GENIE CLIMATIQUE ET ENERGETIQUE FICHE DE LECTURE Réduire les consommations énergétiques, tester une énergie alternative Agriculture durable Projet de Fin d Etudes réalisé au Ctifl Par Emilie AUGER Tuteur INSA : Rahal BOUSSEHAIN Tutrice entreprise : Ariane GRISEY SEPTEMBRE 2013
La gestion climatique représente le second poste en termes de coût après la main d œuvre en serres maraichères chauffées. Le chauffage est par conséquent pour les serristes une préoccupation majeure qui s est accentuée avec la hausse des prix des combustibles. Il devient alors nécessaire de développer une serre plus performante et autonome en énergie. Cette étude s inscrit dans la continuité du projet serre capteur d énergie mené par le Ctifl de Balandran qui a pour objectif principal de réduire les consommations énergétiques d une serre maraichère chauffée. Plusieurs solutions sont alors testées : réduire les déperditions thermiques grâce à une couverture plastique F-Clean double paroi, améliorer la gestion de l hygrométrie dans la serre par différents procédés, développer une serre qui utilise l énergie électrique et qui utilise le stockage de la chaleur en aquifère. Mon étude se porte principalement sur les performances énergétiques et les économies réalisables par de nouveaux outils de chauffage et/ou de déshumidification et sur la conduite à tenir afin de valoriser au mieux ces nouveaux équipements. Le projet capteur d énergie Le projet serre capteur d énergie a duré 5 ans et s est terminé le 4 mars 2012. Il a été labellisé par le PEIFL (Pôle Européen d Innovation Fruits et Légumes) et a été retenu pour un financement de 1,2M par le Fond de Compétitivité des Entreprises de la Direction Générale des Entreprises en mars 2007. Le montant total du projet est de 5,4M réparti entre 10 partenaires. Figure 1 : Schéma du Site Expérimental "Projet Capteur" La serre expérimentale du centre de Balandran, construite pour le projet, se compose de 3 modules de 1000 m² chacun : - Un module multi chapelle «F-Clean» en double paroi plastique, destiné à tester un nouveau matériau de paroi remplaçant le verre. - Un module multi chapelle «Témoin» en verre, qui sert de référence aux différentes expérimentations. - Un module multi chapelle «Capteur» en verre, qui permet de tester différents modes de chauffage, refroidissement, déshumidification, stockage d énergie et équipé d échangeurs thermiques air / eau. Réduire les consommations énergétiques, tester une 2 1
F-Clean Ce compartiment permet de tester un nouveau matériau de couverture des serres (placé en paroi et en toiture), le plastique double paroi F-Clean. Ce matériau a une meilleure transmission lumineuse et une meilleure isolation thermique qu une serre verre. Cette serre est également plus étanche qu une serre classique. On a décidé d y installer un déshumidificateur industriel pour améliorer la gestion de l hygrométrie. Dans un premier temps, je me suis intéressée à la déshumidification de cette serre en double paroi plastique. De manière classique, une serre est déshumidifiée par le chauffage des tubes et par l aération. L intérêt de gérer l hygrométrie de la serre à l aide d un déshumidificateur industriel est que l on peut garder la serre fermée plus longtemps et, ainsi, avoir une concentration de CO 2 plus élevée à l intérieur de la serre. Ceci est favorable à la photosynthèse. Pour ne pas gaspiller de CO 2, on en injecte seulement lorsque la serre est fermée. Le fait de gérer l hygrométrie de la serre autrement présente aussi un intérêt financier étant donné que le chauffage et l aération représentent environ 20% de la facture énergétique. Grâce à des sondes de température et d hygrométrie placées au soufflage et à l aspiration du groupe de déshumidification j ai pu estimer les différentes puissances mises en jeu. La puissance calorifique fournie à la serre par le groupe est de 10,4 kw et la puissance électrique absorbée est de 3,3 kw soit 0,07 kwh.m -2. Le groupe en fonctionnement contribue donc légèrement au chauffage de la serre. En moyenne, la consommation électrique totale dans une serre est estimée à 9 kwh.m -2. Pour quantifier l efficacité du groupe, on a calculé deux ratios. Un ratio de déshumidification égal à 2,12 obtenu en divisant la puissance latente par la puissance électrique et le coefficient de performance chaud égal à 3,61 représentant le rapport entre la puissance calorifique fournie à la serre et la puissance absorbée par le groupe. Ces résultats sont cohérents pour ce type de machine. J ai dans second temps, étudié la