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LED et PPFD en ferme verticale : des bases de la photosynthèse à la conception de l'environnement lumineux

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La gestion des LED en ferme verticale ne se résume pas à éclairer davantage. La lumière stimule la croissance, mais elle génère aussi des coûts d’électricité élevés, des risques de photoinhibition, des déficits en CO2 et des déséquilibres de température et d’humidité.

Ce qu’il faut surveiller, ce n’est ni le spectre lumineux seul, ni le PPFD seul. Ce qui importe, c’est que la quantité de lumière, le rythme lumière-obscurité, le CO2, la température, l’humidité et la circulation d’air forment un système cohérent.

Dans cet article, je passe en revue les bases de la photosynthèse, le choix des LED, la façon de penser le PPFD, les plannings d’éclairage et la conception environnementale qui évite de gaspiller la lumière.

Ce qu’il faut savoir sur la photosynthèse avant de cultiver

Pour bien faire pousser des cultures en ferme verticale, l’essentiel est de comprendre la photosynthèse, le moteur de la croissance.

Sans comprendre ce processus fondamental qu’est la photosynthèse, il est difficile d’exploiter efficacement le choix des LED et le réglage du PPFD (densité de flux de photons photosynthétiques).

En termes simples, la photosynthèse est le mécanisme par lequel la plante utilise la lumière pour produire elle-même sa « nourriture » (des sucres). Une fois ce mécanisme compris, la réponse pratique à la question « quelle lumière, et en quelle quantité, donner à la culture pour qu’elle pousse bien ? » commence à se dessiner.

La photosynthèse se déroule en deux grandes étapes.

1. Réaction photochimique (réaction lumineuse)

C’est littéralement l’étape qui utilise la lumière.

La chlorophylle contenue dans les feuilles de la culture absorbe la lumière et utilise cette énergie pour décomposer l’eau. L’oxygène est libéré comme sous-produit, et l’ATP (adénosine triphosphate) et le NADPH — les « substances énergétiques » — sont produits.

2. Cycle de Calvin (réaction sombre)

Dans cette étape, les substances énergétiques produites précédemment (ATP et NADPH) sont utilisées pour synthétiser des sucres à partir du dioxyde de carbone présent dans l’air. Le terme « réaction sombre » ne signifie pas qu’elle se déroule à l’obscurité ; il signifie que cette réaction se déroule sans utiliser directement la lumière.

L’enrichissement en CO2 (ajout de dioxyde de carbone) en ferme verticale vise à favoriser cette étape. Quelle que soit la perfection de l’optimisation lumineuse, la photosynthèse ne peut pas avoir lieu sans CO2.

Une fois ce processus en deux étapes compris, il devient évident qu’il faut gérer non seulement la lumière des LED, mais aussi la concentration en CO2 simultanément.

Pour maximiser la croissance des cultures, ce qui compte, c’est de construire un environnement qui soutient l’ensemble du processus photosynthétique.

La lumière change la forme des légumes : points à exploiter

L’objectif de la culture n’est pas simplement de « faire pousser grand », mais de produire une « culture de qualité » en termes d’apparence, de goût et de valeur nutritionnelle.

La lumière n’est pas seulement une source d’énergie pour la croissance. Elle joue également un rôle dans la détermination de la forme et de la qualité de la culture. Si l’on comprend le spectre lumineux, on peut gérer la culture en fonction de ses objectifs.

Dans un environnement avec beaucoup de lumière bleue, les feuilles poussent épaisses et compactes, et leur couleur s’intensifie. Dans un environnement avec beaucoup de lumière rouge, les tiges ont tendance à s’allonger et l’expansion foliaire est favorisée. En appliquant cela, on peut donner plus de lumière bleue aux laitues à feuilles rouges pour en aviver la couleur, ou ajuster la composition spectrale du basilic pour en intensifier l’arôme.

Cela dit, dans des conditions lumineuses qui privilégient la couleur ou l’arôme, le développement en volume de la culture peut être freiné en contrepartie. On ne peut pas tout maximiser en même temps.

