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Gestion du CO2 et du CVC en ferme verticale : la vraie percée pour améliorer la rentabilité par la photosynthèse

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Quand le rendement ou la qualité ne progresse pas dans une ferme verticale, on revoit souvent d’abord l’intensité lumineuse ou la solution nutritive. Les deux sont importantes. Mais si la conception de l’air est laissée de côté, vous passez à côté d’un vrai potentiel d’amélioration.

Le CO2 est la matière première de la photosynthèse, et le flux d’air est le chemin qui amène ce CO2 jusqu’à la surface des feuilles. Même si vous augmentez seulement la concentration, sans air en mouvement les échanges stagnent autour des feuilles. Et si vous ne faites que brasser de l’air, l’effet reste limité dès que l’équilibre avec la température, l’humidité et le CO2 se dégrade.

Dans cet article, je vais considérer ensemble la concentration de CO2, le flux d’air, la température et l’humidité, afin de remettre de l’ordre dans la manière de penser l’environnement aérien qui améliore vraiment la rentabilité d’une ferme verticale.

L’environnement aérien vu par la plante : le mécanisme de la photosynthèse et de la croissance

Pour la plante, le CO2 est la matière première de la photosynthèse. C’est un élément central de la croissance. Avec la concentration actuelle de CO2 dans l’atmosphère, autour de 400 ppm, la capacité photosynthétique ne peut pas s’exprimer au maximum. Les recherches montrent que, pour de nombreuses cultures, la vitesse de photosynthèse atteint son maximum entre 1000 et 1200 ppm. Autrement dit, si vous gérez bien le CO2, vous avez encore une marge pour augmenter le rendement.

Quand une plante manque de CO2, elle montre des signes typiques : des feuilles plus fines, une couleur plus pâle et une croissance ralentie.

Sans un flux d’air adapté, la plante ne peut pas bien pousser. À la surface de la feuille, il existe une couche d’air immobile appelée « couche limite foliaire ». Si cette couche devient trop épaisse, elle bloque les échanges gazeux. Avec une vitesse d’air d’environ 0,3 à 0,7 m/s, cette couche s’amincit, ce qui favorise l’absorption du CO2 et le rejet de vapeur d’eau.

Le vent favorise la transpiration, refroidit la plante quand il fait chaud et active le flux transpiratoire qui transporte l’eau et les nutriments des racines vers les feuilles. Il a aussi pour effet d’épaissir et de renforcer les tiges, ce qui limite la verse. Dans un environnement sans air en mouvement, les plantes s’étiolent et s’affaiblissent. Un flux d’air modéré est donc indispensable pour produire des plantes robustes.

J’aborde aussi les bases de la photosynthèse et de l’environnement lumineux dans l’article ci-dessous.

LED et PPFD en ferme verticale - Les bases pour bien régler l’environnement lumineux

La photosynthèse se compose d’une phase lumineuse et du cycle de Calvin. C’est au cours de ce processus que le CO2 de l’air est absorbé puis fixé. Sa vitesse est limitée par le facteur le plus insuffisant, qu’il s’agisse de la lumière, du CO2 ou de la température. Plus l’intensité lumineuse est forte, plus la plante a besoin de CO2. Et c’est dans une plage de température optimale, entre 20 et 28 °C, que la vitesse de fixation du CO2 est maximale. Ce qui compte, c’est donc l’équilibre optimal entre ces facteurs.

L’effet de la gestion du CO2 varie selon les cultures, mais on peut viser une hausse de rendement de 30 à 40 % pour les légumes-feuilles comme la laitue ou la komatsuna, et de 20 à 30 % pour les légumes-fruits comme la tomate ou le poivron. Si vous obtenez le bon équilibre entre lumière, CO2 et température, vous pouvez faire sortir le potentiel maximal de la plante.

Viser le meilleur environnement aérien en ferme verticale

Pour créer un bon environnement aérien, il ne suffit pas simplement d’« envoyer de l’air ». Il faut concevoir le vent en tenant compte de la physiologie de la plante.

Concevoir le flux d’air selon la culture

L’intensité et la direction idéales du vent changent selon l’espèce cultivée. Pour les légumes-feuilles comme la laitue ou la komatsuna, une vitesse d’air de 0,3 à 0,5 m/s convient en général. Pour les légumes-fruits comme la tomate ou la fraise, une vitesse un peu plus forte, de 0,5 à 0,7 m/s, est plus efficace. Si le vent est trop faible, la couche limite s’épaissit et les échanges de CO2 sont freinés. S’il est trop fort, il provoque un stress mécanique ou une transpiration excessive.

