Présentation lors de la formation convertion à la culture hors - sol par le docteur Boulard INRA - FR

1. Boulard Thierry, INRA-TEAPEA,
400, route des Chappes, BP 167, 06903 Sophia Antipolis, France
boulard@sophia.inra.fr
Maîtrise du climat des serres
1

2. • L’Agro système Serre : une création récente et une vraie
«succes story» qui offre l’avantage unique de permettre de
maîtriser le climat des cultures.
 Historique et la diversité des modèles de serres.
 Quels sont les différents effets de serre (radiatif, confinement) ?
 Comment se forme le climat sous serre ?
 Quel est le rôle de l'aération?
 Quel est le rôle du refroidissement évaporatif et de la culture?
 Quelle est l’efficience du chauffage ?
 Quel est l’impact environnemental des serres ?
 Quelles sont les différentes stratégies de cultures abritées ?
Introduction
2

3. En Europe, les premières serres furent considérées
comme des instruments scientifiques et d’agrément destinées à
l’acclimatation des espèces exotiques rapportées des régions
méditerranéennes, tropicales et subtropicales.
BREF HISTORIQUE DES SERRES
Faites pour
économiser une
énergie rare, leur
design est toujours
d’actualité
3

4. la production de masse sous serre a vu le jour dans les années 1950,
simultanément dans les Flandres belges et aux Pays Bas.
Les premières serres étaient recouvertes de verre et leurs surfaces se sont
très rapidement développées dans les autres pays d’Europe du Nord et en
France, principalement dans la ceinture verte des grandes agglomérations
(Paris, Lyon, Orléans, Angers, …).
Peu de temps après (début des années 60) les tunnels recouverts de
films plastiques naissaient dans la partie sud de la France (Serres
FILCLAIR puis RICHEL & BN) et leurs superficies prenaient très rapidement
l’avantage sur les serres en verre à cause de leur coût de revient plus faible et
de leur polyvalence. Les surfaces de serre, principalement en plastique se
sont ensuite développées très rapidement dans les autres pays du bassin
méditerranéen, d’abord en Italie (années 70) puis en Espagne (années 80) et
ensuite dans tout le Moyen Orient et le Maghreb (années 1990).
LA
PRODUCTION
DE MASSE
SOUS SERRE

5. Dans le reste du monde les serres en plastique se sont développées
parallèlement dans les pays «froids» d’Extrême Orient, au Japon d’abord (années
70) puis en Corée (années 80) et surtout en Chine (Années 90 – 2000) où la
surface totale de serres est actuellement égale à celle du reste du monde. Aux
USA et au Canada, la surface de serre est restée très longtemps modeste et ce n’est
que récemment (années 90 au Canada et 2000 aux USA) que l’on a assisté à un
développement important des surfaces de serre en verre et en plastique.
Depuis le début des années 90 on observe une pénétration importante des
serres dans les régions tropicales et équatoriales, d’abord sur les hauts plateaux
de l’arc andin (Colombie, Pérou, Bolivie, etc) puis d’Afrique de l’Ouest ( Kenya, etc).
Dans les deux cas il s’agit de serres florales dont la production est exportée sur
l’Europe et l’Amérique. Plus récemment, dans les années 90-2000, on a également
observé un développement considérable des serres dans des régions tropicales non
situées en altitude comme c’est le cas en Chine, en Malaisie, en Inde et à Taiwan. 5

6. SITUATION DE L’AGRO
SYSTÈME / MONDE
SERRE VERRE + PLASTIQUE, 1 049 000 hect en
2003
Total Extrême Orient (71%)
Total Europe (20%)
Total Afrique (2,5%)
Total Moyen Orient (4%)
Total Amérique du Nord (1,2%)
Total Amériques Centrale & du
Sud (2%)
Actuellement, la surface de serres dans le
Monde est d’environ 1million d’ hect dont 5%
seulement de serres en verre. En Europe on
compte environ 200 000 hectares de serre dont
un1/4 de serres en verre.
6

7. Répartition mondiale selon les
climats
Répartition Mondiale des Serres selon 3 grandes classes
de climat (1 049 000 Hectares)
Région Méditerranéennes (28 %)
Régions Tempérées d'Europe,
d'Asie & d'Amérique (60%)
Régions tropicales et sub
tropicales (12%)
Les serres, malgré leur
pénétration dans les
régions chaudes
restent majoritairement
implantées dans des
zones avec une saison
froide, d’où la
persistance de la
problématique du
chauffage,
particulièrement en
une période d’énergie
chère.
7