Trop de lumière, est-ce contre-productif ? Connaître les limites de la photosynthèse pour cultiver efficacement

Il est facile de supposer que « plus il y a de lumière, mieux la culture pousse », mais ce n’est pas si simple.

Quand on met en balance le coût de l’éclairage et la croissance obtenue, il y a une « juste quantité » de lumière. En comprenant le plafond au-delà duquel la croissance stagne même si on ajoute davantage de lumière, on peut réduire les coûts inutiles tout en obtenant la récolte maximale.

Ce qui se passe quand il y a trop de lumière : la photoinhibition

Si l’on expose en continu une culture à une lumière trop intense, on provoque un phénomène appelé « photoinhibition », dans lequel le système photosynthétique est endommagé.

Les symptômes incluent des feuilles qui jaunissent ou semblent brûlées et brunes (les bords des feuilles sont particulièrement vulnérables), une croissance plus lente que prévu, et un rendement qui n’augmente pas proportionnellement à la facture d’électricité. Quand ces signes se cumulent, il faut suspecter une photoinhibition.

Par exemple, les légumes-feuilles comme la laitue poussent suffisamment à un PPFD (intensité lumineuse) de 200 à 300 μmol/m²/s. Leur donner plus de lumière que cela ne change presque pas la croissance. Cela gaspille de l’électricité et augmente le risque de photoinhibition.

En connaissant le « point de saturation lumineuse » de chaque culture (le point au-delà duquel plus de lumière n’augmente pas la photosynthèse), on peut concevoir un éclairage sans gaspillage.

Un autre piège : la photorespiration

La photorespiration est un phénomène qui se produit quand le CO2 manque sous une lumière intense.

L’enzyme qui devrait se combiner avec le CO2 réagit à la place avec l’oxygène, et l’énergie durement acquise par la photosynthèse est gaspillée.

Pour éviter cela, quand on applique une lumière intense, il faut aussi augmenter la concentration en CO2 (environ 800 à 1 200 ppm). Si l’on augmente seulement la lumière sans ajouter de CO2, on n’obtiendra pas une augmentation de rendement qui justifie l’investissement.

Points clés pour cultiver efficacement

Pour éviter la photoinhibition et la photorespiration et gérer les cultures le plus efficacement possible :

1. Connaître la bonne intensité lumineuse pour chaque culture :
   • Les légumes-feuilles poussent suffisamment même sous une lumière relativement faible (200 à 300 μmol/m²/s).
   • Les légumes-fruits comme les tomates et les fraises deviennent plus productifs sous une lumière plus forte (400 à 600 μmol/m²/s).
   • Choisir l’intensité lumineuse « juste adaptée » à la culture est la première étape pour économiser sur l’électricité.
2. Équilibrer la concentration en CO2 avec l’intensité lumineuse :
   • Quand on applique une lumière intense, il faut toujours augmenter la concentration en CO2 en même temps.
   • Cela prévient le cercle vicieux : lumière forte → consommation accrue de CO2 → manque de CO2 → photorespiration.
3. Gestion appropriée de la température :
   • En général, 20 à 25 °C est la plage de température optimale pour la photosynthèse.
   • Quand la température est trop élevée, la photorespiration est favorisée et l’efficacité photosynthétique baisse.
4. Acclimater progressivement les plantules à l’environnement lumineux :
   • Les exposer brusquement à une lumière intense provoque facilement une photoinhibition ; il est donc important d’augmenter l’intensité lumineuse par étapes.
   • Être particulièrement attentif aux changements brutaux d’environnement lumineux lors de la transplantation définitive des plantules.

En concevant l’environnement lumineux sur la base de ces connaissances, on peut obtenir une culture à la fois « optimale pour la plante » et « efficace pour l’entreprise ».

Choisir les LED en fonction des caractéristiques de la plante

Après avoir compris le mécanisme de la photosynthèse, la prochaine question est « quel type de LED choisir ? » J’explique comment s’appuyer sur les caractéristiques physiologiques des plantes pour choisir ses LED.

