Techniques de gestion des opérations sur le terrain
CO2 et CVC dans une ferme verticale : pourquoi les rangs du fond stagnent même à 1000 ppm
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La liste de contrôle a de nouveau toutes ses cases cochées aujourd’hui. CO2 à 1000 ppm, CVC réglé comme prévu. Sur le papier, l’exploitation est conforme. Pourtant le rendement n’est pas à la hauteur de cette conformité. On augmente le dosage et ça plafonne à mi-chemin, avec des inégalités de croissance qui persistent d’un emplacement d’étagère à l’autre. La cause n’est généralement pas dans un équipement particulier, mais dans « l’entre-deux » d’un équipement et du suivant. Tant qu’on fait tourner l’équipement d’enrichissement CO2 et l’unité CVC séparément, c’est un point qu’on continue de négliger. Recadrez ce qui circule entre les deux — la circulation d’air — comme un seul tuyau, et la raison du plafonnement, le principe de la conception coordonnée, et la perspective de récupérer les coûts commencent tous à apparaître liés.
Mais permettez-moi de le dire d’emblée : la circulation d’air n’est pas la seule raison pour laquelle les rangs du fond ralentissent. Un déficit lumineux en périphérie, des inégalités locales de température ou d’humidité, ou un manque d’homogénéité dans l’apport en nutriments à la racine produisent tous le même symptôme. Donc le vrai point d’entrée de cet article est « quand le fond ralentit, commencez par déterminer lequel de ces facteurs — circulation d’air, lumière, température ou apport en nutriments — est en cause », et la circulation d’air est l’un des candidats. À partir de là, nous allons suivre ce seul fil de circulation d’air qui tend à être négligé.
Le compteur affiche 1000, et pourtant seuls les rangs du fond ne poussent pas
Seuls les rangs du fond ne poussent pas. Alors que le compteur indique 1000 ppm.
Dans une ferme verticale, le CO2 tourne souvent sur le mode « maintenir à 1000 ppm » et le CVC sur « respecter la consigne », chacun surveillé par une personne différente, sur un compteur différent. Alors quand on a un secteur dont la croissance ralentit malgré un CO2 censé être maintenu à 1000 ppm, on pense d’abord que la photosynthèse a atteint un plafond. Mais en regardant de près, dans la même salle, les rangs proches de la bouche de soufflage du CVC vont bien, et seuls les rangs du fond éloignés sont lents. Une fois ce constat établi, c’est moins un problème de CO2 qu’une question de savoir si l’air circule ou non — comme si le CO2 était trop dilué uniquement autour des feuilles.
Dans une culture indoor entièrement fermée de légumes feuilles, avec une lumière constante assurée par les LED, « pas assez de lumière » ne peut pas expliquer pourquoi la croissance diffère d’un rang à l’autre. Le compteur peut indiquer 1000, mais c’est la valeur en un seul point de la salle, et rien ne garantit que l’air autour des feuilles dans les rangs du fond soit identique. La question est « combien parvient réellement aux feuilles », mais tant qu’on regarde le compteur à point unique de la salle et l’unité d’enrichissement CO2 et le CVC séparément, cet écart reste invisible.
Ce qui décide si le CO2 atteint les feuilles, c’est la circulation d’air, pas la quantité
Une feuille en train de photosynthétiser absorbe le dioxyde de carbone juste à côté de sa surface et y forme une fine couche. C’est ce qu’on appelle la couche limite foliaire, et quand l’air là-bas ne bouge pas, ce qui a été absorbé n’est pas renouvelé et reste à faible concentration. La concentration autour de la feuille est, en fin de compte, déterminée par une soustraction : « quelle quantité de ce que la feuille a absorbé l’air lui ramène ». Même avec le compteur de la salle indiquant 1000 ppm, je dirais qu’il ne serait pas surprenant que la surface foliaire dans les rangs du fond soit tombée à quelque chose comme 600 à 700 ppm. Ça vous parle ?
Autrement dit, ça ressemble à un problème de quantité de CO2, mais c’est en réalité un problème de « travail de transport ». On a beau multiplier les unités d’enrichissement pour pousser toute la salle à 1200 ou 1300 ppm, si l’air ne bouge pas autour de la feuille la couche limite reste mince, et les rangs du fond restent lents quand même. À l’inverse, les rangs proches de la bouche renouvellent leur air même avec un faible débit, donc au même 1000 ppm, le CO2 les atteint correctement.
