut aller.
Ces deux points sont de nature assez différente, donc les penser séparément fait ressortir clairement les priorités.
D’abord, l’hétérogénéité lumineuse. Ça vaut la peine de s’en occuper tôt. Le « point d’arrêt » jusqu’ici était décidé sur la base du PPFD moyen de l’étagère. Mais quand les bords et le centre diffèrent en luminosité, il arrive facilement qu’une partie de l’étagère soit entrée dans la zone où elle ne peut plus utiliser la lumière et gaspille l’électricité, tandis qu’une autre partie manque de lumière et ne produit pas de rendement. Sur la même électricité, vous avez du gaspillage d’un côté et des pertes de l’autre simultanément. C’est pourquoi, avant de chercher l’optimum sur la valeur moyenne, il vaut la peine de mesurer une fois « dans quelle mesure ça varie ». Cela dit, mieux vaut ne pas tenter de tracer la ligne de tolérance à un chiffre universel comme « jusqu’à quel pourcentage de différence entre bord et centre ». Ce qu’il faut tracer, c’est « si cette différence se traduit réellement par une différence de rendement ou de qualité ». Si vous mesurez et il y a une différence, mais qu’elle ne se voit pas à la récolte ou sur l’aspect, il n’est pas encore nécessaire de la chasser. Si la différence a un effet réel, la procédure consiste à l’égaliser en jouant sur la distribution lumineuse du luminaire, la hauteur de montage et la disposition des réflecteurs. Dans mon expérience personnelle, mesurer bord versus centre sur une étagère de laitue en culture indoor montrait une différence, et l’égaliser avec des réflecteurs et la disposition améliorait la régularité à l’expédition. À titre indicatif, on dit qu’une disposition en grille peut ramener la variation à moins de 5 %. Mais décider d’aller jusqu’à là se fait non pas mécaniquement sur une ligne de pourcentage, mais selon si cette différence a un effet réel sur le rendement et la qualité. C’est strictement un indicateur de ce qu’on peut atteindre comme homogénéité, pas un quota à respecter.
La longueur d’onde — le ratio rouge-bleu, ou le blanc — est une autre histoire. Le point le plus important ici est qu’il n’existe pas de réponse unique du type « rouge et bleu dans quel ratio » qui maximise le rendement. L’optimum varie selon la culture, la variété et l’objectif visé. La couleur de la lumière affecte aussi la forme : schématiquement, renforcer le bleu rend les feuilles plus épaisses et plus compactes ; renforcer le rouge tend à allonger les tiges — une différence de direction. Au-delà de ça, il est rapporté que même au sein d’une même culture, le ratio qui maximise le rendement et celui qui maximise un nutriment fonctionnel ont été confirmés comme pointant dans des directions opposées (voir 8. Un autre essai faisant varier le ratio bleu/rouge sur des feuillus a aussi montré que la croissance et l’absorption des nutriments changent selon le ratio : 7). La longueur d’onde est donc quelque chose qu’on ajuste après avoir d’abord décidé « qu’est-ce que je veux maximiser ? ». Emprunter un ratio qui a bien fonctionné dans une autre installation tel quel peut ne pas convenir.
Donc la priorité se présente ainsi. D’abord le point d’arrêt en intensité — le tarif électrique et la courbe de rendement. Ensuite la distribution (photopériode) et l’hétérogénéité lumineuse, qui est le travail d’élimination des pertes. La longueur d’onde peut venir en dernier, après que « quoi maximiser » est décidé. Ça paraît interminable parce qu’on essaie de tout optimiser en même temps. Traitez-les un par un dans l’ordre de leur impact sur le résultat, et la fin finit par apparaître.
Arrêter de mémoriser le PPFD optimal comme un chiffre unique
Laissez-moi ajouter une mise en garde ici. Tout ce qui précède a supposé une installation qui tourne des feuillus comme la laitue en culture indoor. « La courbe de rendement s’aplatit » et « le point d’arrêt se déplace avec le tarif électrique » sont des affirmations dans le cadre de cette hypothèse. Avec des cultures fruitières comme les tomates ou les fraises, ou une serre sous lumière solaire, la structure économique et le fonctionnement de la lumière deviennent une tout autre chose. Appliquer telle quelle la réflexion développée ici à un autre type ou une autre culture est la partie risquée.
Sur cette base, s’il n’y a qu’une chose à emporter à la fin, c’est « arrêter de mémoriser le PPFD optimal comme un chiffre unique ». Dans tout ce qu’on a discuté, ce qui a compté le plus n’était pas les réglages eux-mêmes mais la façon de les regarder. Une LED n’est pas quelque chose qu’on règle une fois sur un chiffre et qu’on laisse figé en place. C’est quelque chose dont on redessine le point d’arrêt à chaque fois que le tarif électrique bouge. Les trois cents qui étaient « justes » aujourd’hui deviennent « excessifs » sur les comptes du mois prochain. Ce n’est pas un échec ; ça signifie simplement redéfinir le seuil à hauteur de la variation du tarif.
Ce qu’il faut emporter, ce n’est pas un nouveau chiffre mais la façon de voir. Ce que vous pensiez être une valeur fixe, vous le traitez comme quelque chose qui bouge, redessiné chaque mois selon le tarif. Opérez ce seul changement de regard et le reste consiste simplement à traiter l’ordre du jour — intensité, puis distribution et hétérogénéité, et longueur d’onde en dernier — un par un. Abordez-le calmement, comme un paramètre de conception qu’on recalibre en continu. Ça seul devrait rendre les choses bien plus simples.
Le résultat d’une ferme verticale dépend plus d’une telle façon de voir sur le terrain que du système le plus avancé. En tant que démarche qui prend la même réflexion et l’applique poste de coût par poste de coût, consultez aussi 172 conseils pour améliorer la rentabilité d’une ferme verticale si cela vous est utile.