Vive le gaz carbonique !

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Le CO2 nous «serre» !

http://www.legumes.ch/public/index.php?cid=100&articleid=560

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Alors que la législation prévoit de mettre en place une taxe CO2 avec pour objectif de réduire les dépenses énergétiques de 10%, voici quelques éléments de réflexion quant à la conception des installations techniques de serres et leur mode de fonctionnement pour utiliser au mieux le CO2. Commençons par les intérêts agronomiques du CO2.
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Article
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A la base de la croissance des plantes, on trouve la photosynthèse, qui combine CO2 et eau pour fabriquer les sucres qui serviront à construire la plante en exploitant l'énergie lumineuse disponible.

Les plantes, grâce à la photosynthèse, sont les seuls êtres vivants capables d'exploiter le CO2 atmosphérique pour fabriquer des acides aminés et protéines. Les animaux et l'homme dépendent des plantes pour cette fonction. La photosynthèse augmente avec la lumière ainsi qu'avec le CO2 disponible c'est-à-dire que si le niveau de CO2 est trop faible, la lumière est mal exploitée.

Exemples:
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- à 350 ppm, niveau atmosphérique, et 200 W/m2, la plante assimile 20 kg de CO2 par hectare et par heure.

- si la teneur en CO2 tombe à 100 ppm, la plante n'assimile plus que 10 kg de CO2 par hectare et par heure. C'est comme si on ne disposait plus que de 80 W/m2 de lumière; la perte est de 120 W/m2.
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Un hectare de serre contient environ 40'000 m3d'air, soit 14 m3 de CO2 ou 27.5 kg de CO2, soit une heure de photosynthèse à 350 W/m2 sans ventilation.
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Pour capter la lumière et le CO2 nécessaires à la photosynthèse, la plante a besoin de surface foliaire. Cette surface sert aussi à la transpiration, qui est le moteur de l'absorption hydrique et minérale. Pour la tomate, 30 % de la biomasse sont alloués aux parties végétatives, feuilles, tiges et racines alors que les 70 % restant sont alloués aux fruits.
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Comme la serre limite les échanges gazeux avec l'extérieur suivant la ventilation, il est intéressant d'apporter du CO2 aux plantes pour favoriser la photosynthèse. Les concentrations peuvent être de 650 à 1000 ppm en hiver, soit 3 à 20 kg /ha/h, et de 400 à 500 ppm en été pour éviter les pertes trop importantes par ventilation, soit 25 à 40 kg/ha/h injecté.
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Dans tous les cas, une concentration plus faible mais durant plus longtemps fournit plus d'efficacité, le matin de préférence.
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Maîtrise des installations

L'usage du gaz naturel en chaufferie permet la production gratuite de CO2. Ce gaz est composé essentiellement de méthane (CH4) dont la combustion complète produit du gaz carbonique (CO2) et de la vapeur d'eau.
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La combustion d'1 m3 de gaz nécessite 2 m3 d'oxygène soit 10 m3 d'air. Cette combustion va produire environ 11 m3 de produits contenant 2 kg de CO2 pouvant être injectés en serre après refroidissement et condensation de la vapeur d'eau.
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L'énergie thermique récupérée après condensation atteint 11 kWh.

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Les besoins thermiques d'une serre sont extrêmement variables au cours de l'année et au cours d'une journée. Alors qu'une puissance thermique en chaufferie de 300 à 500 kW/ha est suffisante pour assurer la production de CO2 nécessaire, soit 70 à 100 kg/ha/h, une puissance de 3000 kW/ha sera exigée durant quelques jours par an pour passer les pointes de froid hivernales.
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Il y a donc au minimum un facteur 6 entre la puissance thermique installée en chaufferie et la puissance thermique suffisant à produire le CO2.
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Une chaufferie bien conçue pour la production de CO2 comportera deux chaudières fonctionnant en cascade. L'une fonctionne prioritairement pour les besoins en CO2 et l'autre vient en complément pour assurer les besoins thermiques. Dans la pratique, on trouve fréquemment des chaufferies équipées de deux chaudières de puissance similaire (1500 kW/ha chacune), équipées de brûleurs modulants.
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Nous conservons toutefois le principe d'une chaudière de base produisant le CO2 et d'une chaudière assurant la modulation thermique.
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En équipement complémentaire, on trouvera des ballons de stockage d'eau chaude. En effet, la photosynthèse se fait en présence de lumière, donc le jour.