Cela dit, les inégalités rang par rang ne sont pas déterminées uniquement par la circulation d’air. Elles se produisent aussi avec un déficit lumineux en périphérie, avec des différences d’humidité locales, ou avec un manque d’homogénéité dans l’apport en nutriments à la racine. La circulation d’air est l’un de ces facteurs, et c’est précisément pourquoi — comme nous le verrons plus loin — il faut mesurer et faire le tri plutôt que de décider par présomption.
Il y a deux chemins par lesquels la concentration autour de la feuille se dégrade, selon la façon dont on dose. L’un est quand, en cherchant à doser uniformément toute la salle, le CO2 qui sort est réchauffé, devient moins dense, et monte par convection. C’est la physique d’un CO2 chaud et ascensionnel qui s’accumule en haut, et c’est ce qu’ont observé des études de simulation CFD sur des serres (Réf.: 1). L’autre est quand, dans un endroit où l’air ne circule pas comme les rangs du fond, ce que la feuille a absorbé n’est pas renouvelé et la couche limite reste mince. Le premier, c’est « il s’échappe vers le haut », le second, c’est « il arrive mais ne se renouvelle pas » — ce sont des phénomènes différents, mais ils ont en commun que tous deux sont des cas où l’hypothèse « compteur à point unique de la salle = concentration à la surface foliaire » s’effondre. Les serres et les types fermés diffèrent par leur forme, mais la physique elle-même — un gaz chaud et ascensionnel qui s’accumule vers le haut — ne dépend pas de la forme. Donc si vous dosez localement, en délivrant près de la culture, vous pouvez au moins augmenter la concentration autour de la feuille. La quantité qui l’atteint n’est pas déterminée par ce que vous injectez, mais par la méthode de dosage et la façon dont vous créez la circulation d’air.
De plus, comme la température et l’environnement à l’intérieur de la salle varient considérablement d’un endroit à l’autre, un capteur à point unique ne peut pas représenter l’homogénéité de toute la salle, et on ne peut pas saisir les vraies inégalités sans regarder en plusieurs points — c’est ce que rapportent aussi des mesures réelles (Réf.: 4). Ne pas faire trop confiance à un compteur à point unique n’est pas une intuition ; c’est la logique de la façon de mesurer.
On fait fonctionner la circulation d’air par la façon de la distribuer, pas par le volume total
On essaie de renforcer la circulation d’air dans les rangs du fond en augmentant le débit d’air du CVC, et maintenant le côté déshumidification change avec lui. Vous n’avez jamais vécu ça ? On fait circuler l’air pour évacuer l’humidité produite par la transpiration, mais dès qu’on essaie de livrer du CO2 au fond avec ce même air, on commence à s’inquiéter que les feuilles dans les rangs proches ne sèchent pas trop. La circulation d’air est tout connecté sur un seul bouton, alors augmenter le fond et l’avant ne suit pas, toucher à l’humidité et quelque chose d’autre bouge.
Ce sentiment que « tout est connecté sur un seul bouton » est la difficulté des légumes feuilles. Augmentez le débit d’air pour atteindre le fond, et à l’avant la circulation est trop forte, la transpiration s’emballe, et ça bascule vers un dessèchement excessif. Parce qu’on travaille le même et unique tuyau.
Mais ici, je voudrais distinguer « volume total de circulation d’air » et « façon de distribuer la circulation d’air » comme deux choses différentes. Essayez de redresser le fond avec le seul bouton du volume de débit d’air, et l’avant a tendance à en pâtir. Ce qui marche vraiment, c’est le côté distribution, et on peut y toucher séparément de l’unité CVC elle-même. Par exemple, ajouter un petit ventilateur de circulation seulement dans la zone morte du fond pour brasser l’air. C’est un travail, indépendant du débit d’air principal utilisé pour la déshumidification, qui consiste à mouvoir uniquement la couche limite dans le fond. Sans augmenter le volume total, on renouvelle l’air juste à ce seul point où il est mince. Mais ne maintenez pas la circulation d’air directement sur les feuilles en continu ; faites-la passer au-dessus ou sur le côté des plantes. À force de souffler dessus en continu, les feuilles finissent par s’abîmer.
