En quête d‘efficacité énergétique: révolutionner l‘AEC avec la gestion intelligente de l‘énergie

Par l'équipe R&D et agronomique de Sollum

Preface

L'agriculture en environnement contrôlé (AEC) émerge comme un modèle de durabilité dans la quête pour répondre à la demande croissante de production alimentaire dans un monde sous pression en raison du changement climatique et de la croissance démographique. Au cœur de cette évolution, cependant, se trouve un défi redoutable : maîtriser l'efficacité énergétique.

Les exigences énergivores de l’AEC en matière d'éclairage, de chauffage, de ventilation et de climatisation augmentent non seulement les coûts, mais soulèvent également des questions sur la durabilité environnementale et la fiabilité opérationnelle.

Ce livre blanc vous emmène dans un voyage à travers le paysage complexe de la gestion de l'énergie dans l'AEC. Il trace le chemin vers l'optimisation de la consommation d'énergie, la réduction des coûts et l'amélioration de la durabilité de l'agriculture intérieure grâce à la gestion intelligente de la plateforme infonuagique Le Soleil à votre Service (SOLaS) de Sollum® en tête de la révolution.

Rendement et coûts de l’énergie : un exercice d’équilibre

La réaction des plantes à la lumière dépend de plusieurs facteurs, notamment la culture, la variété, l’ensoleillement naturel, le stade de développement et les objectifs du producteur.

La lumière est captée par les photorécepteurs des feuilles et l’énergie est utilisée pour créer des molécules à base de carbone, qui sont ensuite utilisées comme source d’énergie pour la croissance, le développement des fleurs et des fruits, etc. Comme la génétique est propre à la culture et la variété, la réponse aux conditions environnementales, y compris la lumière, varie entre les cultures et les variétés.

En revanche, certaines réponses aux longueurs d’onde (c.-à-d. le spectre) sont généralisables et sont décrites ci-dessous. Il est important d’utiliser le bon spectre pour atteindre les objectifs du producteur et maximiser la rentabilité de l’énergie consommée.

*Les luminaires de Sollum n'émettent pas de rayons UV. Ces informations sont incluses à titre informatif seulement.

En plus de la haute variabilité des stratégies d’éclairage, qui offrent chacune un équilibre entre l’efficacité énergétique et l'efficacité agronomique, de multiplies modèles de tarification sont offerts par les fournisseurs d’énergie : la tarification selon l’heure d’utilisation, la tarification par palier, la tarification dynamique et la tarification en demande de pointe.

·     La tarification selon l’heure d’utilisation implique des tarifs plus élevés pendant les heures de pointe et des tarifs plus bas pendant les heures creuses, incitant les consommateurs à déplacer leur consommation vers des périodes de faible demande.

·     La tarification par palier attribue aux consommateurs différents niveaux de prix en fonction de leur consommation, avec des tarifs plus élevés lorsque la consommation dépasse des seuils prédéfinis pour encourager la conservation.

·     La tarification dynamique permet des ajustements en temps réel des tarifs d'électricité liés aux conditions du marché, permettant aux consommateurs de réagir aux fluctuations de prix et d'optimiser leur consommation.

·     Enfin, la tarification en fonction de la demande de pointe impose des frais basés sur la consommation d'électricité pour une période donnée, poussant les consommateurs à gérer cette demande afin d’éviter des frais plus élevés et ainsi réduire les coûts globaux.

Ces stratégies de tarification jouent des rôles critiques dans la gestion de la demande d'électricité, la promotion de l'efficacité énergétique et la garantie de modèles de consommation rentables.

Étant donné la diversité des modèles de tarification, les producteurs en serre doivent soigneusement considérer leurs choix pour gérer efficacement les coûts énergétiques.

Peu importe l’option choisie, il est essentiel que la technologie utilisée dans les serres soit adaptée pour optimiser les économies d'énergie.

Une flexibilité élevée pour des systèmes complexes : une approche intelligente

Dans un contexte de tarification selon l’heure d’utilisation, l’approche la plus courante consiste à planifier les activités énergivores durant les périodes creuses pour réduire les coûts et à limiter la consommation durant les périodes de pointe. Cependant, cet idéal n’est souvent pas réalisable en pratique, car les horaires de basse tarification ne coïncident pas toujours avec les besoins agronomiques des cultures.

L’avantage d’un système à puissance hautement ajustable est que pendant la consommation durant les périodes de pointe et les périodes intermédiaires, le producteur peut optimiser avec précision l’équilibre entre les rendements et les coûts.

La puissance des luminaires intelligents DEL de Sollum peut être ajustée aux fractions de watts près en changeant soit l’intensité lumineuse (PPFD), soit le spectre. En effet, certains spectres ont une efficacité énergétique supérieure et peuvent donc remplacer des spectres plus énergivores, mais plus adaptés aux besoins agronomiques des plantes.

Performances généralement attendues pour chaque type de DEL en fonction de leur composition. Des variations peuvent exister entre les modèles disponibles.

Dans un contexte de tarification par paliers, on peut déterminer l’équilibre idéal entre les frais d’opération et les rendements des cultures pour chaque palier, et dynamiquement adapter la stratégie en serre immédiatement lors de l’atteinte du palier supérieur.