Un vent orienté : flux vertical vs flux horizontal

Le flux vertical, du haut vers le bas ou du bas vers le haut, convient bien aux racks de culture à plusieurs niveaux, car il permet d’uniformiser les écarts de température entre les couches. Il est particulièrement efficace en hiver pour limiter la condensation. Le flux horizontal est mieux adapté aux bacs de culture sur une large surface plane. Il facilite la création d’un environnement homogène et permet de répartir efficacement le CO2 dans toute la zone de culture. Dans bien des cas, la meilleure circulation d’air s’obtient en combinant les deux.

La règle d’or pour placer les ventilateurs sans créer d’angles morts

Il est essentiel de ne pas créer d’« angles morts » dans le flux d’air. Sinon, des zones localement très humides apparaissent, et le risque de maladie augmente. Il faut créer un flux d’air uniforme avec une disposition en vis-à-vis, en accordant une attention particulière aux coins. Entre les étagères de culture et dans les zones où les plantes sont très denses, il est souvent utile d’ajouter de petits ventilateurs d’appoint.

Gardez aussi ceci en tête : la conception du vent dans une ferme verticale n’a pas le même objectif qu’une ventilation industrielle classique. L’environnement optimal pour la plante n’est pas le même que l’environnement de travail optimal pour l’humain.

Dans une ferme verticale, l’environnement de vent est principalement créé par trois types d’équipement :

1. Ventilateurs de brassage :
   • Avantages : installation simple, bon rapport coût-efficacité
   • Utilisation : principalement pour faire circuler l’air, avec ajustement du sens du flux selon la saison ou le moment de la journée
2. Climatiseurs :
   • Avantages : permettent de contrôler la température tout en soufflant de l’air
   • Utilisation : à utiliser en complément quand un ajustement de température est nécessaire
3. Déshumidificateurs :
   • Avantages : assurent à la fois le contrôle de l’humidité et le soufflage d’air
   • Utilisation : utiles quand l’humidité est élevée ou pour prévenir la condensation la nuit

En les combinant intelligemment, vous pouvez créer l’environnement optimal selon la saison et l’heure. Dans les grandes fermes verticales en particulier, l’optimisation du flux d’air à l’aide de simulations devient très importante.

Concevoir le vent pour éliminer le risque de condensation

Dans une ferme verticale, le risque de condensation peut être fortement réduit par la conception du vent. Faites circuler régulièrement de l’air contre les murs et près du plafond pour éviter la condensation, et assurez une bonne circulation de l’air tôt le matin, au moment où la température remonte. La nuit aussi, gardez un léger flux d’air afin d’éviter la stagnation. Et autour des zones de « pont thermique » dans l’isolation, il faut souffler plus directement.

Rien qu’en optimisant le flux d’air, vous pouvez réduire fortement le risque de moisissures et de maladies liées à la condensation.

Le système d’alimentation qui permet d’atteindre la concentration optimale en CO2

Types d’équipements d’injection de CO2 et critères de choix

Il est important de choisir l’équipement d’injection de CO2 en fonction de la taille de l’installation et de votre objectif. Mais quelle que soit la méthode choisie, si l’environnement de vent n’est pas correct, le CO2 n’atteint pas la plante et l’effet de l’injection se perd.

Comme l’environnement aérien d’une ferme verticale est difficile à voir, il est souvent sous-estimé. Pourtant, c’est un facteur qui influence directement la rentabilité. Si vous combinez une bonne conception du flux d’air, l’uniformisation de la température grâce au vent et une injection efficace du CO2, vous pouvez optimiser l’environnement de croissance des plantes et améliorer à la fois le rendement et la qualité.

Le « juste équilibre » de l’environnement pour maximiser la puissance du CO2

Pour tirer le maximum du CO2, l’injecter ne suffit pas. C’est l’équilibre avec les autres facteurs environnementaux qui détermine l’effet réel.

Associer le CO2 à la lumière pour en tirer l’effet maximal

La croissance des plantes n’est pas le résultat du seul CO2. Elle dépend de plusieurs facteurs imbriqués : lumière, température, vent, humidité. Ces facteurs ne donnent leur effet maximal que lorsqu’ils sont bien combinés.

La relation entre la lumière et le CO2 est une base de la culture végétale. Pendant la réaction claire de la photosynthèse, la plante produit une énergie chimique appelée ATP. Elle utilise ensuite cette énergie dans la réaction sombre pour transformer le CO2 en sucres. Quand la lumière devient plus forte, davantage d’énergie est produite, et la plante peut traiter davantage de CO2. La base, donc, est de caler l’injection de CO2 sur les périodes où la lumière est forte.

L’affinité entre température et CO2

La température influence aussi fortement l’efficacité d’utilisation du CO2. Pour beaucoup de cultures, l’efficacité de fixation du CO2 est maximale entre 20 et 25 °C. Si vous sortez de cette plage, vous aurez beau injecter du CO2, il ne sera pas pleinement utilisé. Même avec une concentration identique de 1000 ppm, l’effet peut diminuer de 30 à 40 % à 17 °C, et de plus de 50 % au-delà de 30 °C.