Et si tous les boutons semblent connectés, c’est aussi parce qu’on part du principe que l’humidité est toujours « évacuée par la circulation d’air ». Tant qu’on charge le volume de débit d’air du travail de déshumidification, chaque fois qu’on touche à l’humidité la circulation bouge et le côté photosynthèse vacille aussi. Dans ce cas, si vous disposez d’un équipement à capacité de déshumidification dédiée, le travail d’abaisser l’humidité absolue de toute la salle peut être confié à cette capacité. Mais évacuer la vapeur d’eau accumulée autour de la feuille reste le rôle de la circulation d’air. Donc même si vous transférez le rôle principal de la déshumidification vers l’unité CVC, vous avez quand même besoin séparément de la circulation d’air comme agitateur à la surface foliaire. Ça revient à penser au bouton à deux échelles : « l’humidité de toute la salle » et « le renouvellement de l’air autour de la feuille ». La façon de concevoir l’humidité autour de la feuille elle-même mérite d’être approfondie séparément, comme la conception du VPD.
Quand on affine concrètement la distribution, ce sur quoi je me suis appuyé dans les installations de culture indoor, c’est quelques dispositions simples. Placer les ventilateurs face à face pour que leurs courants ne s’annulent pas et fassent plutôt un circuit de la salle. Les coins où l’air a du mal à tourner sont les suspects habituels des zones mortes, donc on les cible intensivement. Entre les étagères d’un rayonnage multi-niveaux, glissez un petit ventilateur auxiliaire pour aider chaque couche à renouveler son air. Et utilisez la direction délibérément : circulation d’air verticale quand on veut égaliser les différences de température entre les couches d’étagères, horizontale quand on veut uniformiser un seul grand bac de culture large. Dans beaucoup de cas, ce n’est qu’en combinant ces deux qu’on fait disparaître les angles morts. Rien de tout cela n’est un équipement lourd ; c’est de l’ajustement de distribution.
Dans des expériences aussi, quand on cultive des légumes feuilles dans une chambre fermée, la croissance est meilleure quand la vitesse d’air autour des feuilles est d’environ 0,3 à 0,5 m/s, et au-delà de 0,6 m/s la circulation est trop forte et le poids sec chute au contraire. Dans la même expérience sur installation unique — les facteurs confondants tels que les différences de stade de croissance restent présents — il a été rapporté qu’uniformiser la circulation d’air a ramené la variabilité plant par plant (l’écart-type du poids sec) d’environ 23 % à presque la moitié, rendant les plants plus homogènes (Réf.: 5). La circulation d’air n’est pas meilleure quand elle est plus forte ; c’est quelque chose qu’on distribue aux points minces, ni trop ni trop peu.
La plage où ajouter du CO2 est efficace, et comment juger ce qu’on peut récupérer
Le livrer autour de la feuille, ni trop ni trop peu — c’était l’histoire de la distribution jusqu’ici. Ce n’est qu’une fois la circulation d’air en ordre qu’on peut discuter honnêtement de « jusqu’où ajouter du CO2 est efficace ». Dit autrement, parler de concentration seule pendant que le transport est bloqué ne mène nulle part. Sur cette base, à partir de maintenant c’est une question d’argent. Pensons-y en deux étapes.
D’abord, comme prémisse de base, ajouter du CO2 fonctionne « seulement pendant que rien d’autre n’est le facteur limitant ». Les légumes feuilles en lumière artificielle intégrale sont gérés avec la lumière et la température maintenues constantes, donc dans ces conditions il y a un plafond au CO2 que la photosynthèse peut utiliser. Grosso modo, depuis les ~400 ppm de l’air ambiant, le rendement monte proportionnellement à ce qu’on ajoute, mais au-delà d’une certaine concentration la courbe s’aplatit, et l’incrément de rendement par ajout supplémentaire devient de plus en plus petit. C’est ça le vrai plafond, et à partir de là on se rapproche d’une dépense « à fonds perdu ».