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Or, la serre, qui est un capteur d'énergie, voit par conséquent ses besoins thermiques diminuer le jour. Pour permettre les injections de CO2, les chaudières fonctionnent le jour sans demande énergétique et l'eau chaude produite est stockée dans un ballon.

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Cette eau chaude sera restituée préférentiellement la nuit lors d'une demande thermique. Le stockage d'eau chaude permet donc à la fois d'optimiser les besoins en CO2 et la demande énergétique de la serre.

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Exemple concret de l'utilisation du CO2

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Faisons une comparaison de trois types d'installations existantes (voir tableau ci-dessus):

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- serre sans équipement d'injection de CO2

- serre équipée pour l'injection de CO2 sans stockage d'eau chaude

- serre équipée pour l'injection de CO2 avec stockage d'eau chaude.

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Ces chiffres méritent quelques explications.

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Tout d'abord, les dépenses énergétiques sont plus importantes lorsqu'on injecte du CO2 sous serre. L'écart de 16 % d'énergie supplémentaire entre une serre sans CO2 et une serre avec CO2 est dû à la pratique du minimum tuyau, c'est-à-dire que nous conservons une température d'eau de chauffage de l'ordre de 30 à 35°C en permanence pour faire fonctionner la chaudière et donc injecter du CO2.

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Par contre, on note un écart thermique de 3 % entre une serre avec CO2 et une serre avec CO2 plus stockage d'eau chaude.

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Cet écart est dû aux déperditions thermiques du stockage d'eau chaude.

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On constate donc qu'un stockage d'eau chaude n'engendre pas de sur-consommation d'énergie, mais permet d'injecter plus de CO2 dans les serres puisque dans ce cas on découple le fonctionnement de la chaudière en l'activant le jour.

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Simulation de la réduction énergétique Supposons des besoins en chauffage de 330 kWh/m2/an. L'année n+1, je m'engage a réduire ma consommation de 10%, comme le prévoit la loi c'est-à-dire que je décide de dépenser 297 kWh/m2/an en posant par exemple des écrans thermiques ou en choisissant une variété moins exigeante en température. La réduction correspondante de gaz consommé atteint alors 3 m3, soit 6 kg de CO2 (équivalent à 33 kWh/m2/an). C'est ce que prévoit la loi pour une serre sans CO2 .

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Or, si l'on injecte du CO2 sous serre, la comparaison précédente montre que l'on a certes augmenté les dépenses énergétiques à 323 kWh/m2/an, mais l'on a ramené les rejets de CO2 dans l'atmosphère à 44,3 kg (58,8 – 14,5 kg), soit en dessous de la réduction prévue par la loi. Dans ce cas, l'objectif est déjà atteint et l'on peut faire beaucoup mieux avec un stockage d'eau chaude.
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La serre sans injection de CO2 peut être comparée à n'importe quelle entreprise qui consomme de l'énergie pour ses besoins spécifiques. Et les serristes disposent des moyens de mettre en avant les installations ou équipements spécifiques réalisés pour utiliser au mieux le CO2 et par là-même, limiter les rejets dans l'atmosphère.

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Tous les chiffres mentionnés dans cet article ont fait l'objet d'une étude menée par Gaz de France en collaboration avec l'AIREL de Sainte-Livrade région Sud-Ouest et une journée Top Gaz en mars 1998.

Intervenants: M.Tchamitchian, INRA-Avignon, Intérêts agronomiques du CO2 , M.Leroy, expert gaz industrie Gaz de France, Maîtrise des installations, I . Bertrand, direction de recherche Gaz de France, Stockage eau chaude, F.Carmelez, AIREL, gestion du CO2 sous serre, conduite des facteurs climatiques, résultats agronomiques.

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PS: Je n'ai pu faire figurer les exposants pour 'mètre cube & carré', ni l'indice pour méthane THquatre, le pavé ci-dessus ne les acceptant PAS !