transmission lumineuse du matériau plastique double paroi. Pour cela, j ai relevé les données fournies par les pyranomètres (au pas de temps de 5 minutes) disposés de manière symétrique dans la serre plastique et dans la serre verre pendant deux mois (mars et avril 2013) afin de les comparer. J en ai déduit une transmission lumineuse de la serre plastique double paroi F-Clean supérieure de 6,3% par rapport à la serre verre. Enfin, à partir des relevés des consommations totales toute énergie confondue des deux serres, on a pu remarquer qu une serre en matériau F-Clean couplée à un déshumidificateur industriel permet de réaliser 30% d économie d énergie (Tableau 1) et 30% d économie financière par rapport à une serre verre classique (Tableau 2). La serre F-Clean, est donc un outil intéressant pour économiser de l énergie cependant on peut se poser des questions sur la durée de vie de ce plastique. Il n est garanti que dix ans par le fournisseur. Ce type de matériau peut être déchiré facilement, cela peut poser des problèmes de vol, par exemple, pour les serristes. Le retour sur investissement du déshumidificateur est de 5 ans. Réduire les consommations énergétiques, tester une 2 2
Capteur d énergie Ce compartiment est en verre, il permet de tester un nouveau système de chauffage et de refroidissement en proposant un système entièrement électrique, à partir d échangeurs thermiques et d une pompe à chaleur, permettant de stocker l excédent d énergie dans des ballons ou dans un aquifère. Concernant la gestion de l hygrométrie dans cette serre, on a décidé de comparer les deux manières d abaisser la teneur en eau de la serre, la déshumidification double batterie (passage d eau froide et chaude dans les échangeurs) et le free-cooling (prise d air extérieur) et d en caractériser les performances énergétiques. Je me suis intéressé aux temps de fonctionnement, aux puissances électriques consommées, aux risques phytosanitaires et à l activité des plantes en fonction du type de déshumidification utilisée en étudiant six journées humides. Grâce à l interface Let s grow reliée au logiciel de pilotage de la serre, Hoogendoorn, j ai pu estimer le temps de fonctionnement moyen de la déshumidification double batterie et du free-cooling. En moyenne sur les 6 journées, la déshumidification double batterie fonctionne 11 heures et le free-cooling 5,1 heures. On a calculé plusieurs grandeurs qui permettent d évaluer les risques phytosanitaires et de caractériser l activité de la plante. La centrale de mesure Agilent installée dans la serre nous permet de relever la température ϴ et l humidité de l air φ ambiant au milieu de la culture ainsi que les températures de feuilles et de fruits pour un intervalle de temps d une minute. A partir de ces données, on calcule le déficit de pression de vapeur (DPV) qui traduit l activité de la plante chaque minute. La plante est active qu en présence de rayonnement, on regarde donc la valeur du DPV seulement en journée. Un faible DPV traduit une faible transpiration de la plante et une ambiance chargée en eau. Cela peut provoquer des maladies fongiques. Un fort DPV implique une forte transpiration de la plante et un air ambiant sec. Le transfert de vapeur d eau des feuilles vers l air est appelé évapotranspiration de la plante et peut entraîner une sécheresse de la plante. Pour la tomate, le DPV idéal est compris entre 0,4 et 1 kpa. On constate que globalement à partir du levé du soleil jusqu à 17h la plante est suffisamment active grâce à notre pilotage climatique. Parallèlement, on a calculé le déficit de saturation de la plante afin de vérifier que la plante ne subisse pas de stress hydrique. Le déficit de saturation Dh exprimé en g eau.kg as -1 représente la quantité d eau que peut encore absorber l air, à une température donnée, pour atteindre la saturation. La plage de déficit de saturation la plus profitable à la plante est de 2 à 10 g eau.kg as -1. Ce dernier peut réduire sérieusement la production ou encore provoquer un éclatement des fruits qui seront alors prédisposés aux attaques de maladies s il est trop faible. Ensuite, j ai choisi d approfondir l étude du Free-cooling et de la déshumidification double batterie en faisant un bilan thermodynamique entre l entrée et la sortie des CTA pour chacun de ces deux modes de fonctionnement. Pour cela, j ai posé des sondes d hygrométrie et de température à l entrée d une des CTA dans la serre au niveau de l aspiration, dans le caisson d une des CTA (là ou s effectue le mélange avec l air extérieur dans le cas du Free-cooling) et dans les gaines de soufflage. J ai choisi de faire l étude sur une journée défavorable du point de vue de l humidité, soit une journée peu ensoleillée. J en ai déduit que la déshumidification double batterie est plus efficace pour abaisser la teneur en eau à l intérieur de la serre que le free-cooling cependant l eau froide nécessaire à la Réduire les consommations énergétiques, tester une 2 3
