Qu'est-ce qu'Agrivoltaics exactement ?

L'agriculture, souvent appelée partage solaire ou solaire à double usage, consiste à monter des panneaux photovoltaïques dans une configuration qui permet à la production agricole de continuer sous ou entre eux. Cette approche transforme une seule parcelle de terre en un système hybride énergie-agriculture, produisant de l'électricité propre tout en soutenant simultanément la croissance des cultures, le pâturage, ou les habitats pollinisateurs. Le terme lui-même combine «agriculture» et «photovoltaïque», et le concept a été étudié officiellement depuis le début des années 1980, lorsque les scientifiques allemands Adolf Goetzberger et Armin Zastrow ont proposé pour la première fois l'idée d'utiliser la même surface terrestre pour la collecte d'énergie solaire et la production alimentaire.

Dans un système agricole conventionnel, les panneaux solaires sont élevés sur des structures assez hautes pour permettre à la machine de passer en dessous, ou ils sont assez espacés pour admettre suffisamment de lumière pour les cultures. Les panneaux peuvent être fixés-tilt ou équipés de systèmes de suivi à une seule axe qui tournent pour suivre le soleil. Certaines installations utilisent des modules bifaciaux semi-transparents qui permettent la lumière de passer, en frappant un équilibre entre la production d'électricité et les besoins photosynthétiques.

Les principaux avantages des systèmes solaires à double usage

L'agriculture offre un ensemble d'avantages convaincants qui répondent à certains des défis les plus pressants de l'agriculture moderne et de la production d'énergie, et qui vont bien au-delà du simple partage des terres.

Maximiser l'efficacité de l'utilisation des terres

Les exploitations agricoles traditionnelles au sol éliminent définitivement les terres agricoles de la production, ce qui provoque souvent des conflits entre les objectifs en matière d'énergie renouvelable et la sécurité alimentaire. L'agriculture élimine ce compromis. Des études de l'Université de l'Arizona ont montré que les systèmes agricoles peuvent atteindre une efficacité combinée d'utilisation des terres (mesurée par la production totale de systèmes par unité de surface) qui est de 60 à 70 % supérieure à celle des installations solaires et agricoles distinctes.

Gestion du microclimat et protection des cultures

Les panneaux solaires offrent une ombre partielle qui peut amortir les cultures à partir des rayons solaires les plus intenses et des phénomènes météorologiques extrêmes. Cette ombre réduit les températures de surface du sol, réduit les taux d'évapotranspiration et réduit la demande d'eau de 20 à 40 pour cent dans de nombreuses cultures, un avantage critique dans les régions soumises à un stress hydrique. Les panneaux servent également de boucliers physiques contre la grêle, les pluies abondantes et les dommages causés par le gel.

Revenu diversifié et résilience énergétique

L'installation d'agrovoltaïques permet aux agriculteurs de tirer un deuxième revenu des ventes d'électricité par le biais de compteurs nets, d'accords d'achat d'électricité ou de programmes solaires communautaires. Ces revenus supplémentaires peuvent stabiliser les finances agricoles pendant les périodes de faibles prix des cultures ou de pertes de rendement. La production sur place réduit également la dépendance au réseau et isole les opérations agricoles de la fluctuation des coûts énergétiques.

Gains environnementaux et écologiques

En produisant de l'électricité propre, les systèmes agricoles remplacent la production de combustibles fossiles et réduisent les émissions de gaz à effet de serre. L'ombre partielle et la réduction de l'utilisation de l'eau réduisent également l'empreinte carbone de la production agricole. De plus, les terres situées sous et autour des panneaux solaires peuvent être gérées pour l'habitat des pollinisateurs, ce qui accroît la biodiversité des fermes.

Considérations techniques et défis de conception

La mise en place d'un système agricole efficace exige une attention particulière à un ensemble de variables interdépendantes qui diffèrent de l'agriculture traditionnelle et du développement solaire standard. La conception doit équilibrer les priorités contradictoires et obtenir cet équilibre dépend des conditions locales.

Hauteur du panneau et structures de montage

L'une des premières décisions est la hauteur à monter les panneaux solaires. Les panneaux solaires standard sont situés à une hauteur d'environ 1 à 2 mètres du sol, ce qui est trop bas pour que la plupart des machines agricoles passent sous. Pour l'agriculture, les panneaux sont généralement élevés à un minimum de 2,5 à 4,5 mètres, selon la culture et l'équipement utilisés. Le montage plus élevé augmente les coûts structurels parce qu'il nécessite des pieux en acier plus longs, des fondations plus profondes et des systèmes de râteillage plus robustes. Cependant, l'élimination supplémentaire permet aux tracteurs, aux moissonneurs et aux équipements d'irrigation de fonctionner sans entrave.

Transmission de la lumière et sélection des cultures

Les panneaux de silicium cristallin typiques bloquent 60 à 80 % des rayons solaires. Bien que certaines cultures tolèrent ou bénéficient même de cette réduction de l'irradiation, de nombreuses cultures de base de grande valeur nécessitent un soleil plein. Les meilleurs candidats pour l'agrovoltaique sont les espèces tolérant l'ombre : les verts feuillus tels que le chou, le verger suisse et la laitue; les légumes-racines comme les carottes et les betteraves; les herbes, y compris le basilic et la menthe; et certaines cultures fruitières comme les concombres et les haricots à clin d'oeil.

