Dans une période de tensions sur les marchés de l'énergie et de l'agroalimentaire, l'agrivoltaïsme porte la promesse d'une synergie des productions électriques et agricoles en un même lieu.
De tels projets peuvent, sous certaines conditions, être générateurs de symbioses et leur développement est alors pertinent à plusieurs égards : apport de fonctions écosystémiques, bon usage des sols, outil de gestion hydrique, stabilisation des revenus, etc.
Les récentes recommandations AFNOR (Label « Projet Agrivoltaïque ») et ADEME (voir notamment la publication “PHOTOVOLTAÏQUE ET TERRAINS AGRICOLES : UN ENJEU AU CŒUR DES OBJECTIFS ÉNERGÉTIQUES”) posent un cadre d'évaluation complet, mettant notamment en lumière la nécessité de maintenir la prédominance de l'activité agricole et la conservation de ses rendements.
On recense de nombreuses interactions au sein du système {sol ; culture ; technologies solaires}, dont une liste sommaire serait :
- développement d'un microclimat spécifique,
- évolution des calendriers de conduite de la parcelle,
- modification des écoulements de vent,
- protection contre la grêle et le gel de printemps,
- contenu hydrique du sol, etc.
Les plans d'expérimentations sur les projets en cours sont de nature à détecter de nouvelles caractéristiques de ces symbioses agro-technologiques.
Dès à présent, un point d'attention nettement identifié est celui du partage lumineux, car la croissance des plantes est fortement conditionnée à la disponibilité de la lumière au niveau du feuillage. Naldeo Technologies & Industries identifie différentes modalités de partage de la ressource solaire.
1 - Le partage temporel
Le besoin de lumière des plantes dépend de leur stade de croissance. Avant la germination le besoin est très faible, puis il augmente au fur et à mesure du développement foliaire, et atteint un maximum lors du remplissage des grains et des fruits. Le besoin retombe ensuite avec la sénescence des feuilles.
Au sein d'une même journée, certaines espèces ont également des besoins variés, souvent avec une préférence pour la luminosité matinale.
Une stratégie de partage lumineux peut être d'exploiter cette temporalité des besoins à différentes échelles, de sorte à flécher la ressource solaire vers les plantes pour satisfaire leurs besoins éco-physiologiques, et d'alimenter les panneaux solaires le reste du temps.
Des centrales solaires déplaçables ou des structures mobiles peuvent permettre cela.
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Evolution du besoin lumineux selon le stade de croissance de la plante
2 - Le partage spatial
Quelle que soit la technologie utilisée, fixe ou mobile, la course du soleil occasionne un déplacement de l'ombre sur la parcelle agricole.
En tendance, sous les latitudes métropolitaines, l'ombre est projetée vers le Nord, puisque le soleil n'atteint jamais la verticale même en été. En outre, plus les panneaux solaires sont hauts, et plus la fréquence des alternances ombre – lumière est importante. Enfin, la perte de luminosité croît globalement avec le taux d'occupation des sols, c.-à-d. la surface occupée par la centrale ramenée à la surface de parcelle.
Le balayage de l'ombre atteignant le sol et le feuillage peut être calculé selon le lieu du projet, la géométrie de la centrale et ses conditions de pilotage (e.g. déplacement de structures mobiles, orientations des panneaux, etc.). Les espaces cultivés peuvent ainsi être analysés, de sorte à déterminer le maintien de niveaux d'ensoleillement suffisants pour le bon développement des cultures.
Le design des centrales, mêmes fixes, et le pilotage des structures mobiles permettent d'ajuster ces niveaux.
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Intensité des irradiances transmises au niveau du sol par des panneaux fixes au sol, des panneaux verticaux bifaciaux et des panneaux tracker 1 axe au sol (de gauche à droite) (Burgers, Agrivoltaics2020)
3 - Le partage spectral
D'une manière moins intuitive car peu perceptible par nos yeux (sauf face aux arcs-en-ciel), la lumière peut être partagée selon ses gammes de fréquences. La lumière solaire est en effet un ensemble d'ondes, dont les longueurs sont comprises entre 250 et 2500 nm.
La réponse des technologies solaires est optimale pour les longueurs 380 nm à 1100 nm, alors que les plantes valorisent particulièrement les gammes 400 à 700 (c'est pourquoi certaines serres sont équipées de verres rosés). Ainsi, une modalité de symbiose peut être le partage des bandes spectrales de la lumière du soleil. Cela demande une sélection particulière des modules solaires, pour garantir la bonne transmission des rayonnements utiles aux plantes.
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A) Spectre du rayonnement solaire dans la gamme visible au niveau du sol. B) Spectre d'absorption d'un panneau solaire photovoltaïque semi-transparent teinté. C) Spectre d'absorption pour une feuille de basilic. D) Représentation schématique de l'intrant (énergie solaire) et des deux extrants contextuels de l'agrovoltaïque (c.-à-d. électricité et biomasse).(Elinor 2020 : https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/aenm.202001189)
4 - Le partage des composantes
La luminosité solaire est composée d'une fraction directe (celle provenant du disque solaire) et d'une fraction diffuse (celle provenant de toutes les parties du ciel, avec une prépondérance autour du disque solaire et sur l'horizon). Or, la disponibilité de l'irradiance au sein du feuillage est améliorée sous lumière diffuse.
Ainsi, la lumière transitant par les modules solaires peut être modifiée pour fournir aux plantes une composante diffuse plus propice à leur croissance car mieux répartie sur la surface foliaire. L'emploi de films diffusants, dans les interstices entre cellules solaires par exemple, peut contribuer à cet effet.
5 - Le partage quantitatif
Peu de plantes sont capables de valoriser la totalité de la quantité lumineuse qui les atteint, et cela dépend fortement des mécanismes de fixation du carbone. Les plantes en C4, apparues plus récemment dans le processus d'évolution, sont les championnes de la valorisation de la ressource solaire, alors que celles en C3 saturent plus rapidement.
On définit pour chaque espèce un point de saturation lumineuse au-delà duquel la photosynthèse plafonne. Au sein d'une même plante, ce point varie naturellement entre feuilles à l'ombre et feuilles à la lumière.
Une manière élégante (par exemple utilisée dans nos projets chez Naldeo Technologies & Industries) de partager la ressource solaire consiste à sélectionner les espèces présentant un plafond photosynthétique survenant pour de faibles valeurs d'irradiance, autorisant ainsi leur développement sans impact.
