Pour la réussite des fermes verticales, la technologie constituera un élément essentiel

L'agriculture verticale est de plus en plus considérée comme l'une des solutions aux problèmes rencontrés par les systèmes mondiaux de production alimentaire. Dans l'article suivant, Antti Viitanen, de Vaisala, explique pourquoi les technologies de mesure et de contrôle seront la clé de la réussite de ce secteur en pleine expansion.

Les défis de la durabilité en agriculture

L'agriculture de plein air (les pâturages et les terres cultivées) occupe environ la moitié des terres habitables de la planète, et les pratiques agricoles dites modernes ont permis de produire de plus grands volumes alimentaires, à des prix relativement bas. Selon la Banque mondiale, le développement agricole est l'un des outils les plus puissants pour mettre fin à l'extrême pauvreté, stimuler le partage des richesses et nourrir 9,7 milliards de personnes d'ici 2050. Cependant, on estime qu'en 2021 768 millions de personnes souffraient de la faim. De plus, l'agriculture, l'exploitation forestière et le changement d'affectation des terres sont responsables d'environ 25 % des émissions de gaz à effet de serre qui entraînent le réchauffement climatique, et l'agriculture utilise environ 70 % des réserves en eau douce. En raison du changement climatique, tous ces défis sont bien sûr devenus plus difficiles à relever .

Au cours des dernières décennies, la croissance de la production agricole s'est accompagnée d'un lourd tribut, causant des dommages irréparables à l'environnement et à la biodiversité. L'élevage intensif provoque des niveaux de pollution plus élevés et augmente le risque de prolifération des maladies, et les superficies de plus en plus vastes de champs en monoculture ont réduit la biodiversité et sont fréquemment traitées avec des engrais et des produits agrochimiques qui infligent des dommages environnementaux supplémentaires. Les effets préjudiciables de l'agriculture sur la santé des sols, tels que l'érosion, la pollution (nutriments et pesticides), le compactage, la désertification et la salinisation sont une source de préoccupation grandissante.

L'agriculture de plein air est dépendante des saisons, la plupart des cultures n'étant donc disponibles qu'une fois par an, au moment de la récolte. L'alimentation mondiale exigeant un approvisionnement 24 heures sur 24, 7 jours sur 7, tous les jours de l'année, il existe une forte demande de stockage et de transport transcontinental, ce qui augmente considérablement l'empreinte carbone des cultures.

L'agriculture est extrêmement sensible aux effets du changement climatique, les températures plus élevées, la sécheresse, les inondations et les phénomènes météorologiques extrêmes présentant tous des risques plus importants pour les agriculteurs. Le secteur de l'alimentation et des boissons cherche donc à réduire le risque climatique dans ses chaînes d'approvisionnement. Cela comprend l'analyse de l'empreinte carbone des produits, créant une exigence de réduction des « kilomètres alimentaires » et encourageant la consommation d'aliments d'origine locale. La diminution des ressources en eau rend également nécessaire l'évaluation des empreintes eau, en cherchant à réduire à nouveau le risque climatique au sein des chaînes d'approvisionnement. Dans le même temps, plus de la moitié de la population mondiale vit désormais dans des zones urbaines, et l'urbanisation continue de croître.

L'agriculture verticale

Déplacer la production agricole en intérieur résout de nombreux défis décrits ci-dessus. Les cultures peuvent, par exemple, bénéficier de conditions de croissance idéales, quelle que soit la saison, tout en étant protégées des variations climatiques. L'eau peut être recyclée et les pesticides sont presque totalement inutiles. En l'absence de contamination du sol ou des pesticides, l'efficacité de l'eau est encore améliorée par l'absence de nécessité de lavage. 

Traditionnellement, les serres et la culture hydroponique ont offert des solutions à de nombreux problèmes agricoles mais, avec l'urbanisation, le coût élevé et la faible disponibilité des terres dans les zones urbaines, il est difficile de résoudre le défi des kilomètres alimentaires .