déshumidification double batterie n est disponible dans les ballons de stockage que durant 3 à 3h30. En effet, La déshumidification double batterie permet d'évacuer 8% de plus d'eau (par rapport à l humidité relative) que le free-cooling. Du point de vue de la consommation d énergie, la déshumidification double batterie consomme en moyenne trois fois plus d'énergie électrique que le free-cooling. J en ai conclu que sur une journée, la conduite idéale à tenir serait d utiliser la déshumidification par double batterie durant 3h au moment de la journée où l air de la serre est le plus humide (de 12h à 16h) et on pourrait utiliser le free-cooling le reste de la journée et la nuit. Puisque la déshumidification par le free-cooling est plus efficace lorsqu elle est couplée au chauffage, on pourrait programmer une influence dans le logiciel de pilotage de la serre qui permettrait d activer le chauffage (eau chaude dans les batteries chaudes des CTA) lorsque que le free-cooling fonctionne et que le déficit de saturation atteint une valeur inférieure à une valeur consigne. Suite au suivi des consommations d énergie tout au long de la culture on a pu évaluer l économie d énergie, égale à 43% (Tableau 1), pour une culture dans une serre Capteur d énergie comparé à une serre classique. Cette économie d énergie est principalement due à l utilisation d une PAC pour chauffer l eau qui à un COP (Coefficient de Performance) plus élevé que le rendement d une chaudière au gaz naturel. En effet, la PAC à en moyenne un COP de 3,5. A la fin de la culture, on réalise une économie financière totale de 30% (Tableau 2) avec la serre capteur d énergie par rapport à une serre classique, bien que le prix du kwh électrique soit plus élevé que celui du gaz naturel. Les années précédentes, cette économie a été moindre puisqu on a eu une consommation électrique très élevée à partir du mois de juin. Le fait de changer de période de culture semble donc plus favorable à une installation d une serre type serre capteur d énergie. Une installation du type serre capteur d énergie, permet donc de réaliser des économies financières et énergétiques considérables. Cependant, il faut une très grande quantité d eau froide à envoyer dans les échangeurs (50 m 3.h -1 pour 960 m² de culture sur le site de balandran), cela peut poser problème aux serristes n ayant pas d eau à disposition. On pourrait axer les prochaines années d essais en utilisant des échangeurs plus performants à l intérieur des CTA. Economies d énergies réalisées Le projet serre capteur d énergie a permis de montrer aux serristes différentes manières d économiser de l énergie. Les différentes améliorations testées sont répertoriées cidessous : Réduire les consommations énergétiques, tester une 2 4
Double écran thermique Déshumidificateur industriel double paroi F-Clean Déshumidificateur industriel + serre double paroi F-Clean Echangeurs thermiques air/eau - 12 %* - 15 %* - 20 %* - 20 à -30 %* - 20 à - 45 %* Figure 2 : Economies d'énergies réalisées dans le cadre du projet serre capteur d'énergie Consommation totale d'énergie dans les trois serres [kwh.m -2 ] capteur témoin F-Clean Ecart capteur/témoin Ecart F- Clean /témoin Consommation en gaz naturel 13,6 313,2 208,0-96% - 34% Consommation électrique 170,9 8,6 18,6 Consommation totale 184,5 321,8 226,5-43% - 30% Tableau 1 : Consommations énergétiques totales des serres capteur témoin F-Clean Consommation en gaz naturel [kwh.m -2 ] 13,6 289,8 203,7 Coût du gaz naturel [.m -2 ] 0,47 12,89 9,00 Consommation électrique [kwh.m -2 ] 156,4 8,2 17,5 Coût de l'électricité [.m -2 ] 8,36 0,45 0,93 Quantité de CO 2 injectée [kg.m -2 ] 5,13 7,88 10,81 Coût du CO 2 injecté [.m -2 ] 0,51 0 0 Coût total [.m -2 ] 9,34 13,34 9,93 Ecart [%] - 30% - 26 % Tableau 2 : Coût total des dépenses énergétiques des trois serres capteur témoin F-Clean Coût total [.m -2 ] 9,34 13,34 9,93 Rendement [kg.m -2 ] 16,84 13,99 15,88 Vente de tomates [.m -2 ] 16,84 13,99 15,88 Gain [.m -2 ] 7,50 0,65 5,95 Tableau 3 : Gain économique des trois serres Réduire les consommations énergétiques, tester une 2 5