Serre écologique : Différence entre versions

Version du 30 avril 2008 à 11:39

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Description

• Les serres sont utilisées traditionnellement par les agriculteurs du monde entier pour optimiser leurs cultures. Le principe général est de piéger les infrarouges du rayonnement solaire, ce qui entraîne une augmentation de la température à l'intérieur de l'enceinte, c'est l'effet de serre.
• Mais pour maintenir une température à peu près constante durant l'hiver et la nuit, les agriculteurs ont souvent recours à un système de chauffage au gaz. Dans le contexte énergétique actuel où les énergies fossiles sont de plus en plus rares et donc chères. Aux Pays-Bas, où le chauffage des serres représente 10% de la consommation nationale de gaz naturel, des chercheurs ont réfléchi à une solution alternative pour le chauffage des serres.
• L' idée était de développer un système permettant de s'affranchir de l'utilisation du gaz et qui plus est, de transformer les serres en sources d'énergie renouvelables, utilisables par les habitations à proximité. De leur travail est né le concept de serre écologique avec un projet concret : la Cité serre ^[1].
• Ce projet est basé sur une serre fermée qui capte l'excès de chaleur du Soleil pendant l'été et le stocke dans un réservoir aquifère (nécessité d'être sur un site disposant d'un aquifère). Cette chaleur est ensuite réutilisée pour chauffer la serre la nuit et en hiver, mais également pour chauffer les habitations environnantes. En effet, une serre écologique de 2ha permet alors de chauffer 200 habitations à basse consommation d'énergie.

Principe de fonctionnement

Schéma global de l'installation

Chauffage

Système de chauffage

• Dans les périodes chaudes, le soleil chauffe la serre grâce aux rayonnements infrarouges qui restent prisonniers à l'intérieur. Contrairement à certaines serres qui sont parfois ouvertes aux extrémités, la serre écologique est obligatoirement fermée. Volontairement, il n'y a pas de ventilation pour évacuer l'excès de chaleur dans l'air ; au contraire, cette chaleur est transmise à un circuit d'eau via des échangeurs eau/air disposés aux pieds des plantes.
• L'eau chauffée grâce aux échangeurs est ensuite envoyée dans un réservoir aquifère situé sous la serre, entre 25 et 100m de profondeur.
• Un gradient de température (8 à 25°C) s'établit naturellement dans l'aquifère (stratification naturelle, due à la variation de masse volumique de l'eau) qui sert donc de réservoir de stockage de chaleur.
• Il est également possible de refroidir la serre pendant les chaudes journées d'été, en pompant l'eau froide à 8°C dans le fond de l'aquifère puis en l'envoyant dans un autre échangeur eau/air permettant ainsi le refroidissement de l'air de la serre dont la température intérieure ne doit pas dépasser 30 °C.
• Dans les périodes plus froides, en hiver ou pendant la nuit, l'eau chaude à 25°C est pompée et envoyée dans les échangeurs pour réchauffer la serre et chauffer les habitations via un plancher chauffant.
• Dans l'aquifère, il est nécessaire de conserver un équilibre thermique sur une base de temps annuelle. En été, la température dans l'aquifère ne doit pas dépasser 25°C (lois néerlandaises) pour éviter un lent réchauffement du sol. Pour ce faire, il est nécessaire d'utiliser une tour de refroidissement fonctionnant grâce à un échangeur air/eau (un appoint en eau est nécessaire car l'air s'humidifie en montant).
• Les échangeurs de chaleur eau/air utilisés sont basés sur une technologie qui permet d'obtenir une très grande efficacité d'échange, et ce même à basse température. Ils sont composés d'un réseau de tubes en cuivre de diamètre 0.1mm, qui permet d'obtenir un très bon coefficient d'échange surfacique (jusqu'à 300 W/m²). Grâce à une capacité de traitement de 4000 m3/h, il est possible de chauffer ou refroidir rapidement de grands volumes. De plus, le faible pincement des échangeurs (différence de température entre l’air entrant et l’eau sortante inférieur à 5°C) permet de récupérer de la chaleur à basse température en consommant peu d'énergie.
• De tels échangeurs sont également utilisés pour le système de conditionnement d'air dans les habitations reliées à la serre : un système double flux « classique » (soufflage et extraction mécanique) couplés à deux de ces échangeurs. Les calories de l’air sortant sont captées par l’eau qui est immédiatement réintroduite dans l’autre échangeur relié à l’air entrant. L’air entrant est donc réchauffé avant son introduction dans le bâtiment.

