Des simulations validées optimisent la production d’énergie solaire grâce à l’agriculture en rangées

Une équipe de recherche de l’Université Purdue a démontré comment optimiser le rendement des champs de maïs équipés de panneaux solaires qui, tout au long de la journée, projettent des ombres dynamiques sur les cultures en croissance.

L’équipe de huit chercheurs de l’Université Purdue et de l’Université d’Aarhus au Danemark a publié ses conclusions le 26 juillet 2024 dans Rapports de cellule sur la durabilité.

Les panneaux solaires (photovoltaïques) projettent généralement des ombres permanentes sur le sol tout au long de la journée. Une ombre permanente sur un champ agricole nuirait à la croissance des cultures. L’équipe de Purdue a testé un système agrivoltaïque qui surplombe les cultures pour permettre le fonctionnement de la moissonneuse-batteuse.

Le système a suivi le soleil pendant la journée. Grâce à des panneaux en mouvement constant, chaque rangée de maïs a reçu des intensités lumineuses différentes tout au long de la journée, mais aucune n’a été placée sous une ombre stable.

« Nous avons développé un modèle pour calculer quelle fraction de lumière tombe sur chaque rangée », a déclaré le co-auteur Rakesh Agrawal, professeur distingué Winthrop E. Stone de génie chimique à Purdue.

Grâce aux modèles de croissance des plantes et d’intensité lumineuse (ombre dynamique) de l’équipe de Purdue, les chercheurs peuvent désormais se poser des questions cruciales. Et si les panneaux solaires fonctionnaient à une hauteur plus basse ? Et s’ils étaient rapprochés ou éloignés les uns des autres ? Et s’ils cultivaient une variété de maïs plus courte ?

« Une saison est un point de données. Si vous souhaitez modifier vos variables, il n’y a qu’un été par an, donc si nous changeons la hauteur, vous ne pouvez cultiver qu’une seule culture cette année-là pour mesurer l’impact », a déclaré Agrawal. Mais avec les simulations, les fabricants de panneaux photovoltaïques, les compagnies d’électricité et les agriculteurs peuvent poser plusieurs questions hypothétiques et tester rapidement plusieurs options.

Les panneaux utilisés dans l’expérience de Purdue mesuraient 6 mètres de haut. Mais la modélisation a déjà montré que des panneaux de 3 mètres de haut produiraient des résultats similaires avec des coûts de construction bien inférieurs.

« Nous montrons au monde que, pour le maïs, une telle chose peut être faite et que cela fonctionne très bien », a déclaré Agrawal.

La co-auteure Margaret Gitau, professeure de génie agricole et biologique, a noté que dans certaines situations, l’agrivoltaïque peut également affecter le microclimat du champ de manière à favoriser la résilience climatique des cultures.

« Certaines zones pourraient connaître des conditions plus humides et plus fraîches, tandis que dans d’autres, les conditions pourraient ne pas être différentes de celles des zones sans panneaux solaires », a déclaré Gitau. « L’ombrage fourni par les panneaux peut être important pour conserver l’humidité dans les zones qui subissent un stress hydrique et thermique pendant les périodes particulièrement sèches. »

L’agrivoltaïque offre également la possibilité de construire des systèmes d’approvisionnement en eau autonomes. Les eaux de ruissellement ou de drainage pourraient être collectées et recyclées pour fournir une irrigation supplémentaire en utilisant l’électricité produite sur place, a-t-elle déclaré.

La plupart des travaux d’agrivoltaïque aux États-Unis se concentrent sur des cultures spécialisées telles que les choux de Bruxelles, les framboises, les choux et les poivrons. Mais ces cultures occupent un faible pourcentage de terres par rapport aux cultures en rang.

En 2022, le maïs, le soja et le blé couvraient plus de 200 millions d’acres aux États-Unis, selon l’Organisation des Nations Unies pour l’alimentation et l’agriculture.

« Les opportunités à grande échelle sont énormes », a déclaré Mitch Tuinstra, titulaire de la chaire d’excellence Wickersham en recherche agricole, même en prenant en compte les besoins spécifiques des systèmes agrivoltaïques, notamment les lignes de transmission à proximité, le sol plat et les limites d’humidité.

L’auteur principal de l’étude interdisciplinaire, l’étudiante en doctorat Varsha Gupta, est co-encadrée par Agrawal et Gitau. « Varsha a su intégrer les connaissances de diverses disciplines, notamment le génie chimique, la science des données, l’intelligence artificielle, les mathématiques et le génie agricole et biologique, ce qui n’est pas une mince affaire », a déclaré Gitau.

Le nouveau document fait suite à une étude connexe publiée en mars dernier par six des mêmes co-auteurs qui décrivaient comment optimiser les systèmes agrivoltaïques pour la production alimentaire ou énergétique en ajustant le suivi ou l’anti-suivi solaire.

Le suivi permanent génère le plus d’énergie. L’anti-suivi ne projette aucune ombre sur les cultures mais ne génère pas non plus d’électricité. La nouvelle étude explique comment optimiser le système grâce à la modélisation dynamique des ombres.

Les résultats expérimentaux publiés dans les deux articles ont révélé un impact relativement faible des ombres dynamiques sur le rendement du maïs issu de l’agrivoltaïque. Les ensembles de données étaient quelque peu différents, mais le maïs des deux expériences a subi un ombrage de 20 à 25 % du temps.

« On pourrait penser qu’il y aurait une perte de 20 à 25 %. Nous constatons une perte d’environ 8 % », a déclaré Tuinstra.

Les agriculteurs peuvent gagner 1 000 dollars par acre de production d’électricité s’ils optimisent leur production pour l’énergie, et environ 300 dollars par acre s’ils optimisent leur production pour le maïs. Tuinstra imagine le jour où un système intelligent connecté au Chicago Board of Trade pourrait prendre en compte de manière dynamique les prix du maïs et de l’énergie.

« Les opportunités offertes par l’agrivoltaïque et la production d’énergie renouvelable peuvent également contribuer aux futurs services écosystémiques », c’est-à-dire aux avantages que les écosystèmes procurent aux populations, a déclaré Tuinstra. Cela devient possible si de nouvelles technologies agricoles durables et régénératrices peuvent être intégrées à l’agrivoltaïque.

L’agriculture régénératrice englobe des stratégies de gestion qui incluent des cultures de couverture, des bandes de prairies, une agriculture sans labour et une application minimale d’engrais azotés. Ces pratiques offrent des services écosystémiques, mais leurs coûts sont élevés pour les consommateurs, les producteurs et le gouvernement.

« Si vous trouvez un moyen d’intégrer ces éléments, vous obtenez tout d’un coup des services écosystémiques financés par les énergies renouvelables. Tout le monde peut bénéficier de ces services écosystémiques », a déclaré Tuinstra.