L'agriculture verticale et la consommation d'énergie sont en fait l'un des thèmes les plus importants de la branche, mais on y prête généralement peu d'attention ou on les embellit avec des mots à la mode, du moins c'est l'impression que j'ai que l'on préfère ne pas sortir les chiffres bruts. En tant qu'électronicien de formation, je sais cependant que la réalité est différente et pas forcément si géniale quand on regarde les besoins en énergie.
J'avais envie de parler d'autres sujets dans mon blog et quoi de plus naturel que l'agriculture verticale, un secteur dans lequel je travaille également.
Le thème de la consommation d'énergie revient régulièrement dans les discussions et les commentaires en ligne et il n'y a pas de quoi se voiler la face : Oui, les LED consomment de l'électricité et on a besoin de beaucoup d'électricité.
Car ce que nous économisons dans l'agriculture et le système de culture fermé dans la pile verticale des racks, nous le consommons à nouveau. En effet, dans la pile horizontale, on peut utiliser la lumière du soleil, mais dans une pile, on a besoin de LED, parce que la lumière ne peut pas briller à travers, en fait logiquement 🤷♂️.
Maintenant, on se soucie généralement peu de la quantité d'électricité consommée, et ce n'est pas une critique de l'industrie ou du consommateur, je veux dire, qui se soucie de savoir si la salade que l'on a achetée a été transportée par une voiture équipée d'un moteur électrique ou d'un moteur à combustion ?
Dans le secteur, on parle toujours volontiers de la possibilité de faire fonctionner les fermes avec des énergies renouvelables, ce qui, romantisé, peut paraître beau et confortable, mais la réalité est tout autre. C'est pourquoi j'ai développé un slogan :
Si tu prévois une ferme verticale, prévois aussi une centrale électrique.
En effet, une ferme verticale n'est pas une exploitation agricole, mais une installation de haute technologie qui doit produire de manière efficace et efficiente. Ce ne sont pas des expériences d'arrière-cour.
On a donc besoin de beaucoup d'électricité et, selon le pays, on reçoit une facture d'électricité plus ou moins salée à la fin du mois.
Mais je suis aussi honnête, je suis aussi fatigué après une longue journée à faire tous ces calculs et j'ai demandé à ChatGPT3.5 de le faire, bien sûr j'ai défini quelques paramètres et vérifié l'intégrité logique des formules.
Un exemple de calcul pour une ferme verticale produisant 100 kg de salades par mois :
Pour calculer le besoin en électricité pour l'éclairage de la ferme verticale, nous devons prendre en compte les informations suivantes :
- La taille de la surface cultivée : 50 m² (surface cultivée sur plusieurs niveaux, pas la surface au sol)
- La productivité de la ferme : 2 kg de salade par m² et par mois (C'est plus facile à calculer)
- Récolte mensuelle : 100 kg de salade
En supposant que l'éclairage nécessite une puissance moyenne de 100 watts par mètre carré (il s'agit d'une puissance typique pour les lampes industrielles à LED pour plantes), nous pouvons calculer la puissance totale de l'éclairage comme suit :
Puissance totale de l'éclairage = surface cultivée x puissance par mètre carré
Puissance totale de l'éclairage = 50 m2 x 100 watts/m2
Puissance totale de l'éclairage = 5000 watts
Comme la puissance est mesurée en watts, nous devons la convertir en kilowatts (kW) pour calculer la consommation d'électricité en kilowattheures (kWh) (une demande que je fais en tant qu'électronicien, et cela s'adresse aussi aux personnes du marketing et aux journalistes, distinguez les kW et les kWh). Nous pouvons le faire en divisant la puissance totale de l'éclairage par 1000 :
Puissance totale de l'éclairage en kW = Puissance totale de l'éclairage / 1000
Puissance totale de l'éclairage en kW = 5000 watts / 1000
Puissance totale de l'éclairage en kW = 5,0 kW
Pour calculer la consommation mensuelle d'électricité pour l'éclairage, nous multiplions la puissance totale de l'éclairage en kW par le nombre d'heures de fonctionnement par mois. En supposant que l'éclairage fonctionne 12 heures par jour (ce qui est une durée typique pour le fonctionnement des lampes LED pour plantes, mais qui dépend aussi du cycle de croissance de la plante et de la variété de plante), le nombre d'heures de fonctionnement par mois est de 30 jours x 12 heures par jour = 360 heures par mois :
Consommation mensuelle d'électricité pour l'éclairage = Puissance totale de l'éclairage en kW x heures de fonctionnement par mois
Consommation mensuelle d'électricité pour l'éclairage = 5,0 kW x 360 heures par mois,
Consommation mensuelle d'électricité pour l'éclairage = 1800 kWh
Par conséquent, la ferme verticale qui produit 100 kg de salades consomme environ 1800 kWh par mois pour l'éclairage. Veuillez noter qu'il ne s'agit que d'une estimation approximative (la durée d'éclairage dépend de différents paramètres) et que la puissance réelle de l'éclairage ainsi que d'autres facteurs tels que la climatisation de la ferme doivent être pris en compte pour un calcul plus précis. Nous n'en parlerons pas ici, car cela varie d'une ferme à l'autre.