8. .
.
La surface de serres
dans le monde , c’est
environ 1 Million d’hectares,
Soit 100 km x 100 km, qui
produisent environ 40% des
légumes frais dans le Monde
.
PRODUCTION
AGRICOLE
SOUS SERRE ET
COMPETITION
POUR
L’OCCUPATION
DE L’ESPACE

9. Serres à couverture en verre
3,20 m
Serres Venlo : standardisées,
modulables
Système de réserve d’eau chaude
associé à la fumure carbonée
Serre verre des
années 80
Serre verre contemporaine
9

10. Serres à couverture plastique
Tunnel des années 70
Tunnel « gothique »
des années 90
Multichapelle des années 90
Mono-chapelle longue portée
des années 2000
Multichapelle « high tech » des
années 2000
10

11. Serres Canariennes
Serre Canarienne de bananiers
près d’Agadir au Maroc
Poteaux
métalliques
ou le plus
souvent en
bois
6 à 7 m
11

12. Serres horticoles plastiques des
régions tropicales et sub-tropicales
Serre plastique du sud chine
2 à 3 m
6 à 7 m
Serre plastique horticole colombienne
4
à 6m
Serre multichapelle plastique de roses au Kenya
12

13. Serres «bioclimatiques» chinoises
En 2002 la Chine comptait
700 000 ha de serres dont
environ 170 000 ha de
serres solaires
«Bioclimatiques »
adossées, principalement
entre les 33eme & 47eme
parallèles, (W. Jiang et al.,
2004) 13

14. 14
Caractéristiques des serres : les
différents effets de serre
L’effet de serre « radiatif »
L’effet de serre « convectif »

15. Ra Ra
Rt Rt
verre
½ Rt
½ Rt
½ Ra
½ Ra
EFFET DE SERRE RADIATIF (grande longueur d’onde de nuit)
Bilan en plein air de nuit Bilan dans une serre en verre ou
avec un plastique Infra Rouge de nuit
Rnet = Ra-Rt
Ra = 250 Wm2
Rt = 325 Wm2
Rnet = 250-325=-75 Wm2
Rnet = ½ Ra + ½ Rt-Rt
Rnet = 125+ 162,5-325=-37,5 Wm2
*Rnet plastique = - 68,5 Wm2
Frein au refroidissement nocturne de l’air: Typiquement d’1 ou 2 degrés.

16. « enrichissement » diurne de l’air
en chaleur, en vapeur d’eau et
appauvrissement en CO2.
Typiquement de plus de 10 °C
16
EFFET DE SERRE CONVECTIF
(courte longueur d’onde de jour)
L’effet de serre = Effet radiatif + Effet convectif

17. Climatisation naturelle
« fabriquée » par la culture
Mesures du climat de 2
serres avec et sans
culture (tomate) en été :
• La serre avec culture est
naturellement 10°C plus
froide
• La serre avec culture a
naturellement une
humidité de 40% plus
élevée
17
Avec une culture
Sans culture
Sans culture
Avec une culture

18. MICROCLIMAT CREE PAR UNE SERRE
PAR RAPPORT AU PLEIN CHAMP
Facteurs Modifications
Rayonnement (solaire) Forte diminution (-25 à -50%)
Nature du rayonnement Fortement diffus (plus de 50%)
Augmentation du % du rayonnement IR
Vitesse d’air Très forte diminution (divisée par 10 à 20
et même plus)
Temp. Jour Forte augmentation
Temp. Nuit Peux modifiée
Temp. Sol Augmentation
Humidité de l’air Forte augmentation, surtout de nuit
Demande évaporatoire Très forte diminution (divisée par 2 à 4)
Pluie Suppression
18

19. Spécificités de la serre : effets du rayonnemen
1) Les cultures n’utilisent que 50% du rayonnement solaire
• Sur le plan qualitatif :
modification du spectre avec:
– Coupure de l’IR lointain
(Verre, PVC, PE
Thermique) => effet de
serre
– Modification de l’UV et
possible du PAR
• Perspectives: coupure
possible du Rayonnement
Solaire dans l’IR proche
• En région chaude, l’idéal serait
de laisser passer le Visible et
de filtrer le PIR.
400 800
Proche IR
50%
Visible
47%
UV
3%