Pour atténuer le déficit de lumière, les concepteurs ont exploré plusieurs stratégies. Une approche consiste à utiliser des panneaux partiellement transparents ou bifaciaux qui permettent à la lumière de passer à travers les écarts entre les cellules. Une autre consiste à mettre en place des systèmes de suivi dynamiques qui ajustent l'angle de panneau tout au long de la journée pour maximiser la pénétration de la lumière pendant les périodes critiques de croissance.

Irrigation et gestion de l'eau

L'évaporation du sol est considérablement réduite sous la couverture de panneaux, ce qui peut réduire les besoins totaux d'irrigation de 20 à 40 pour cent. Cependant, les panneaux créent également un effet d'ombre à la pluie, concentrant les précipitations le long des bords de la chaîne et laissant les zones sous les secs. L'irrigation par écoulement devient plus critique dans les systèmes agricoles pour assurer une distribution uniforme de l'eau.

Études de cas mondiales et réalisations réussies

L'agrovoltaïque passe de la recherche à l'exploitation commerciale à travers le monde. Ces exemples du monde réel démontrent la capacité d'adaptation du concept à différents climats, cultures et conditions économiques.

Mouvement japonais de partage solaire

Le Japon est à l'avant-garde de l'agriculture depuis la catastrophe de Fukushima en 2004, ce qui a incité à la recherche d'énergies renouvelables dans tout le pays. Le terrain montagneux limite les terrains plats disponibles, rendant les systèmes à double usage particulièrement attrayants. Les agriculteurs japonais exploitent maintenant des milliers d'installations de « partage solaire », avec des panneaux surélevés couvrant les rizières, les champs de soja et les parcelles de légumes. Un exemple notable est le projet de préfecture de Chiba, où des panneaux solaires ont été installés au-dessus des champs de paddy à une hauteur de 3 mètres.

Intégration européenne avec les vignobles et les vergers

Dans le sud de la France et en Italie, l'agrovoltaïque est intégrée à la viticulture. Les raisins de vin sont naturellement adaptés à des niveaux de lumière élevés et peuvent tolérer une ombrage partielle pendant la partie la plus chaude de la journée. En Provence, un vignoble commercial a installé des panneaux solaires surélevés sur une parcelle de 0,5 hectare de raisins Grenache. Les panneaux ont réduit les températures de pointe de la verrière de 3 à 5°C pendant les vagues de chaleur, empêchant les coups de soleil et préservant l'acidité des fruits.

Recherche nord-américaine et fermes commerciales

Les États-Unis ont vu une poussée de l'activité agricole, sous l'impulsion du financement fédéral de la recherche et des mandats d'État en matière d'énergie renouvelable. Le banc d'essai de Biosphère 2 de l'Université de l'Arizona a démontré que les cultures adaptées au désert comme les piments de piment, le basilic et les tomates cerises peuvent prospérer sous des canopées photovoltaïques tout en produisant des quantités importantes d'énergie.

Applications africaines et sud-asiatiques

Au Kenya, les petits exploitants utilisent des panneaux solaires à faible coût pour alimenter les pompes d'irrigation tout en cultivant des pois de vache et du chou-kâle. La combinaison d'électricité fiable pour le pompage de l'eau et de l'ombrage partiel des cultures a augmenté les rendements de la saison sèche.En Inde, l'agrovoltaïque est testé dans des États arides comme le Rajasthan, où des systèmes à double usage sont conçus pour réduire l'évaporation des sols et fournir un abri aux animaux de pâturage en même temps que la production solaire.

Viabilité économique et cadres politiques

L'économie de l'agriculture dépend d'une interaction complexe entre les prix de l'énergie, les marchés agricoles, les coûts en capital et les politiques gouvernementales. Bien que l'investissement initial soit supérieur à un système solaire conventionnel à la surface du sol en raison de la structure de montage élevée, les rendements à long terme peuvent être compétitifs lorsqu'ils sont conçus correctement.

Une analyse réalisée en 2023 par l'Institut Fraunhofer des systèmes d'énergie solaire a révélé que les installations agricoles coûtent entre 10 et 25 % de plus par watt de capacité que les systèmes de montage au sol à pilotis fixes. Toutefois, la double utilisation des terres réduit de moitié l'allocation des coûts fonciers pour chaque produit et la valeur de la production agricole peut compenser une part importante des dépenses en capital ajoutée.

Plusieurs États américains ont intégré l'agrovoltaïque dans leurs normes de portefeuille de sources renouvelables, offrant des primes pour les projets solaires qui préservent la productivité agricole. La France a explicitement défini l'agrovoltaïque dans ses réglementations énergétiques nationales et prévoit des tarifs d'alimentation plus élevés pour les installations à double usage qui répondent aux critères de production agricole minimum. Le système de tarification d'alimentation du Japon récompense de la même manière le partage de l'énergie solaire avec un taux d'utilisation préférentiel.