Cycle de l'eau

Cycle de l'eau

• Les eaux usées des logements raccordés à la serre sont récupérées pour être retraitées, on distingue:
  • Les eaux grises : douches, cuisine
  • Les eaux noires : toilettes

• Pour réduire la production d'eau noire (et donc le volume du digesteur), des toilettes sèches sont utilisées dans les logements (chasse d'eau de 1L contre 10L pour des toilettes classiques).
• L'eau noire récoltée est acheminée jusqu'à un digesteur anaérobie qui permet de traiter l'eau et de produire du biogaz. Une partie de l'eau grise est également introduite dans le digesteur anaérobie.
• La majeure partie de l'eau grise est quant à elle traitée par aérobiose dans un bioréacteur. Le traitement a pour but :
  • De baisser la DCO
  • De réaliser la nitrification
  • De réaliser la dénitrification partielle

• A la sortie du bioréacteur, on obtient une eau contenant un taux de nitrate idéal pour le développement des plantes, qui sera utilisée pour l'irrigation de la serre (on apporte au besoin de l'eau de pluie récupérée).

• Les plantes vont quant à elles prélever les nutriments et transpirer l'eau résiduelle : c'est l'évapotranspiration. Cette vapeur d'eau est récupérée par condensation sur les parois de la serre. Un traitement à base de charbon actif et un apport de CaCO3 (fournit ions Calcium et Carbonates) permettent la potabilisation de cette eau qui sera ensuite renvoyée vers les logements et consommée par les habitants. Un système de contrôle de la qualité de l'eau sera également mis en place. En fonction des besoins, un apport d'eau potable s'avère éventuellement nécessaire.

Cycle du carbone

Cycle du carbone

• La biomasse (cela comprend les déchets végétaux, les déchets biodégradables des habitants et l’eau noire) est envoyée dans un digesteur anaérobique (absence d'oxygène) et fermentée.
• Dans le digesteur, les micro-organismes fonctionnant en milieu anaérobie, vont transformer la matière organique en CH4 et CO2 : méthanisation qui permet de produire du biogaz (65% CH4 + 35% CO2 + traces H2, N2, H2S). Pour éviter les odeurs "d'œuf pourri" (H2S) à proximité des habitations, le digesteur est situé juste à côté de la serre.
• Le biogaz est ensuite envoyé dans une turbine à gaz pour faire de la cogénération (production de chauffage + électricité) : La combustion produit de la chaleur, et les gaz font tourner une turbine, qui couplée à un alternateur, produit de l'électricité. Le chauffage sert à la production d'eau chaude sanitaire et l'électricité sert à faire fonctionner les différents ventilateurs et pompes de l'installation, ainsi qu'une partie des habitations
• Les restes de la digestion anaérobique sont quant à eux séparés en deux phases : liquide et solide
  • Les effluents liquides => traitement en bioréacteur aérobiose (comme l'eau grise).
  • Le digestat solide => compost (on peut ajouter des copeaux de bois pour améliorer l'améliorer), qui sert de substitut à la tourbe comme engrais pour les plantes dans la serre.
• Le CO2 (ainsi que les résidus de gaz de combustion) produit sera injecté dans la serre pour la croissance des plantes, permettant d'obtenir ainsi de meilleurs rendements.

• PCI = 20-25 MJ/m3 (soit 60% du gaz naturel entre 35-40 MJ/m3).
• CO2 et CH4 séparés par différence de densité (respectivement 44 et 16 g/mol).

Système des nutriments

Cycle des nutriments

• Les minéraux de la biomasse (c'est à dire le digestat) mélangés à l'eau récupérée (après le passage dans le bioréacteur) permettent d'assurer la nourriture et l'engrais des plantes de la serre.