20. Spécificités de la serre : effets du
rayonnement
2) captation et utilisation d’énergie coexistent mais en
opposition de phase
La Serre est un capteur et un utilisateur d’énergie thermique. Au pas de temps
annuel, la capture d’énergie thermique excède du double les besoins de
chauffage de l’hiver (ex: culture de tomate).
20

21. 21
Spécificités de la serre : effets du rayonnement
visible
Matériaux Transmission
 (%)
Réflexion
 (%)
Absorption
 (%)
-Verre
- Polyéthylène (PE)
-Ethyl-vinyl-acétate(EVA)
90
88
82
5
7
10
5
5
8
Tableau 1 - Valeurs (%) des propriétés optiques dans le rayonnement
visible des matériaux de serre les plus utilisés.

22. 22
Matériau Transmission
 (%)
Réflexion
 (%)
Absorption
 (%)
- Verre
-PE
- EVA
0
70
15
0
10
10
100
20
75
Tableau 2 - Valeurs des propriétés optiques dans l'infra rouge lointain pour
les matériaux de serre les plus utilisés
Spécificités de la serre : effets du rayonnement
Infra Rouge (ou de grande longueur d’onde)

23. 23
Transmission du Rayonnement
• Direct, Diffus
1) transmission du diffus : isotropique => t constant
2) transmission du direct : t = f(angle incidence)
t %
i
i,
100 %
40 90 degrés
I
tI
Spécificités de la serre : Propriétés de la transmission du
rayonnement
 La transmission globale va donc dépendre de la hauteur du soleil dans le ciel,
en hiver elle sera de 45% environ, en été de 70% environ.

24. 24
Hétérogénéité de la distribution du rayonnement solaire dans la
serre selon l’orientation du faitage (35° Nord, 21 Décembre)
Spécificités de la serre : Hétérogénéité de la transmission
du rayonnement selon l’orientation du faitage et le nombre
de chapelles

25. f
o
o
CM
Cd
V
ST
G
.
.
2
.

G = Flux d’aération en m3/s
STo= Surface totale d’ouvrants (m2)
V= vitesse du vent (m/s)
Cdo= Coefficient de décharge de l’ouvrant (.) (supérieur à 1, typiquement = 1,7)
CMf = coefficient multiplicateur du filet insect-proof (.) (supérieur ou égal à 1,
typiquement = 1,7 pour un anti Bemisia)

26. 26
f
o
o
CM
Cd
H
T
ST
G
.
.
2
.
.

G = Flux d’aération en m3/s
STo= Surface totale d’ouvrants (m2)
ΔT= Différence de température intérieure extérieure (°C)
H=Différence de hauteur entre ouvrants hauts et bas (m)
Cdo= Coefficient de décharge de l’ouvrant (.) (supérieur à 1, typiquement = 1,7)
CMf = coefficient multiplicateur du filet insect-proof (.) (supérieur ou égal à 1,
typiquement = 1,7 pour un anti Bemisia)

27. 0 m/s 1 m/s
Sans vent : effet cheminée Avec vent : effet vent et cheminée

28. A L I M N T A T I O N
A G R I C U L T U R E
E N V I R O N N E M E N T
Systèmes de chauffage localisés à basse
température
Possibilité d’utiliser des eaux à basse
température (pompes à chaleur, rejets
industriels, énergie géothermique).
Nécessite des investissements plus élevés
pour les émetteurs de chaleur (↑S échange )
Economies d’énergie attendue de 10%
environ par rapport à un chauffage haute
température 28

29. Le Chauffage, conservation de
l’énergie : jusqu’où peut on aller ?
Type de couverture Coefficient de
déperdition K
(W m-2 °C-1)
Consommation
annuelle d’énergie
de chauffage
Simple paroi 5,7 100%
Simple paroi + écran 4,4 76%
Double paroi 3,0 66%
Double paroi + écran 2,5 63%
Double paroi faible ε 1,6 54%
Triple paroi faible ε 1,0 50%
29
Puissance installée par m2 : P = K*ΔT
K= coefficient de déperdition de la serre
ΔT = Différence de température intérieure - extérieure

30. Les Défis du développement
durable
1992
Le sommet de la terre organisé par les Nations Unies à Rio de Janeiro (Brésil) les 3 et 4 juin 1992, a
consacré le développement durable et s’est traduit par plusieurs documents, et notamment :
•La déclaration de Rio qui présente 27 principes pour établir un partenariat mondial sur une base
nouvelle et plus équitable,
• L’agenda 21, un programme d’actions planétaire pour le 21e siècle.
« les trois canons d’un
développement durable :
viabilité économique,
équité sociale et durabilité
écologique »