Nous voulons maintenant une alimentation hors réseau pour cette ferme verticale, hors réseau signifie que l'on couvre soi-même la consommation par sa propre production d'énergie. Cela n'a pas beaucoup de sens d'un point de vue réaliste, mais c'est un exemple hypothétique de la manière dont une ferme verticale ne génère pas de CO2 supplémentaire dans sa production en raison du mix électrique.
Pour calculer le nombre de modules photovoltaïques (en supposant que l'on se trouve en Europe centrale, avec suffisamment de soleil et un faible besoin de chauffage, l'Europe du Nord ne serait déjà pas réalisable ici, je ferai peut-être des articles séparés à ce sujet) et la surface nécessaires pour produire suffisamment d'électricité pour la ferme verticale, nous devons d'abord calculer le besoin en électricité de la ferme.
Supposons que la ferme consomme au total 1800 kWh par mois pour l'éclairage (comme calculé à la question précédente), la consommation quotidienne d'électricité est alors de
Besoin quotidien en électricité = Besoin mensuel en électricité / 30 jours
Besoin quotidien en électricité = 1800 kWh / 30 jours
Besoin quotidien en électricité = 60 kWh par jour
Pour couvrir ces besoins en électricité, nous avons besoin d'une installation photovoltaïque d'une puissance suffisante. Supposons que nous choisissions un module photovoltaïque monocristallin d'une puissance de 400 watts (Affiliate Link)nous avons besoin d'un total de
Nombre de modules nécessaires = Besoin quotidien en électricité / Puissance par module
Nombre de modules nécessaires = 60 kWh par jour / (0,4 kW x 5,5h par module = 2,2kWh par 5,5h) (hypothèse : 1 module photovoltaïque a une puissance de 400 Wp et 5,47 heures d'ensoleillement par jour en Allemagne, sur la base de 2000 heures d'ensoleillement par an)
Nombre de modules nécessaires = 27,27 ~ 28 modules
Cela signifie que nous avons besoin d'un total de 28 modules photovoltaïques pour produire suffisamment d'électricité pour la ferme verticale, juste pour couvrir les 12 heures d'électricité nécessaires à l'éclairage. Le nombre réel de modules peut toutefois varier en fonction de l'emplacement, de l'orientation, de l'angle d'inclinaison et d'autres facteurs.
Pour calculer la surface nécessaire pour les modules photovoltaïques, nous devons connaître la surface moyenne par module. Supposons qu'un module photovoltaïque monocristallin typique ait une surface de 1,67 m², nous avons besoin au total de
Surface nécessaire = nombre de modules x surface par module
Surface nécessaire = 28 modules x 1,67 m² par module
Surface nécessaire = 46,76 m²
Cela signifie que nous avons besoin d'une surface d'environ 46,76 m² pour installer les modules photovoltaïques. Veuillez noter qu'il ne s'agit que d'une estimation approximative et que la surface réelle peut varier en fonction de la taille et du type de module ainsi que d'autres facteurs.
Et maintenant, nous arrivons à la mémoire, en fait, il faudrait calculer dans l'autre sens, d'abord le Déterminer les besoins, puis choisir le stockage et enfin planifier les panneaux solaires. En effet, le nombre de panneaux solaires dépend des besoins et de la batterie.
Pour stocker et utiliser l'énergie excédentaire lorsque le soleil ne brille pas, nous avons besoin d'un dispositif de stockage de l'énergie, comme une batterie. La capacité de l'accumulateur nécessaire dépend de plusieurs facteurs, tels que la taille de l'installation photovoltaïque, les besoins en électricité de la ferme et le temps d'autonomie souhaité (c'est-à-dire le temps pendant lequel la ferme peut se passer de la lumière du soleil).
Supposons que nous voulions atteindre une autonomie de 5 jours et que le besoin quotidien en électricité soit de 60 kWh, nous utilisons une batterie au lithium comme accumulateur. Mais comme la batterie ne doit être déchargée que jusqu'à 20% au maximum, nous calculons avec un facteur de 1,2 , ce qui correspond à 120%, donc comme nous ne voulons utiliser que "100%", mais que nous ne voulons pas utiliser 20% de la batterie, nous devons calculer avec 120%.
Nous avons alors besoin d'une capacité de batterie d'environ
Capacité de la batterie nécessaire = besoin quotidien en électricité x durée d'autonomie
Capacité de batterie nécessaire = 60 kWh par jour x 5 jours
Capacité de batterie nécessaire = 300 kWh
Capacité de batterie nécessaire = 300 kWh x 1,2
Capacité de batterie nécessaire = 360 kWh
Mais il y a un problème, car la batterie a été calculée sur la base des besoins en électricité, mais cette batterie doit aussi être rechargée, ce qui signifie que notre sélection de panneaux solaires peut-elle le faire ?