D’abord, le « spectre lumineux » — la longueur d’onde de la lumière

La plage de longueurs d’onde efficace pour la photosynthèse des plantes est 400 à 700 nm. C’est ce qu’on appelle le rayonnement photosynthétiquement actif (PAR : Photosynthetically Active Radiation).

Dans le PAR, les longueurs d’onde à l’efficacité photosynthétique particulièrement élevée sont :

• Lumière rouge (600 à 700 nm) : Favorise la réaction lumineuse de la photosynthèse et contribue grandement à la production de sucres.
• Lumière bleue (400 à 500 nm) : Elle soutient la photosynthèse via la régulation des stomates et le développement des chloroplastes, et influence également la photomorphogenèse (hauteur, épaisseur des feuilles, etc.).

En modifiant la composition des matériaux utilisés, les LED peuvent émettre de la lumière à diverses longueurs d’onde. Pouvoir cibler précisément les longueurs d’onde les plus efficaces pour la photosynthèse est l’un des avantages des LED par rapport aux sources artificielles traditionnelles.

• Lumière verte (500 à 600 nm) : Son efficacité photosynthétique est moindre que celle de la lumière rouge ou bleue, mais la lumière verte pénètre profondément dans la feuille et joue un rôle d’appui pour la photosynthèse. Étant plus facile à percevoir pour l’œil humain, elle facilite aussi les inspections visuelles pour les opérateurs.
• Lumière rouge lointaine (700 à 750 nm) : Impliquée dans la morphogenèse végétale (comme l’allongement des tiges) et la formation des bourgeons floraux.
• Ultraviolets (UV-A : 315 à 400 nm) : Favorise la synthèse de pigments dans les plantes, leur donnant des couleurs vives et améliorant l’arôme et la saveur. L’UV-B (280 à 315 nm) serait également susceptible de renforcer la résistance aux maladies.

Avec les LED, on peut mélanger ces plages de longueurs d’onde dans les proportions souhaitées et ajuster l’équilibre colorimétrique.

Par le passé, les LED à deux longueurs d’onde combinant rouge et bleu étaient largement utilisées, mais ces dernières années, on reconnaît désormais l’importance des autres longueurs d’onde. Dans cet article, je recommande de choisir des LED à spectre proche de la lumière solaire, ou des LED blanches.

Qu’est-ce que le PPFD — l’intensité de la lumière

Le PAR (rayonnement photosynthétiquement actif) expliqué ci-dessus indique la plage de longueurs d’onde de la lumière qu’une plante peut utiliser. En revanche, l’indicateur qui montre avec quelle intensité cette lumière atteint la plante est le PPFD (densité de flux de photons photosynthétiques : Photosynthetic Photon Flux Density).

Le PPFD représente le nombre de photons (particules de lumière) efficaces pour la photosynthèse atteignant la plante par unité de surface et par unité de temps.

En termes simples, c’est une expression numérique de « l’intensité de la lumière atteignant la plante ».

Pour le choix de l’éclairage, le PPFD (quantité de lumière) est un critère tout aussi important que la longueur d’onde (spectre lumineux).

Comme indiqué précédemment, un PPFD au-delà du point de saturation lumineuse est gaspillé, et la valeur de PPFD optimale diffère selon la culture.

• LED pour légumes-feuilles
  • Les légumes-feuilles atteignent la saturation lumineuse à environ 300 à 400 μmol/m²/s, donc une conception d’éclairage qui dépasse ce PPFD tend facilement à gaspiller l’électricité.
• LED pour légumes-fruits
  • Un PPFD plus élevé d’environ 400 à 600 μmol/m²/s est nécessaire, il faut donc choisir un type haute puissance.

Plutôt que de choisir la puissance d’une LED individuelle, ce qu’on fait en pratique, c’est d’ajuster le PPFD en jouant sur le nombre de LED installées et leur disposition. Planifier cela en fonction de la culture à produire.

Optimisation de l’environnement lumineux en ferme verticale : pratique

En s’appuyant sur le mécanisme de la photosynthèse et les bases du spectre lumineux et de la quantité lumineuse, j’aborde les méthodes concrètes applicables en ferme verticale.

