Une nouvelle méthode couple simulation énergétique du bâtiment et modélisation agronomique pour évaluer simultanément consommation électrique, contrôle climatique et production céréalière en agriculture verticale.
Dimensionner une ferme verticale pour la culture du blé impose de concilier trois contraintes : la consommation énergétique du bâtiment, le maintien des paramètres climatiques dans la zone de culture et le rendement agronomique final. Une étude publiée en novembre 2024 propose un cadre méthodologique séquentiel qui articule deux logiciels indépendants — EnergyPlus pour la thermique du bâtiment et DSSAT CERES-Wheat pour la croissance du blé — afin d’évaluer de manière coordonnée ces trois dimensions. L’approche a été testée sur une installation hypothétique de cinq étages située à Timimoun, en Algérie.
Le cadre développé repose sur une interface qui traduit les données d’éclairage et de température entre les deux modèles. EnergyPlus simule le comportement thermique du bâtiment sur une année complète, en tenant compte des apports de chaleur des LED, des besoins de refroidissement et de déshumidification. DSSAT CERES-Wheat, de son côté, modélise la croissance du blé en fonction des conditions lumineuses et thermiques reçues.
L’interface assure la cohérence entre le cycle cultural — qui dure typiquement quelques mois — et le bilan énergétique annuel du bâtiment. Elle intègre également des vérifications d’équivalence d’état des intrants : lorsque les conditions d’entrée de la simulation agronomique n’ont pas changé, le modèle peut réutiliser les résultats précédents sans réexécuter l’ensemble des calculs. Ce mécanisme conditionnel réduit le temps de calcul lors d’études paramétriques.
La simulation de référence a prédit un rendement de 4 999 kg par hectare de grain sur un cycle de 72 jours. Ce chiffre correspond à la surface de culture nette, répartie sur les cinq étages de l’installation. La durée de cycle, nettement plus courte qu’en plein champ, reflète le contrôle continu de la photopériode et de la température dans l’environnement clos.
L’étude a comparé deux scénarios d’efficacité photonique des LED, en maintenant l’enveloppe thermique du bâtiment constante pour isoler l’effet de l’éclairage. Passer d’une efficacité de 2,7 µmol J⁻¹ à 3,5 µmol J⁻¹ a réduit la consommation électrique annuelle simulée de 6,806 à 5,331 GWh, soit une baisse de 21,7 %.
Cette économie substantielle s’accompagne toutefois d’un effet secondaire sur le contrôle climatique : le nombre d’heures annuelles où l’humidité relative dépasse 60 % est passé de quatre à 224 heures. La réduction de la chaleur dégagée par les LED diminue l’évaporation passive et alourdit la charge de déshumidification, révélant un arbitrage entre efficacité énergétique de l’éclairage et maîtrise hygrométrique.
Augmenter l’efficacité des LED de 2,7 à 3,5 µmol J⁻¹ réduit la consommation électrique de 21,7 %, mais multiplie par 56 les heures d’humidité excessive.
Une analyse de sensibilité distincte a fait varier la charge latente prescrite — c’est-à-dire la quantité de vapeur d’eau émise par les plantes — de 80 à 547 W m⁻². Cette augmentation a entraîné une hausse de 19,0 % de la consommation énergétique totale du site et de 69,1 % de l’électricité dédiée au refroidissement.
Ces résultats soulignent l’importance de la transpiration végétale dans le bilan énergétique global. Une culture à forte densité foliaire ou cultivée dans des conditions favorisant l’évapotranspiration impose une charge de déshumidification et de refroidissement bien supérieure, avec des répercussions directes sur la viabilité économique de l’installation.
L’interface a été soumise à plusieurs tests de cohérence. Les températures maximales et minimales quotidiennes de la zone de culture, transmises à DSSAT, ont concordé avec la précision d’entrée du modèle agronomique — soit 0,1 °C — sur l’ensemble des 72 jours du cycle testé. Cette concordance garantit que les conditions thermiques simulées par EnergyPlus sont fidèlement traduites dans le modèle de croissance.
L’étude a également vérifié la plausibilité agronomique des sorties de DSSAT en les confrontant aux ordres de grandeur attendus pour le blé en environnement contrôlé. Ces vérifications croisées renforcent la confiance dans la capacité du cadre à produire des évaluations comparatives traçables entre différentes configurations de bâtiment et de culture.
Le cadre séquentiel EnergyPlus-DSSAT permet d’explorer les compromis entre performance énergétique du bâtiment et productivité agricole. Il met en évidence des interactions souvent négligées dans les études isolées : l’efficacité lumineuse ne se traduit pas mécaniquement par une réduction proportionnelle des coûts opérationnels si le contrôle hygrométrique devient limitant.
Pour les concepteurs de fermes verticales, cette approche offre plusieurs avantages :
L’application à Timimoun, dans un climat désertique chaud, illustre la pertinence de l’outil dans des contextes où le refroidissement et la déshumidification représentent des postes de dépense majeurs. D’autres configurations climatiques et d’autres espèces cultivées pourraient révéler des arbitrages différents.
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