Synthèse

• Ces quatre systèmes sont étroitement connectés. Le système de nutrition des plantes est une section du cycle de l'eau, lui même connecté avec le système de chauffage de la serre, ce qui forme les bases du schéma de la Cité Serre^[2].

• L'unique condition nécessaire à un tel projet est d'être sur un terrain ayant un aquifère en sous-sol. Le sous-sol français ne dispose pas toujours d’aquifères de bonne qualité le permettant. On peut développer une variante autour du procédé initial de serre fermée avec aquifère : le concept de la Serre Semi fermée.
  • Le concept de la Serre Semi fermée est basé sur le même système de chauffage par échangeurs de chaleur eau/air auquel on associe une tour aéro-réfrigérante et un bassin tampon qui joue le rôle d’aquifère en augmentant l’inertie thermique du système. Ce dispositif permet de refroidir la serre la journée et de la chauffer la nuit en utilisant l’énergie solaire et le froid de l’air.
  • La serre reste fermée ou semi fermée tout au long de l’année. La chaleur apportée par l’énergie solaire est refroidie avec l’eau froide créée la nuit par la tour aéro-réfrigérante et stockée dans le bassin. L’eau tiède ainsi obtenue est réutilisée pour chauffer la nuit. Lorsque cela est nécessaire en hiver, nous utilisons une eau chaude produite par une chaudière (économie de 65 à 70% de gaz).

Un habitat écologique, économique et social

• Ce projet s'inscrit dans une démarche de développement durable puiqu'il réunit ses trois piliers, à savoir :
  • Environnement, en préservant les ressources et en réduisant les émissions de CO2 de 90%.
  • Social, en améliorant les conditions de vie et la santé des employés, des habitants qui mangent des produits plus sains.
  • Economie, factures d'électricité, de chauffage et d'eau nulles et en produisant 20% de plus.

Avantages

Par rapport à une architecture de serre traditionnelle, il y a de nombreux avantages :

• Autonomie en électricité (pour les habitations et les pompes et ventilateurs de l'installation) d'origine renouvelable (lien).
• Autonomie de la serre et des logements en chauffage. Une serre de 2 ha permet de chauffer 200 maisons. Le chauffage est d'origine renouvelable (géothermie et cogénération pour l'ECS).
• Toute l'eau usée est traitée et réutilisée sur place, on produit de l'eau potable. Autonomie en eau mis à part l'utilisation de l'eau de pluie. On réduit de 75% la consommation d'eau.
• 75% des déchets ménagers sont recyclés en engrais, électricité et eau chaude (cogénération).
• Les besoins en énergie fossile pour le chauffage de la serre sont nuls.
• Réduction de 90% des émissions de CO2 du complexe.
• La production en serre fermée évite l’intrusion des insectes et limite les maladies, permettant de réduire fortement l’utilisation des pesticides.
• Une production agricole plus compétitive : la productivité augmente de 20% grâce au contrôle de divers paramètres (CO2, taux d’humidité, etc.), à une température plus homogène et à la fermeture de la serre (moins de parasites et de maladies).
• La qualité de la production est accrue (moins d’utilisation de pesticides).
• La serre permet d’offrir aux habitants des produits de meilleure qualité à un prix plus compétitif.
• Le travail en serre est moins pénible car la serre est plus fraîche en été. L'atmosphère est beaucoup plus saine (90% de pesticides en moins car on utilise des engrais azotés comme nutriments en recyclant le carbone).
• De plus, ce système permet de rapprocher le monde urbain et le monde rural avec la possibilité de cultiver des légumes directement consommables par les habitants de l'éco-quartier.

Perspectives futures

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Références

1. ↑ http://www.eseta.fr/index_fichiers/citeserre.htm
2. ↑ http://www.eseta.fr/index_fichiers/citeserre.htm

Voir aussi

Liens internes

• Biogaz
• Ecovillage
• Géothermie

Liens externes

• Cité Serre
• Serre chauffée au biométhane (Canada)

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