Concernant où se situe cette « certaine concentration » : en fait, dans une expérience sur laitue hydroponique, augmenter le CO2 de 500 à 800 µmol/mol (approximativement le même repère que les ppm) a augmenté le poids frais et le poids sec, mais l’augmenter encore de 800 à 1200 n’a montré aucune augmentation supplémentaire — un schéma de saturation a été rapporté (Réf.: 6). D’après les repères de la littérature, la saturation commence aux alentours de 800. Cela dit, ce point de saturation se déplace selon le cultivar et le niveau de lumière, et des augmentations au-delà de 800 ont été rapportées, donc ce n’est qu’un seul repère. Dans une autre étude aussi, si augmenter le CO2 augmente bien la vitesse de photosynthèse, comment ça fonctionne dépend de l’intensité lumineuse et de la combinaison des sources lumineuses, et vu comme une canopée, ça s’approche de la saturation à mesure qu’on augmente la concentration — c’est ce qui a été mesuré et modélisé (Réf.: 7, 8).
Donc comme décision de gestion, le point d’atterrissage se situe quelque part autour de prendre en compte la saturation de la littérature aux alentours de 800 tout en fixant l’objectif de fonctionnement vers 1000. Pas s’arrêter à 800 juste parce que la saturation y commence, mais intégrer l’inhomogénéité du site et laisser un peu de marge au-dessus — une marge de cet ordre. Porter l’objectif à 1200 ou 1300 est, d’après le point de saturation de la littérature, déjà du côté du « à fonds perdu », un endroit où il faut avancer prudemment.
Mais ici ça recoupe la première partie. Le chiffre du compteur et la quantité que la feuille peut effectivement absorber divergent. Si le compteur affiche 1000 ppm mais que les feuilles dans les rangs du fond n’absorbent que moins que ça, alors dans ces rangs du fond le plafond n’est pas encore atteint. Il n’est pas atteint, et pourtant ça se présente masqué en plafond — « ajouter du CO2 ne les fait pas pousser ». C’est le schéma qui gaspille le plus d’argent. Le CO2 n’est pas vraiment le facteur limitant, c’est le transport, et pourtant on ajoute des unités d’enrichissement ou on augmente la concentration des bonbonnes, en accumulant des investissements qui ne fonctionnent pas. Sur les comptes de fin de mois, tout ce qui reste c’est un coût qu’on ne peut pas récupérer : « la facture CO2 a augmenté mais le rendement n’a pas changé ».
Donc comme façon de voir le rapport coût-efficacité, déterminer d’abord où se trouve le facteur limitant vient en premier. Limité à un site où les rangs du fond sont lents et où un fin ruban de papier suspendu ou une mesure en deux points a confirmé l’absence de circulation d’air, la première chose à ajouter n’est peut-être pas du CO2 coûteux mais réorienter la circulation d’air vers la zone stagnante du fond, ou ajouter un petit ventilateur de quelques milliers à quelques dizaines de milliers de yens (nous y toucherons dans la prochaine section). Parce que ça corrige le transport autour de la feuille, ça augmente l’efficacité même du CO2. C’est un investissement qui fait fonctionner le CO2 qu’on a déjà ajouté. Inversez l’ordre — augmenter la concentration seule pendant que le transport reste étroit — et on ne fait qu’entasser du CO2 riche dans la salle à travers une couche limite foliaire mince, et l’unité d’enrichissement, la bonbonne et la facture d’électricité partent tous « à fonds perdu ».
L’électricité est un coût lourd de base. D’après une revue des fermes verticales de culture indoor, l’électricité représente environ 20 à 40 % du coût de production, dont l’éclairage utilise un peu moins de 80 à 90 % (Réf.: 9). C’est la plage de valeurs de la littérature sectorielle, pas le ratio de votre propre installation, mais ça ne change pas que l’électricité du CVC et de l’éclairage est une couche épaisse même au sein du coût d’exploitation global. Pour ce que ça vaut, l’électricité supplémentaire d’un petit ventilateur orienté vers la zone stagnante du fond est, face à ce total CVC-et-éclairage, inférieure de plusieurs ordres de grandeur — pas une taille sur laquelle se torturer ici. La question est de savoir si la circulation d’air qu’on crée avec cette électricité stagne et se perd avant d’atteindre les feuilles. L’effet de l’électricité, ce poste budgétaire lourd, en vient finalement à la façon dont la circulation d’air atteint les feuilles.