L'agriculture verticale réduit considérablement l'empreinte physique de la production alimentaire, mais étant donné le coût élevé de l'énergie, il est d'une importance vitale pour la viabilité financière de l'agriculture verticale qu'elle fonctionne aussi efficacement que possible. C'est pour cette raison que les capteurs jouent ici un rôle essentiel. C'est pourquoi les capteurs Vaisala ont été déployés au Royaume-Uni par Jones Food Company (JFC) dans leurs fermes verticales existantes et dans l'immense nouvelle installation de Lydney (JFC2), qui devrait devenir l'une des plus grandes fermes verticales au monde.

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Étude de cas – une grande ferme verticale commerciale au Royaume-Uni : JFC2

JFC a été créé en 2016 pour profiter des avantages qu'offre l'agriculture verticale pour fournir des produits frais locaux tout au long de l'année. La première ferme verticale commerciale de l'entreprise (JFC1) a démarré sa production en 2018 avec 5 000 m² d'espace de culture et la capacité de produire 150 tonnes par an de produits frais. JFC2 sera beaucoup plus grand, avec une zone de culture de 15 000 m² et une capacité de production de 1 000 tonnes par an. Les principaux aspects de l'approche de l'entreprise qui permettent la durabilité commerciale comprennent :

1.    L'échelle – de grandes installations offrent une économie d'échelle ainsi que la capacité de répondre à des commandes importantes.
2.    La technologie – afin de créer et de conserver des conditions de croissance idéales, il est nécessaire de mettre en place des systèmes de surveillance et de contrôle très efficaces.
3.    Des installations réaménagées – plutôt que d'assumer le coût environnemental et financier élevé d'une nouvelle construction, JFC a activement recherché de grands bâtiments désaffectés. JFC2, par exemple, était auparavant une fonderie.
4.    L'innovation – une installation de recherche a été créée pour tester de nouvelles cultures et différentes conditions de croissance. Encore une fois, une surveillance et un contrôle précis sont essentiels.

Le centre d'innovation de JFC à Bristol dispose de la capacité de tester simultanément dix cultures différentes dans des conditions différentes. «  Ceci est d'une importance fondamentale pour la réussite de l'entreprise », explique Justin Au. « Lorsqu'un client nous contacte et est à la recherche d'une culture spécifique, nous pouvons rapidement effectuer des essais pour déterminer les conditions de croissance optimales pour cette culture, et cela à chaque étape de son développement. Le système de surveillance et de contrôle nous permet de modifier à la fois l'intensité et le spectre de la lumière des LED, ainsi que les nutriments présents dans l'eau d'irrigation et les niveaux de température, d'humidité et de dioxyde de carbone dans les pièces de culture. »

« Une fois que les conditions optimales ont été établies pour une culture spécifique, nous sommes sûrs que nous serons en mesure de la cultiver à grande échelle et de répondre aux exigences du client. Notre objectif est d'optimiser l'efficacité afin de pouvoir rivaliser avec les produits existants en rayon, mais avec les avantages substantiels en matière de durabilité qu'offre l'agriculture verticale. »

« Nous cultivons actuellement des herbes comme le basilic, l'aneth, le persil, la coriandre, la menthe et la ciboulette ; des salades comme la laitue, la roquette, le chou pak-choï, les épinards, les blettes, le chou frisé et le cresson, ainsi que d'autres cultures telles que les fraises. Inévitablement, la gamme de cultures que nous pouvons cultiver commercialement avec l'agriculture verticale continuera de s'étendre. »

Dans toutes les installations JFC, l'eau est constamment recyclée et des mesures continues du pH et de la conductibilité permettent d'assurer la régulation des nutriments des plantes avec des engrais dissous. Les capteurs Vaisala mesurent la température, l'humidité et le dioxyde de carbone, des éléments qui ont tous des impacts significatifs sur la croissance des plantes. « Puisque nous avions besoin d'une précision et d'une fiabilité sur le long terme, nous avons choisi les capteurs Vaisala. De plus le système de contrôle doit être aussi bon que les capteurs, il est donc logique d'utiliser ce qui se fait de mieux. » explique Justin.

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Les systèmes de contrôle de JFC ont été conçus par le directeur de l'ingénierie, Christoph Grundmann, dont l'expérience passée comprend une activité dans les communications par satellite avec la BBC et Arqiva, ainsi que dans la conception et la mise en œuvre de systèmes de contrôle de centrales électriques. Les systèmes de surveillance et de contrôle de toutes les installations de JFC fonctionnent très bien, sans temps d'arrêt significatif.