Réglage de la période lumineuse et de la période d’obscurité, et réponses des plantes

Les plantes effectuent des activités physiologiques différentes pendant la période lumineuse (quand la lumière est allumée) et la période d’obscurité (quand elle est éteinte). Comme la ferme verticale permet de régler librement le timing de l’éclairage, comprendre ce rythme donne un levier pratique pour la gestion.

Ce que font les plantes pendant la période lumineuse

• Activation de la photosynthèse : Les chloroplastes absorbent l’énergie lumineuse et synthétisent des sucres à partir du CO2 et de l’eau.
• Promotion de la transpiration : Les stomates s’ouvrent, et l’eau, avec les éléments nutritifs, est absorbée par les racines et transportée dans toute la plante.
• Photomorphogenèse : La direction d’allongement et l’épaisseur des tiges et des feuilles sont ajustées en réponse à la direction et à l’intensité de la lumière.

Ce que font les plantes pendant la période d’obscurité

• Activation de la respiration : Les sucres produits pendant la période lumineuse sont utilisés pour générer de l’énergie.
• Promotion de la division cellulaire : Une division cellulaire active se produit, en particulier aux points de croissance de la plante.
• Synthèse de métabolites secondaires : Des composés fonctionnels tels que les composants aromatiques et les antioxydants sont produits.
• Régulation des hormones végétales : L’équilibre des hormones qui contrôlent la croissance est ajusté.
• Translocation et stockage des glucides : Les sucres produits pendant la période lumineuse sont déplacés vers les racines et les tiges et stockés sous forme d’amidon.

Ces activités physiologiques forment « l’horloge interne » de la plante. Quand cette horloge interne est perturbée, cela peut conduire à des anomalies de croissance et à une résistance réduite aux ravageurs et maladies. C’est pourquoi il ne faut pas modifier fréquemment le planning d’éclairage.

La philosophie de conception du planning d’éclairage

Après avoir compris l’importance du rythme lumière-obscurité, on passe à la conception concrète du planning d’éclairage. En ferme verticale, la planification doit tenir compte à la fois de la physiologie végétale et des impératifs économiques.

Conseils de base pour la conception des plannings

• Les bases du rapport lumière-obscurité
  • Légumes-feuilles (laitue, mizuna (légume-feuille japonais), etc.) : 16 heures de période lumineuse / 8 heures de période d’obscurité est la norme.
  • Selon l’objectif de culture, on peut passer à 14 heures de période lumineuse / 10 heures de période d’obscurité pour supprimer les troubles physiologiques ou améliorer la saveur.
• Points pour fixer l’heure de début de la période lumineuse
  • Pour la plante, « la durée des périodes lumineuse et d’obscurité » compte plus que « à quelle heure commence la période lumineuse ».
  • De ce fait, des plannings qui exploitent les plages horaires à tarif réduit sont tout à fait envisageables.
  • Exemple concret : en fixant 22h00 à 14h00 le lendemain comme période lumineuse, on peut tirer le maximum des tarifs électriques nocturnes (tarif heures creuses proposé par les fournisseurs d’électricité japonais).

Conseils pour la conception du planning d’éclairage en tenant compte de l’économie

• Utiliser le tarif unitaire de l’électricité par plage horaire
  • Chez de nombreux fournisseurs d’électricité japonais, le tarif unitaire est plus bas la nuit (22h00 à 8h00 le lendemain).
  • En fixant la majeure partie de la période lumineuse dans cette plage horaire, on peut réduire les coûts d’éclairage.
  • Exemple : pour une période lumineuse de 16 heures, fixer 22h00 à 14h00 le lendemain permet de réduire les coûts d’électricité.
• Allumage échelonné pour limiter la puissance de pointe
  • Dans les grandes installations, plutôt que d’allumer tous les éclairages en même temps, les échelonner et les allumer en séquence.
  • Cela maintient la puissance de pointe à un niveau bas et peut réduire le coût de l’abonnement électrique.
  • Par exemple, pour une période lumineuse de 16 heures, diviser la ferme en trois zones et décaler l’heure de début de la période lumineuse de chaque zone de 8 heures ; cela répartit la charge d’allumage.