Comme repère de récupération, ne regardez pas le poste CO2 seul. Optimisez le coût des bonbonnes, l’unité d’enrichissement et l’électricité de déshumidification comme des postes séparés, et c’est le même bras de fer qu’avant : en couper un et un autre cesse de fonctionner. Ce qu’on veut voir, c’est le point unique « chaque euro investi se transforme-t-il en CO2 que la feuille peut effectivement absorber », mais mesurer directement le CO2 efficace autour de la feuille n’est pas facile. Donc en pratique, on place son pari indirectement, sur le chevauchement de la différence de concentration CO2 rang par rang et de la différence de rendement (nous y toucherons dans la prochaine section sur la façon de mesurer). Tant que ce point est bouché par le transport, la récupération reste lente quel que soit le poste budgétaire touché. À l’inverse, si ce point est ouvert, alors même un dosage modeste d’environ 1000 ppm met ce qu’on ajoute directement sur le rendement et la marge brute. Quand on regarde la récupération sur une base de rentabilité pluriannuelle — combien d’années il faut pour récupérer l’investissement en capital — si ce point unique est ouvert est la prémisse en premier. Ne pas confondre le plafond et un blocage de transport : c’est la principale bifurcation entre récupérer et juste payer.
Montrer le facteur limitant sous une forme bon marché et visible, et à quel moment passer la main à un spécialiste
Même si on propose d’ajouter un petit ventilateur ou de changer la direction de la circulation d’air, du point de vue de ceux qui sont au-dessus, la conversation tourne à « est-ce que ça va vraiment augmenter le rendement ». Que le CO2 autour de la feuille était trop dilué, ça aussi, ça se balaie d’un « c’est sûrement ton imagination » si on ne le mesure pas correctement. Comment mettre l’emplacement du facteur limitant dans une forme qu’on peut montrer aux gens ? Donc : jusqu’où peut-on mesurer sur site, et à partir d’où ça devient l’affaire de spécialistes ou d’équipements ? Pensons à cette ligne en trois étapes.
D’abord, la plage qu’on peut confirmer à bon marché sur site. Si tout ce qu’on fait c’est transformer « ça pourrait être mon imagination » en « c’est pas mon imagination », on n’a pas besoin de matériel coûteux. Tendez la main et sentez la circulation d’air. Ou bien, collez un fin ruban de papier léger ou de mouchoir au bout d’un bâton et tenez-le à hauteur de feuilles. Rien que ça, le fait que l’air est stagnant au fond apparaît aux yeux de n’importe qui. Filmez-le et vous avez du matériel à montrer aux gens au-dessus tel quel. À l’avant le papier frémit ; au fond il pend sans bouger. Ce seul petit morceau transmet « le transport est étroit » suffisamment bien.
Si vous voulez y ajouter des chiffres, procurez-vous un capteur CO2 de poche et un anémomètre. Ils se trouvent de quelques milliers à quelques dizaines de milliers de yens, et on mesure l’avant et l’arrière à la même hauteur et à la même position de feuilles et on les aligne. Le compteur de la salle à 1000 ppm, mais aux feuilles du fond visiblement plus bas et la vitesse d’air proche de zéro. Un tableau alignant ces deux points est la façon la plus efficace de le montrer. Même avec un seul capteur, on peut s’en approcher en mesurant l’avant et l’arrière tour à tour, en décalé dans le temps. La façon dont la circulation d’air tourne est déterminée par le placement des étagères et des ventilateurs, donc avec le même équipement ça ne varie pas de jour en jour. Donc mesurer la vitesse d’air suffit, fait une fois quand on fait le tri sur le facteur limitant ; ce n’est pas le genre de chiffre qu’on surveille tous les jours.
Et la chose la plus importante est de croiser cette mesure avec le rendement. Ce qui fonctionne, plus que le chiffre de concentration lui-même, c’est la correspondance que si le rendement dans les rangs du fond est inférieur à l’avant, alors le fait « rendement bas seulement dans le fond » et le fait « CO2 trop dilué et air stagnant seulement dans le fond » se superposent au même endroit. À l’inverse, si le rendement est homogène mais que seulement le CO2 et la vitesse d’air divergent, le facteur limitant est peut-être ailleurs que dans la circulation d’air. C’est pourquoi on les superpose. Si on met un petit ventilateur, ou si on change la direction, faites un petit essai comparant le rendement des rangs du fond avant et après. Corrigez d’abord un seul bloc et comparez-le avec le rang intact à côté. Alors vous pouvez juger si un ventilateur à quelques dizaines de milliers de yens vaut le coup à partir des données de récolte qu’on prend déjà.