Les deux méthodes d’ajustement de la consommation électrique ci-dessus, le changement d’intensité et de spectre, peuvent diminuer les frais lors de l’atteinte d’un palier supérieur.

Par exemple, à Hydro-Québec, les premiers 1200 kilowattheures du mois sont à 6.483 ¢/kWh et les suivants sont à 9.857 ¢/kWh. ll est donc possible d’ajuster à la baisse la consommation de l’équipement dès l’atteinte de ce palier pour éviter une hausse trop importante des frais d’opération.

Un suivi agronomique serré est vital pour les serres qui adoptent une facturation par palier car différentes phases de croissance peuvent nécessiter plus d'énergie. Par exemple, les niveaux de lumière accumulée visés (c.-à-d.,le DLI cible) pour le cannabis augmente considérablement au cours du cycle de production, passant de 16 mol/m2/jour à la plantation à 50 mol/m2/jour à la récolte. Idéalement, l’horaire de culture devrait être adapté à cette réalité en faisant attention à ce que cette phase coïncide avec un palier inférieur.

Dans un environnement de tarification en temps réel, l’utilisation d'un système intelligent et dynamique de gestion de l'énergie offre des avantages significatifs aux entreprises. En ajustant automatiquement leur consommation en fonction des tarifs énergétiques actuels, ce système permet aux entreprises d'optimiser leur consommation d'énergie et de bénéficier de tarifs plus bas. Cette réactivité en temps réel permet d'importantes économies de coûts à long terme en déplaçant une partie de la consommation énergétique vers des périodes de prix plus favorables. De plus, l'automatisation simplifie l’ajustement de l’intensité et du spectre en fonction des coûts, ce qui réduit le besoin d'interventions manuelles et libère des ressources pour améliorer l'efficacité opérationnelle et la durabilité.

Lors d’un appel de puissance, un système idéal doit être doté de deux fonctionnalités clés pour optimiser la consommation électrique. La première est d’estimer le pic de consommation idéal qui équilibre le rendement et les coûts d’opération pour la période de facturation.

Ce pic peut être calculé en utilisant des données historiques et des prévisions météorologiques. La deuxième fonctionnalité est la capacité du système à limiter la puissance maximale de l’équipement pour qu’elle n’excède jamais la limite optimale déterminée par le système. Par exemple, plusieurs cultures sont transplantées dans la serre début septembre, période où il y a encore beaucoup de lumière naturelle et les besoins des jeunes plants sont moindres.

En réduisant la puissance maximale des luminaires à ce stade (e.g., limiter la puissance maximale à 75 %), le producteur réduit sa demande maximale et donc les coûts d’appel de puissance.

Plus la puissance maximale peut être contrôlée avec précision, plus il est possible d’optimiser la profitabilité de la serre. En guise d’exemple, Hydro-Québec détermine la puissance à facturer en prenant 65 % du plus grand appel de puissance au cours des mois de décembre, janvier, février et mars de l’année précédente.

Réduire la puissance maximale utilisée pendant ces 4 mois peut donc affecter substantiellement la facture énergétique annuelle.

Un problème concret avec une solution concrète

Pour mieux comprendre comment un système intelligent peut prendre des décisions basées sur les besoins de la plante et du producteur en serre, voici une situation concrète.

Prenons comme exemple un producteur de fraises à jour neutre qui vient de repiquer.Les fraisiers sont donc dans leur phase de croissance végétative, où l’objectif est d’encourager la croissance des feuilles et de produire une canopée ouverte qui permet une bonne circulation d’air. À ce stade, une recette lumineuse avec un taux de rouge lointain plus élevé est recommandée puisque cette longueur d’onde stimule l’élongation des tiges et l’expansion des feuilles. Un producteur pourrait donc commencer avec le paramétrage suivant:

Spectre optimal : teneur élevée en rouge lointain

Intensité optimale : 220 μmol

Efficacité du spectre : 3.05 μmol/J

Photopériode : 16 heures

Le fournisseur d’énergie nous indique que 3 heures de notre photopériode prévue seront tarifées en période de pointe, ce qui augmentera les frais de 10%. Le système a plusieurs options.

Période de pointe durant la photopériode programmée (rouge)

Option 1 : changer l’intensité durant la période de pointe.

Le système peut réduire l’intensité à 200 μmol de manière à consommer 10 % moins d’électricité.

Option 2 : changer le spectre durant la période de pointe.

Le système peu changer le spectre durant la période de pointe pour seulement utiliser les canaux les plus efficaces, ce qui améliore l’efficacité du spectre de 3.05 μmol/J à 3.36 μmol/J, réduisant ainsi la consommation électrique de 10 %.

Option 3 : décaler la photopériode.

La troisième option est de fermer les luminaires durant la période de pointe et d’allonger la photopériode de 3 heures.

Dans ce genre de situation, l'algorithme décisionnel du système doit être adapté aux besoins agronomiques de la culture. Dans ce cas, la recherche indique qu’une photopériode de 16 heures est optimale pour les fraises et que l’intensité minimale doit être de 150 μmol pour assurer une photosynthèse efficace. Modifier le spectre, l’intensité ou la photopériode en fonction des heures de pointe est une action temporaire qui vise à réduire les coûts d’énergie avec un impact minimal sur la culture. Une fois les heures de pointe passées, le système remet les paramètres optimisés pour la croissance.

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