Le planning d’éclairage n’est pas simplement une question de réglage des heures d’allumage/extinction. C’est un levier de gestion important pour réaliser à la fois une réduction des coûts d’électricité et une amélioration de la qualité. Quand on prend aussi en compte la vitesse de croissance des cultures et la suppression des troubles physiologiques, les éléments de conception diffèrent d’un site à l’autre.

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Diverses techniques d’amélioration de l’efficacité lumineuse

Voici quelques techniques pour améliorer l’efficacité lumineuse tout en maîtrisant les coûts d’électricité.

Amélioration de l’utilisation de la lumière avec des réflecteurs

L’objectif est de récupérer un maximum de la lumière émise par les LED.

• Choix du matériau réfléchissant :
  • Panneaux aluminium haute réflectivité : Le coût initial est élevé, mais ils réfléchissent plus de 95 % de la lumière et maintiennent cette performance longtemps.
  • Surfaces peintes en blanc : Relativement peu coûteuses, avec une réflectivité d’environ 80 à 90 %, bien qu’elles puissent jaunir avec le temps.
  • Film réfléchissant spécialisé : Fin, léger et facile à installer, mais sujet aux rayures.
• Placement efficace :
  • Installer des réflecteurs sur les côtés et le plafond des étagères de culture pour minimiser les fuites lumineuses.
  • La lumière atteint aussi les zones qui seraient autrement dans l’ombre des feuilles.
  • Les bords de la zone de culture reçoivent en particulier moins de lumière, donc incliner les réflecteurs vers l’intérieur pour diriger la lumière sur le couvert végétal.

Lorsque les réflecteurs sont correctement installés, on peut augmenter le rendement de 10 à 15 % pour la même consommation électrique des LED. C’est une amélioration économiquement rentable par rapport au coût des équipements.

Uniformiser la distribution de la lumière

En délivrant une lumière uniforme à toute la zone de culture, on réduit la variabilité de la croissance.

Quand la croissance varie beaucoup, davantage de plants ne répondent pas aux critères d’expédition, et la rentabilité baisse.

• Utilisation de panneaux diffuseurs :
  • Interposer un panneau diffuseur semi-transparent entre la LED et la plante pour homogénéiser la lumière directe.
  • Particulièrement efficace lors de l’utilisation de LED haute puissance.
  • Ils ont tendance à accumuler la chaleur, donc il faut veiller à la ventilation.
• Optimisation de la disposition des LED :
  • Disposition en grille : Une distribution lumineuse plus uniforme est obtenue (l’écart de PPFD peut être maintenu en dessous de 5 %).
  • Disposition renforcée aux bords : Installer des LED supplémentaires aux bords de la zone de culture pour éliminer les inégalités d’éclairage.
  • Disposition en couches : Installer des LED à plusieurs hauteurs en fonction de la hauteur des plantes (en particulier pour les cultures plus grandes).

En combinant ces techniques, la variation du volume de récolte est également considérablement réduite.

Comme tendance récente de réduction des coûts, les conceptions utilisant des appareils d’éclairage plus puissants pour réduire le nombre d’unités installées et élargir l’espacement se sont répandues dans le secteur. Il y a des avantages côté coûts, mais à mesure que l’espacement s’élargit, l’uniformité lumineuse au niveau du couvert végétal et dans les intervalles entre rangées se dégrade facilement. Plus on réduit les coûts, plus la gestion de l’uniformité devient exigeante — sur site, une conception qui assure un éclairage uniforme par la combinaison de la hauteur de montage, de l’angle et des réflecteurs est importante.

Mettre en ordre le reste de l’environnement avant la lumière

Même si on perfectionne uniquement la lumière, si les autres facteurs environnementaux sont insuffisants, cela ne fait que gaspiller l’électricité.

Pour maximiser la productivité en ferme verticale, il faut gérer non seulement la « lumière » mais aussi la « température », l’« humidité », la « concentration en CO2 » et la « circulation d’air » de manière globale. Ces facteurs s’influencent mutuellement : dès que l’un d’eux est défaillant, l’optimisation des autres perd de son efficacité.