À partir de là commence la ligne où ça devient l’affaire de spécialistes ou d’équipements. Pensez séparément à la plage qu’on peut gérer sur site et la plage qu’on confie à l’extérieur. Trouver les points minces avec deux ou trois mesures est le travail du site, mais dès qu’on veut saisir comment l’air circule dans toute la salle comme un champ, on entre dans le territoire du monitoring qui prend en continu de nombreux points simultanément, et ça passe entre les mains de spécialistes de la mesure. Placer son pari point par point, c’est le site ; le concevoir comme un champ, c’est le spécialiste. Aussi, la « distribution » — ajouter des ventilateurs de circulation ou ajuster la direction — on peut la gérer sur site, mais les changements de conception côté « volume total » tels que modifier la capacité propre de l’unité CVC ou la position et le nombre de bouches de soufflage, ou transférer le rôle principal de la déshumidification du volume d’air vers la capacité de déshumidification, deviennent des rénovations d’équipement. Et une fois qu’on arrive au point où, à cause de la façon dont les étagères sont construites ou de la forme de la salle, l’air ne circule pas même si on ajoute un ventilateur, on est dans le monde du CFD, concevant la circulation d’air elle-même par calcul. La taille de la décision d’investissement change, donc on passe la main à un spécialiste après avoir montré, avec le mouvement du papier et la mesure en deux points sur site, que quelque chose est « clairement anormal ».
En fait, des études utilisant l’analyse CFD ont montré que reconcevoir la position et la structure des ouvertures d’entrée et de sortie d’air peut grandement améliorer l’homogénéité de la distribution de la circulation d’air à l’intérieur, et elles rapportent que — incluant l’utilisation de la dissipation thermique (chaleur résiduelle) des LED dans la conception de la circulation d’air — ça sert de guide pour des stratégies de conception qui ordonnent la circulation d’air de la canopée (Réf.: 2, 3). Confiez au spécialiste au stade où la stagnation ne disparaît pas structurellement, et on peut retravailler la disposition par calcul plutôt que par intuition. Dit autrement, placer son pari jusqu’à ce point peut se faire suffisamment bien avec le mouvement du papier et une mesure en deux points sur site.
En fin de compte, ce qu’on doit faire sur site n’est pas de mesurer précisément, mais de montrer — à bon marché, sous une forme que n’importe qui peut voir — son estimation que « c’est le facteur limitant ». Une vidéo du mouvement du papier, CO2 et vitesse d’air en deux points, une comparaison de rendement sur un seul bloc. Cet ensemble de trois est suffisant dans la plupart des cas, et ce n’est que quand un problème structurel que même ça ne peut pas pleinement expliquer demeure qu’on passe le relais à un spécialiste. Se lancer d’emblée dans des mesures à grande échelle ou des rénovations, et on risque de payer là où le facteur limitant n’est pas.
Au demeurant, comment alimenter le CO2 — c’est-à-dire choisir l’équipement, que ce soit une bonbonne, un réservoir de CO2 liquide ou un générateur à combustion — est aussi un point qui se scinde selon l’échelle et le coût. Mais c’est l’histoire de l’étape suivante, avec comme prémisse que la circulation d’air est ouverte, et quelle que soit la méthode choisie, si ce n’est pas transporté autour de la feuille l’effet est compromis de la même façon. Comparer les équipements suffit à régler séparément après que le fil directeur de cet article (déterminer si c’est le transport ou la concentration qui est le facteur limitant) est réglé.
Cessez de traiter le CO2 et le CVC comme des postes budgétaires séparés et des équipements distincts, et lisez-les comme un seul tuyau de circulation d’air qui va jusqu’à la photosynthèse au niveau de la feuille. Faites ça, et les rangs du fond qui ralentissent, l’argent qu’on ne récupère pas, et les moments où passer la main à un spécialiste s’expliquent tous sur une seule et même chaîne.