31. Des contraintes majeures pour les serres
sur le plan environnementale :
- la consommation d’hydrocarbures fossiles (prix,
épuisement, pollution, changement climatique)
- la crise phytosanitaire (effet / santé humaine &
l’environnement).
-la consommation d’eau et les pollutions minérales

32. LES ETUDES D’IMPACT ENVIRONNEMENTAL
DES SERRES
• On recense déjà de nombreuses
études sur ce thème
• La majorité emprunte l’analyse en
cycle de vie (ACV)
• Agrégation des impacts +
consommations selon 9 critères
majeurs :
0
20
40
60
80
100
Epuisement des ressources
naturelles
Rechauffement global
Diminution de l'ozone
atmosphérique
Toxicité humaine
Ecotoxicité aquatique
Ecotoxicité terrestre
Oxydation photochimique
Acidification
Eutrophisation
Cultures en Sol Cultures Hors Sol

33. Conclusion de l’ACV de la production de
tomate en France
• Le chauffage des serres est responsable de 50 % à 90% de
tous les impacts.
• La production non chauffée (tunnels) a un impact
environnemental 4 à 5 fois moindre.
• La soutenabilité du système de production sous serre passe
par la résolution du problème du chauffage.

34. Production éloignée et consommation locale:
impact sur les consommation d’énergie de
chauffage et de transport
Consommation d’énergie pour
produire une Tomate consommée
dans l’état de New York
Tomate locale de
serre chauffée *
49,3 MJ/kg /
production
Tomate locale de
tunnel *
3,4 MJ/kg /
production
Tomate importée
par la route du
Mexique
(4000km)*
10 MJ/kg/
transport
Consommation d’énergie pour
produire une Tomate consommée en
région parisienne
Tomate locale de
serre chauffée
France **
31,6 MJ/kg /
production
Tomate locale de
tunnel France**
5,13 MJ/kg /
production
Tomate importée
par la route du
Maroc (3100km) *
7,75 MJ/kg/
transport
•Reinhardt W., Albright L. and de Villiers D.S., 2008. Energy
investments and CO2 emissions for fresh produce imported into
New York State compared to the same crops grown locally. New
York State Energy Research and Development Authority. Report
08-10, USA.
34

35. Peut on concilier production sous serre et
développement durable ?
Grande diversité de systèmes de serre et bilans contrastés vis-à-vis du DD
Système Avantages Inconvénients
- maîtrise des rejets minéraux
-maîtrise du climat
-maîtrise des bioagesseurs / PBI
- situation proche des centre de
consommation
-main d’œuvre spécialisé, permanente
-fortes consommation d’énergie non renouvelable
- législations environnementales et sociales
contraignantes
-économie d’eau
-faible consommation d’énergie non
renouvelable
-main d’œuvre abondante
- législations environnementales et
sociales peu contraignantes
-non maîtrise des rejets minéraux
-non maîtrise du microclimat (T, HR,CO2)
- problème de maîtrise des bio agresseurs & lutte
chimique + intense
- main d’œuvre temporaire, non spécialisée
- éloignement production/consommation
-faible consommation d’énergie non
renouvelable
-main d’œuvre abondante
- forte synergie avec l’élevage
- rapprochement production/consommation
- forte intensification
-non maîtrise du microclimat (T, HR,CO2)
-non maîtrise des bio agresseurs & lutte chimique
intense
Serre chauffée
des régions
tempérées
Serre froide
des régions
méditerranéenn
es et
subtropicales
Serre
bioclimatique
Chinoise 35

36. A L I M E N T A T I O N
A G R I C U L T U R E
E N V I R O N N E M E N T
CONCLUSIONS
• Les serres continuent de progresser rapidement au plan mondial
• Très compétitives dans un contexte de raréfaction de l’espace, de l’eau et
des ressources agricoles (Monde : 100km x 100 km).
• Dans les pays européens, elles sont handicapées par leur image, la
consommation d’énergie fossile, les distorsions de législation.
• Des évolutions s’amorcent visant toutes à résoudre en priorité la question
énergétique
• Pour les productions distantes, la question du transport est un élément
majeur !
36