Le « bilan » entre les facteurs environnementaux

Pour mieux comprendre l’interaction entre les facteurs environnementaux, regardons ce tableau simple qui résume leurs influences mutuelles :

L’ordre de priorité pour les réglages est le suivant : d’abord garder la température dans la plage correcte, car c’est la base de la photosynthèse. Ensuite, optimiser la concentration en CO2, car c’est la matière première. Puis ajuster le flux d’air pour créer un environnement uniforme et favoriser les échanges gazeux. Enfin, maintenir une humidité adaptée pour optimiser la transpiration.

Pourquoi le vent détermine l’effet réel du CO2

Vous pouvez injecter autant de CO2 que vous voulez, si ce CO2 n’arrive pas jusqu’à la surface des feuilles, l’effet restera limité. Autour des feuilles se trouve une fine couche d’air appelée « couche limite ». Si elle est trop épaisse, la diffusion du CO2 est freinée. Un vent adapté amincit cette couche limite et accélère l’absorption du CO2.

La vitesse d’air optimale dépend de la culture, mais avec 0,3 à 0,5 m/s pour les légumes-feuilles et 0,5 à 0,7 m/s pour les légumes-fruits, l’efficacité d’utilisation du CO2 peut augmenter de 20 à 30 %. Quand vous placez un ventilateur de brassage, le point important n’est pas de viser directement les feuilles, mais de faire circuler l’air au-dessus ou sur le côté des plantes. Si vous soufflez en permanence directement sur les feuilles, vous risquez de les abîmer.

Le seuil de rentabilité de l’investissement en CO2

L’injection de CO2 a évidemment un coût. La relation entre la concentration en CO2 et le rendement n’est pas linéaire à l’infini. À partir d’un certain point, l’effet plafonne. Entre la concentration extérieure, autour de 400 ppm, et 800 ppm, le rendement augmente presque linéairement, et c’est la zone la plus efficace. Entre 800 et 1200 ppm, le gain diminue progressivement. Au-delà de 1200 ppm, le rapport coût-efficacité se dégrade.

Dans beaucoup de fermes verticales, 800 à 1000 ppm est la concentration cible qui offre le meilleur retour sur investissement. Au-delà de 1000 ppm, sauf pour certaines cultures très spécifiques à forte valeur ajoutée, le coût n’est souvent plus justifié.

Les points d’observation sur la plante pour juger de l’environnement optimal

La théorie ne suffit pas. Il faut aussi savoir lire les signes envoyés par la plante. Si les feuilles sont d’un vert soutenu et ont de l’épaisseur, l’environnement en CO2 est bon. Si elles sont fines et légèrement jaunâtres, il est possible que le CO2 manque. Si les nouvelles pousses se déploient vite et que les entre-nœuds restent serrés, c’est un bon signe d’équilibre environnemental. Si les entre-nœuds s’allongent et que la plante s’étiole, alors le CO2 manque par rapport à la lumière disponible.

Prendre l’habitude de lire les signes de la plante permet de repérer des déséquilibres environnementaux que les seules données ne montrent pas.

En résumé : la gestion du CVC et du CO2 détermine la rentabilité d’une ferme verticale

La raison essentielle pour laquelle la gestion du CVC et du CO2 devient la clé de l’amélioration de la rentabilité, c’est que ce sont des « environnements invisibles ». L’intensité lumineuse et la solution nutritive se visualisent facilement sous forme de chiffres, donc le cycle d’amélioration tourne plus facilement. En revanche, l’interaction entre concentration de CO2, flux d’air, température et humidité ne se voit pas. Quand un problème survient, l’identification de la cause a donc tendance à prendre du retard.

Le point le plus important dans la conception du CO2 et du flux d’air, c’est la logique de « combinaison ». Vous pouvez maintenir le CO2 à 1000 ppm, si le flux d’air est inégal, l’effet réel à la surface des feuilles peut retomber au niveau d’environ 400 ppm. À l’inverse, si le flux d’air est bien conçu, même une concentration de CO2 plus modérée peut produire un effet de rendement supérieur à son coût. Pour maximiser le retour sur investissement, il faut donc concevoir d’abord l’équilibre entre les facteurs, plutôt que pousser un seul élément au maximum.

La concentration cible de 800 à 1000 ppm est, pour beaucoup de cultures et de tailles d’installation, le niveau où le rapport coût-efficacité est le plus favorable. Avant d’envisager d’investir dans des concentrations plus élevées, il vaut mieux éliminer d’abord les facteurs qui bloquent l’effet : angles morts du flux d’air, écarts de température, implantation des équipements. L’impact sur la rentabilité sera plus grand.

Si vous faites tourner un cycle d’amélioration qui combine théorie et observation terrain, l’environnement aérien d’une ferme verticale finira de façon certaine par se traduire directement en rentabilité.

172 conseils pour améliorer la rentabilité d’une ferme verticale