Température et humidité en harmonie avec la lumière

L’intensité lumineuse et la température sont étroitement liées. La photosynthèse est une réaction chimique, et la vitesse de réaction change avec la température.

• Maintien d’une plage de température appropriée :
  • Pour de nombreuses cultures, 20 à 25 °C est optimal pour la photosynthèse.
  • Quand l’intensité lumineuse est élevée, une température légèrement plus haute (23 à 26 °C) améliore l’efficacité photosynthétique.
  • Trop basse, l’activité enzymatique chute ; trop élevée, la photorespiration augmente, donc l’efficacité baisse.
• Points de gestion de l’humidité :
  • Une humidité relative de 60 à 70 % est généralement optimale.
  • Quand l’humidité est trop élevée, la transpiration est supprimée, et l’absorption et le transport des éléments nutritifs sont entravés.
  • Quand la lumière est intense, la transpiration est aussi active, donc la gestion de l’humidité est particulièrement importante.

Sans CO2, la lumière est gaspillée

Le CO2 est la matière première de la photosynthèse. Même s’il y a de l’énergie lumineuse, la photosynthèse ne peut pas se dérouler si le CO2 manque.

• Équilibrer la concentration en CO2 avec l’intensité lumineuse :
  • À la concentration atmosphérique ordinaire en CO2 (environ 400 ppm), la photosynthèse atteint rapidement son plafond même quand on augmente l’intensité lumineuse.
  • Quand l’intensité lumineuse est élevée, une concentration en CO2 d’environ 800 à 1 200 ppm est idéale.
  • Régler un PPFD élevé sans enrichissement en CO2 est simplement un gaspillage d’électricité.
• Timing de l’enrichissement en CO2 :
  • Augmenter la concentration en CO2 dès le début de la période lumineuse.
  • Dans une ferme verticale totalement close, la consommation de CO2 par les plantes est intense pendant la période lumineuse, donc un suivi constant et un ajustement de l’approvisionnement sont nécessaires.
  • Pendant la période d’obscurité, l’apport en CO2 peut être suspendu (les plantes émettent elles-mêmes du CO2 par la respiration).

La circulation d’air aussi est importante

• Maintien d’une circulation d’air appropriée :
  • Quand une couche d’air stagnant appelée « couche limite foliaire » se forme autour de la feuille, la diffusion du CO2 est entravée.
  • En appliquant une légère brise (environ 0,3 à 0,7 m/s), on brise cette couche limite et on améliore l’efficacité d’absorption du CO2.
  • En conséquence, la photosynthèse se déroule plus efficacement pour la même intensité lumineuse.
• Optimisation de la circulation d’air :
  • Optimiser la position et l’angle des ventilateurs pour créer une circulation d’air uniforme.
  • Veiller à la densité de plantation et à la disposition pour que l’air circule aussi entre les plantes.

Conclusion

La gestion de la lumière en ferme verticale n’est pas la simple histoire que « plus la lumière est forte, plus le rendement augmente ». Un PPFD au-delà du point de saturation lumineuse gaspille l’électricité, et quand le CO2 manque, une lumière intense provoque la photorespiration.

En pratique, les priorités sont claires. En premier lieu, déterminer le point de saturation lumineuse de chaque culture pour fixer le plafond de PPFD, et veiller à maintenir une concentration en CO2 adaptée à ce niveau. Choisir des LED blanches ou des LED à spectre proche de la lumière solaire, et améliorer l’efficacité d’utilisation de la lumière avec des matériaux réfléchissants et une disposition uniforme. Concevoir le planning d’éclairage pour maintenir les coûts à un niveau bas grâce à l’électricité nocturne et à l’allumage échelonné, tout en ne perturbant pas le rythme lumière-obscurité.

En définitive, la question de la lumière est inséparable de la température, de l’humidité, du CO2 et de la circulation d’air. Maîtriser l’ensemble de ce système est la condition pour rentabiliser l’investissement dans les LED.