Les systèmes de contrôle du centre d'innovation de JFC ont été programmés et mis en service par Luke Grundmann, qui a été particulièrement impressionné par l'assistance rapide et proactive fournie par les ingénieurs de Vaisala pour connecter et configurer leurs capteurs modbus RTU à l'aide d'un convertisseur générique USB vers RS-485 et d'un logiciel gratuit. « Le responsable de la programmation spéciale n'était pas arrivé, mais malgré tout, l'ingénieur Vaisala m'a habilement guidé tout au long du processus en utilisant ce que j'avais sous la main, » explique Luke.

Après les avoir découverts au sein d'un système de contrôle de séchoir à grains, Christoph utilise à présent les capteurs Vaisala comme équipement standard. Il déclare que : « Chez JFC, nous cherchons à produire des récoltes aussi rentables que possible, mais il serait insensé d'acheter des capteurs à faible prix, car le coût d'une panne serait élevé et la fiabilité des capteurs Vaisala réduit le coût de propriété. »

« Il était également important que les capteurs disposent d'une capacité de communication MODBUS, ce qui a permis d'économiser beaucoup de temps et d'argent lors de l'installation et signifie que toute modification future sera rapide et simple à mettre en œuvre. »

Au sein des installations JFC, la température et l'humidité sont contrôlées par un système CVC séparé, mais Christoph déclare que : « Le CVC de JFC1 était équipé de ses propres capteurs, nous les avons donc remplacés par ceux de Vaisala. Au JFC2, nous utiliserons les capteurs Vaisala pour vérifier et valider les mesures effectuées par le système CVC et interviendrons si nécessaire. »

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La première récolte pour JFC2 est prévue pour l'été 2023 et, avec 15 niveaux différents, chaque acre devient 15 fois plus productif. Le toit de la nouvelle installation est entièrement recouvert de panneaux solaires et 100 % de l'énergie proviendra de sources renouvelables. L'eau de pluie sera récupérée et filtrée et près de 95 % de l'eau sera recyclée.

Pour optimiser l'efficacité des conditions de croissance au sein de JFC2, l'ensemble de l'installation sera surveillé par un réseau de capteurs Vaisala comprenant : 46 capteurs HR/Temp, 12 capteurs de CO2, 10 capteurs de température/HR/CO2, 2 capteurs de pression atmosphérique et une station météorologique multiparamètres Vaisala WXT série 530.

À propos du système de surveillance, Antti Viitanen de Vaisala  a déclaré : « La précision et la fiabilité de ces capteurs seront cruciales pour l'efficacité de la gestion continue des conditions de croissance des plantes, dépendante de la demande, car des mesures précises aident à optimiser la production agricole, tout en évitant le gaspillage et en minimisant les coûts. »

Sommaire

Les principaux avantages de l'agriculture verticale par rapport aux méthodes traditionnelles sont presque tous liés à la durabilité. Le sol et la biodiversité sont intacts, les émissions de gaz à effet de serre sont nettement inférieures, l'efficacité de l'eau est considérablement améliorée sans évapotranspiration inutile, épuisement du trou de forage ou lixiviation. L'espace est utilisé efficacement pour s'adapter à un environnement urbain si nécessaire et pour réduire les kilomètres alimentaires. Les produits frais peuvent aussi être disponibles n'importe quel jour de l'année, quel que soit le temps ou la saison. Cependant, l'escalade des coûts de production alimentaire signifie que la réussite des nouvelles fermes verticales dépendra de leur capacité à surveiller et à contrôler efficacement les intrants. C'est pourquoi la qualité des capteurs est si importante.

Pour l'avenir, Christoph prévoit d'améliorer encore la durabilité de JFC avec des initiatives telles que l'utilisation du CO2 issu de la biométhanisation et l'utilisation de milieux de culture compostables pouvant subir une biométhanisation. Il évalue également la sortie du point de rosée calculée des capteurs Vaisala pour déterminer s'il s'agirait d'un moyen plus intelligent de contrôler les systèmes CVC. De plus, avec l'aide des experts de Vaisala, il examine les mesures d'enthalpie pour les environnements intérieurs et extérieurs afin de déterminer la recirculation CVC la plus efficace (taux d'air frais).