De nouveaux panneaux solaires permettent aux agriculteurs de voir la lumière

Les terres arables sont à une prime sans précédent. Depuis la dernière période glaciaire, les humains ont défriché un tiers des forêts de la terre et les deux tiers de ses prairies sauvages, une grande partie pour l’agriculture. Et alors que la population mondiale – 8 milliards en novembre dernier – continue d’augmenter, il y a une pression toujours croissante sur les terres agricoles pour produire non seulement plus de nourriture mais aussi de l’énergie propre.

Dans des endroits comme Yakima, Washington, cela a créé une concurrence pour l’espace alors que les panneaux solaires gourmands en terres engloutissent les champs disponibles. Le mois dernier, le Energy Facility Site Evaluation Council de l’État a approuvé des plans pour couvrir 1 700 acres de terres agricoles avec des panneaux photovoltaïques (PV), écartant le moratoire du comté sur les projets solaires et alimentant les inquiétudes de la communauté concernant les impacts à long terme de la perte de terres cultivées.

Une récente étudier de l’Université de Californie à Davis, cependant, montre comment les agriculteurs pourraient bientôt être en mesure de récolter des cultures et de l’énergie ensemble, sur un terrain d’entente. Les chercheurs ont conclu que les bandes du spectre de la lumière visible peuvent être filtrées et exploitées séparément – les ondes lumineuses bleues pour générer de l’énergie solaire et les ondes lumineuses rouges pour faire pousser des fruits et des légumes – pour tirer le meilleur parti des terres agricoles, tout en réduisant le stress thermique et en réduisant les déchets des cultures.

“Pourquoi est-ce que [agriculture] doit être un jeu à somme nulle si nous pouvons optimiser le terrain pour les deux ? » demande Majdi Abou Najm, professeur agrégé au Département des ressources terrestres, atmosphériques et hydriques de l’UC Davis et Institut de l’environnement camarade, qui a co-écrit l’article.

Les photons, ou les particules qui composent la lumière, ont des propriétés différentes, explique-t-il : les bleus ont une énergie plus élevée que leurs homologues rouges, ce qui donne une lumière avec une longueur d’onde plus courte et une fréquence plus élevée. Bien que cela donne à la lumière bleue la secousse nécessaire pour générer de l’énergie, la pulsation supplémentaire entraîne également des températures plus élevées.

« Du point de vue des plantes, les photons rouges sont les plus efficaces », déclare Abou Najm. “Ils ne rendent pas la plante chaude.”

Grâce à la modélisation informatique, Abou Najm et l’auteur principal Matteo Camporese, professeur agrégé au Département de génie civil, environnemental et architectural de l’Université de Padoue, ont découvert que l’application d’ondes lumineuses rouges aux plantes augmentait la photosynthèse et l’assimilation du carbone, le processus par lequel elles métabolisent dioxyde de carbone en composés organiques, tout en réduisant la transpiration. En d’autres termes, sous le spectre plus froid, “les cultures peuvent obtenir la même quantité de CO2 en utilisant moins d’eau”, dit-il.

Bien que leurs recherches aient été inspirées par les applications de lumière hydroponique utilisées dans les systèmes d’agriculture en intérieur, « celles-ci ont un coût énergétique élevé », explique Abou Najim. “Nous avons décidé d’utiliser la lumière du soleil comme intrant.”

L’un des principaux objectifs de l’étude, explique Abou Najim, est “d’inciter l’industrie à créer une nouvelle génération de panneaux solaires”. Camporese voit du potentiel dans cellules solaires organiques, qui, contrairement aux surfaces brillantes métalliques à base de silicium, sont issues de composés à base de carbone. Fines et translucides, les cellules s’appliquent comme un film sur diverses surfaces, dont le verre. Cette technologie pourrait être utilisée pour développer des panneaux photovoltaïques photo-sélectifs qui filtrent la lumière bleue pour générer de l’énergie, dit-il, tout en transmettant le spectre rouge aux cultures plantées directement en dessous.

Tomates cultivées sous les panneaux solaires filtrant la lumière. Photographie avec l’aimable autorisation de UC Davis.

Le domaine croissant de l’agrivoltaïque, dans lequel la terre est utilisée à la fois pour la production alimentaire et la production d’énergie, a en fait rendu l’utilisation des terres plus efficace en intercalant des panneaux solaires conventionnels entre les rangées de cultures. (Le pâturage solaire est une variante où le bétail pâture entre les rangées.) Les panneaux inclinés ombragent les légumes à feuilles et les fruits sensibles à la chaleur des rayons les plus intenses de la journée ; les plantes, quant à elles, transpirent l’humidité et abaissent la température sous les cellules thermosensibles, améliorant ainsi leurs performances.

Cependant, les plantes cultivées par agrivoltaïque sont cultivées à l’ombre partielle, et “moins de lumière signifie généralement moins de rendement”, explique Camporese. Cela limite effectivement la densité des panneaux solaires et des plantations dans les fermes de cogénération. Mais des réseaux translucides permettraient une couverture complète des deux champs, note-t-il, maximisant l’utilisation des terres et augmentant considérablement la productivité par acre.

En mai dernier, les chercheurs ont mené une étude de terrain limitée sur la culture photo-sélective à la station d’expérimentation agricole de l’UC Davis. L’équipe a planté des tomates de transformation – une culture courante de la vallée de Sacramento – sur de petites parcelles de taille égale, l’une couverte d’un filtre rouge photo-sélectif, une autre de bleu et une troisième laissée à découvert comme témoin.

Après environ quatre mois, dont une canicule record début septembre, les deux parcelles filtrées ont chacune produit environ un tiers de moins que celle découverte. Pourtant, une fois triées par qualité – mûres, non mûres ou «mauvaises» – la parcelle témoin comptait deux fois plus de tomates pourries. “Ainsi, les filtres ont aidé à réduire le stress thermique”, explique Abou Najm, et “réduit [crop] gaspillage de plus de la moitié.

Ajoutez la production d’énergie en plus et le gain net compenserait largement la diminution de la récolte, dit-il. En co-localisant les cultures et la production solaire, “100 % devient un nombre très faible lorsque vous pouvez obtenir des rendements de 120 ou 140 %.

Et pour les pays et les régions confrontés à une forte pression sur les terres agricoles, cela rend l’augmentation de la productivité encore plus précieuse, d’autant plus que la production d’énergie propre nécessite 10 fois plus de terres par unité de puissance que les combustibles fossiles.

Abou Najm considère également l’approche couverte comme un moyen pour les agriculteurs de renforcer la résilience climatique. Le filtrage du soleil aide le sol à retenir l’humidité et à protéger les ouvriers agricoles des rayons agressifs, tandis qu’une transpiration plus faible signifie que moins d’eau est nécessaire pour les cultures. Et en produisant leur propre électricité, les agriculteurs pourraient compenser la hausse des coûts de l’énergie et inciter l’industrie à adopter les équipements et les véhicules électriques, ajoute-t-il.

“D’ici 2050, nous aurons [an additional] deux milliards de personnes sur cette planète, et nous aurons besoin de 60 % de nourriture en plus, 40 % d’eau en plus et 50 % d’énergie en plus » que ce qui est produit actuellement, déclare Abou Najm. La recherche doit se produire à un niveau transformateur afin de répondre à ces besoins croissants.

En maximisant le spectre solaire, « nous optimisons une ressource indéfiniment durable », ajoute-t-il. “Si une technologie démarre qui peut développer ces panneaux, alors le ciel est la limite de notre optimisation.”

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