Sur la base du calcul, non, car les modules photovoltaïques ne couvrent que les besoins journaliers de 60 kWh.
Cela dépend maintenant de la vitesse à laquelle la batterie doit être rechargée, plus elle doit être rechargée rapidement, plus il faut de modules, si on peut s'en passer quelques jours, la recharge prend plus de temps.
Avec 90kWh de puissance solaire par jour60 kWh vont à l'éclairage et 30 kWh à la batterie.
Durée de charge = capacité de la batterie / puissance de charge
Durée de charge = 360 kWh / 30 kWh
Durée de charge = 12 jours (30kWh x 12 jours = 360 kWh)
Si l'on double maintenant la puissance solaire de 60 kWh par jour à 120 kWh, on dispose alors de 60 kWh de puissance de charge pour la batterie et on peut la recharger en 6 jours. Remarque : doubler la puissance de charge = réduire de moitié le temps de charge. Il faut toutefois respecter les directives des fabricants de batteries, car toutes les batteries ne sont pas adaptées pour absorber de grandes quantités de courant. Mais cela relève de la chimie des batteries et je ne souhaite pas m'y attarder ici.
La structure supplémentaire des modules photovoltaïques serait
Nombre de modules nécessaires = Besoin quotidien en électricité (éclairage + batterie) / Puissance par module
Nombre de modules nécessaires = 90 kWh par jour / (0,4 kW x 5,5h par module = 2,2kWh par 5,5h) (hypothèse : 1 module photovoltaïque a une puissance de 400 Wp et 5,47 heures d'ensoleillement par jour en Allemagne, sur la base de 2000 heures d'ensoleillement par an)
Nombre de modules nécessaires = 40,9 ~ 41 modules. Sans la batterie, il faudrait 27,27 ~ 28 modules.
Il faut donc 14 modules de plus pour combler l'écart et injecter 30kWh par jour dans la batterie, afin que celle-ci soit pleine en 12 jours et puisse ensuite fournir 5 jours d'autonomie sans soleil.
Cela signifie que nous avons besoin d'une capacité de batterie d'environ 360 kWh pour stocker et utiliser l'énergie excédentaire en l'absence de soleil. La capacité réelle dépend toutefois de différents facteurs, tels que la profondeur de décharge (c'est-à-dire le pourcentage de la capacité de la batterie qui peut être prélevé avant de devoir la recharger), l'efficacité de la batterie et le nombre de consommateurs connectés.
Il est important de noter que le stockage sur batterie entraîne des coûts supplémentaires et nécessite un entretien régulier. Le coût d'une batterie dépend de plusieurs facteurs, tels que la capacité, la technologie et la marque.
Comme ces ordres de grandeur ne sont plus accessibles au consommateur privé et que je ne voulais pas m'adresser à un grossiste pour ces factures, on peut faire le calcul avec la théorie.
En 2020, le prix était de 111 euros par kWh de batterie au lithium..
Prix de la batterie = prix par kWh x capacité de la batterie en kWh
Prix de la batterie = 111€/kWh x 360 kWh
Prix de la batterie = 39.960 euros
Si l'on ajoute à cela les coûts de transport, les taxes, les frais des commerçants, etc. nous arrivons à 45 000 à 50 000 euros.
On voit bien que si l'on mise sur les énergies renouvelables comme le photovoltaïque, cela peut vite devenir un problème de surface si l'on veut recharger rapidement une batterie, car le photovoltaïque a vraiment besoin de soleil et une surface de 70 m² uniquement pour des installations solaires n'est pas non plus une petite surface, surtout si l'on pense qu'il faut ensuite une batterie, et là nous ne sommes pas encore entrés dans les détails pour la batterie, car il faut tenir compte du vieillissement, des pertes de capacité, des charges cycliques, etc. et si l'on a besoin de 40.000 € rien que pour la batterie, et ce uniquement pour pouvoir récolter 100 kg de salade par mois.
Le photovoltaïque peut être intéressant à petite échelle à la maison, mais à l'échelle du laboratoire et avec plusieurs racks, ce n'est plus possible. Les installations de ferme de taille moyenne à grande peuvent tout de suite passer à un BHKW (centrale de cogénération) et pour les grandes installations comme les AeroFarms, un SMR ou un Réacteur nucléaire MMR être utilisés de manière plus judicieuse.
Qu'est-ce que tu en penses ? Ai-je raison ? Est-ce que je me trompe ? Autre opinion ou point de vue ? Je suis ouvert aux propositions de correction de mon calcul.
Fais-moi savoir 🙂
Sources complémentaires :
Pourquoi l'agriculture d'intérieur doit saisir l'opportunité de l'efficacité énergétique
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