Tendances futures et innovations émergentes

La recherche et le développement en agrovoltaïque s'accélèrent, du fait de l'urgence de l'adaptation au climat et de la baisse du coût des modules photovoltaïques.

Panneaux semi-transparents et sélectifs de longueur d'onde

Les panneaux semi-transparents fabriqués avec des matériaux photovoltaïques organiques ou des matériaux perovskite peuvent être adaptés pour transmettre des rayonnements photosynthèses actifs tout en absorbant la lumière infrarouge et ultraviolette pour la production d'électricité. Cette sélectivité permet aux panneaux de « partager » les longueurs d'onde lumineuses les plus utiles avec les cultures tout en captant le reste pour la conversion de l'énergie. Les premiers prototypes ont démontré des rendements de conversion de puissance de 8 à 12 pour cent, inférieurs aux panneaux de silicium conventionnels, mais avec une transmission de lumière de 30 à 50 pour cent – mieux adaptés pour de nombreuses cultures tolérantes à l'ombre.

Robotique et gestion de précision

La gestion d'un système mixte de panneaux solaires et de cultures introduit la complexité de la plantation, de la taille et de la récolte. Des robots agricoles et des systèmes de vision des machines sont en cours de développement pour naviguer de façon autonome sous des réseaux surélevés, effectuant des tâches comme le désherbage, la pulvérisation et la cueillette.

Intégration avec le bétail et les pollinisateurs

Le pâturage solaire, où les moutons et les chèvres sont paîtres sous et autour des panneaux au sol, se développe rapidement aux États-Unis et en Europe. Le pâturage élimine la nécessité de la tonte mécanique et réduit le risque d'incendie tout en produisant des produits animaux sur la même terre. L'American Solar Grazing Association signale que plus de 10.000 acres de sites solaires aux États-Unis sont maintenant gérés par le pâturage des moutons.

Conception d'un moteur de données et optimisation de l'IA

Les chercheurs mettent au point des outils de simulation qui combinent modélisation de l'irradiation solaire, physiologie des plantes et optimisation économique. Ces outils permettent aux agriculteurs et aux développeurs d'entrer le type de culture, la géométrie des panneaux, les données climatiques locales et les prix de l'électricité pour trouver la configuration optimale pour un site donné.

Faire de l'agrivoltaïque un travail pour vous

Pour un agriculteur ou un propriétaire foncier qui considère l'agriculture, une évaluation de faisabilité approfondie est le point de départ nécessaire. La pertinence de votre terre, les cultures que vous cultivez, votre climat local et l'environnement réglementaire influencent tous si un système solaire à double usage sera rentable. Commencez par consulter un service de vulgarisation agricole ou un développeur solaire expérimenté dans les projets agricoles. Passez en revue les cartes des ressources solaires de votre région et comparez-les avec les exigences de lumière de vos cultures cibles.

Aux États-Unis, le programme Rural Energy for America de l'USDA offre des subventions et des garanties de prêts pour les systèmes d'énergie renouvelable dans le cadre d'opérations agricoles. Certains États offrent des crédits d'impôt, des exonérations de taxes foncières ou des exonérations de taxes de vente pour les équipements solaires. Explorez les options locales pour le comptage net ou la participation à l'énergie solaire communautaire. Si vous êtes un fermier, vous pourriez avoir besoin de négocier des dispositions d'utilisation des terres avec votre propriétaire qui précisent la propriété de la culture énergétique et le partage des revenus.

Un système de démonstration de 0,5 à 1 hectare vous permettra de recueillir des données spécifiques à l'emplacement sur la performance des cultures, la production d'énergie et les coûts opérationnels avant de les étendre. Partenaire avec un programme d'université ou d'extension pour effectuer des comparaisons côte à côte avec des parcelles de contrôle plein soleil. Ces données seront inestimables pour affiner votre conception et pour convaincre les prêteurs ou les investisseurs de soutenir un déploiement plus important.

La route à l'horizon

L'agrovoltaïque n'est pas une solution d'argent pour la transition énergétique ou le système alimentaire, mais c'est un outil puissant pour intégrer deux secteurs essentiels sur une planète avec des terres finies. L'approche s'attaque directement au conflit d'utilisation des terres qui oppose souvent les promoteurs solaires aux agriculteurs et aux écologistes. En permettant la production simultanée de produits alimentaires, d'énergie et de services écologiques, l'agrovoltaïque représente un véritable gagnant-gagnant, à condition que les systèmes soient conçus, implantés et gérés avec soin.

Les progrès de la science des matériaux, de la robotique et de l'optimisation numérique continueront d'améliorer la compétitivité économique des réseaux à double usage. Les cadres stratégiques qui récompensent les produits combinés et reconnaissent les avantages publics des systèmes agricoles seront essentiels à sa croissance. Pour le secteur agricole, l'agriculture offre une voie vers la diversification, la résilience et une empreinte environnementale plus réduite, sans abandonner la mission première d'alimentation du monde.