Dans le nouveau domaine scientifique (et littéral) de l’agrivoltaïque, les chercheurs montrent comment les panneaux peuvent augmenter les rendements et réduire la consommation d’eau sur une planète qui se réchauffe.

Dans le Jack’s Solar Garden, dans le comté de Boulder, au Colorado, le propriétaire Byron Kominek a recouvert 1,5 de ses 9,7 hectares de panneaux solaires. Sous ces panneaux, l’exploitation cultive un large éventail de produits : carottes, chou frisé, tomates, ail, betteraves, radis, laitue, etc. Elle produit également suffisamment d’électricité pour alimenter 300 foyers. « Nous avons décidé de nous lancer dans cette aventure parce que nous avions besoin de trouver un moyen de gagner plus d’argent pour des terres qui, selon nous, devraient en faire plus », souligne Byron Kominek.

Les toits sont tellement 2020. Si l’humanité veut éviter le pire du changement climatique, les gens devront faire preuve de créativité quant à l’emplacement des panneaux solaires. Les scientifiques réfléchissent actuellement à la manière de recouvrir les canaux de ces panneaux, afin de réduire l’évaporation tout en produisant de l’énergie.

Les aéroports remplissent leurs espaces ouverts de panneaux solaires. Et il n’y a pas d’espace plus ouvert que dans une ferme : Pourquoi ne pas installer un panneau solaire dans un champ et planter des cultures en dessous ? Il s’agit d’un nouveau domaine scientifique (et littéral) connu sous le nom d’agrivoltaïque – agriculture plus photovoltaïque – et ce n’est pas aussi contre-intuitif que cela peut paraître.

Oui, les plantes ont besoin de la lumière du soleil, mais certaines en ont moins besoin que d’autres, et sont même stressées par un excès de photons. En faisant de l’ombre à ces cultures, elles auront besoin de moins d’eau, qui s’évapore rapidement dans un champ ouvert. De plus, les plantes « transpirent », ce qui refroidit les panneaux au-dessus de leur tête et accroît leur efficacité.

« Il s’agit d’une rare situation gagnant-gagnant-gagnant « , déclare Greg Barron-Gafford, un scientifique spécialiste du système terrestre à l’université d’Arizona qui étudie l’agrivoltaïque. « En faisant pousser ces cultures à l’ombre des panneaux solaires, nous réduisons la quantité de lumière solaire intense qui brûle l’eau et stresse la plante. » Greg Barron-Gafford est l’un des bénéficiaires d’une nouvelle subvention de 10 millions de dollars de l’Institut national de l’alimentation et de l’agriculture de l’USDA pour la recherche sur l’agrivoltaïque dans différentes régions, cultures et climats.

Greg Barron-Gafford a mené des expériences pour quantifier plusieurs variables – comme la croissance, l’utilisation de l’eau et la production d’énergie – afin de déterminer quelles cultures pourraient en tirer le plus grand profit. Par exemple, il a cultivé les ingrédients de la salsa – coriandre, poivrons et tomates – et a constaté qu’ils poussent aussi bien, sinon mieux, sous des panneaux solaires qu’en plein air. Ils n’utilisent également que la moitié de l’eau. (« Imaginez que vous renversiez votre bouteille d’eau à l’ombre plutôt qu’au soleil », assure Greg Barron-Gafford).

Il a également constaté que les panneaux réduisaient considérablement la température de l’air, ce qui serait bénéfique pour les ouvriers agricoles qui s’occupent des plantes. Son travail suggère que les panneaux pourraient agir comme une bulle protectrice pour protéger les cultures de la chaleur extrême associée au changement climatique, qui submerge les cultures et diminue leurs rendements.

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Les fortes précipitations susceptibles d’endommager les cultures sont également en augmentation, car une atmosphère plus chaude retient davantage d’humidité. « En cas de chaleur ou de précipitations extrêmes, protéger les plantes de cette manière peut leur être bénéfique », explique Madhu Khanna, économiste à l’université de l’Illinois, Urbana-Champaign, qui a également bénéficié d’un financement dans le cadre de la nouvelle subvention agrivoltaïque de l’USDA. « C’est donc un autre facteur que nous voulons examiner ».

Madhu Khanna étudiera ce que pourrait être le champ solaire idéal pour une culture particulière, par exemple si elle a besoin d’espaces plus ou moins grands entre les panneaux pour laisser passer la lumière du soleil. La hauteur est également un problème : Le maïs et le blé auraient besoin de panneaux plus hauts, tandis que le soja, qui est un arbuste, se contenterait d’une variété plus trapue.

Grâce à ces espaces, les cultures sous panneaux solaires ne sont pas plongées dans l’obscurité. Mais, de manière générale, la lumière est plus diffuse, ce qui signifie qu’elle rebondit sur les surfaces avant d’atteindre les plantes. Cette situation reproduit l’environnement naturel d’une forêt, dans laquelle toutes les plantes, à l’exception des plus grands arbres, se tiennent à l’ombre, absorbant les rayons du soleil qui percent.

Greg Barron-Gafford a découvert que l’ombre de la forêt sous les panneaux solaires provoque une réaction physiologique chez les plantes. Pour capter davantage de lumière, leurs feuilles deviennent plus grandes qu’elles ne le seraient si elles étaient plantées dans un champ ouvert. Il a observé ce phénomène chez le basilic, ce qui augmenterait le rendement de cette culture.

Il a également constaté que le poivron Capsicum annuum, qui pousse à l’ombre des arbres dans la nature, produit trois fois plus de fruits dans un système agrivoltaïque. Les plants de tomates produisent également plus de fruits. Cela est probablement dû au fait que les plantes sont moins stressées par le bombardement constant de la lumière du soleil, auquel elles ne sont pas adaptées au cours de l’évolution.

Mais chaque culture étant différente, les scientifiques doivent tester chacune d’entre elles pour voir comment elle réagit à l’ombre. « Par exemple, nous ne recommanderions probablement pas à quelqu’un de planter des courges d’été directement dans l’ombre la plus profonde, directement sous un panneau », explique Mark Uchanski, un scientifique horticole de l’université d’État du Colorado qui étudie l’agrivoltaïque et a testé ce scénario exact. « Le meilleur emplacement pour cela pourrait être plus éloigné, vers les bords, où il y a plus de chances d’avoir un peu plus de soleil, car nous avons constaté une baisse de rendement dans ce cas. »

Bien que l’installation des panneaux entraîne des coûts initiaux, ils pourraient en fait rapporter de l’argent aux agriculteurs, comme l’a expliqué M. Kominek à Grist (1) dans ce reportage de 2020 avant que ses panneaux ne soient en place. Ils produiraient de l’énergie pour faire fonctionner la ferme, et l’agriculteur pourrait revendre le surplus à un service public. Et comme certaines plantes – comme les ingrédients de la salsa dans les expériences de Greg Barron-Gafford – utiliseront moins d’eau, cela peut réduire les dépenses d’irrigation. « Si nous pouvons réellement permettre aux agriculteurs de diversifier leur production et d’obtenir davantage de la même terre, alors cela peut leur être bénéfique », déclare Madhu Khanna. « Avoir des cultures et des panneaux solaires est plus bénéfique pour l’environnement que des panneaux solaires seuls. »

1. Grist: Magazine en ligne américain à but non lucratif fondé en 1999 qui publie des nouvelles et des commentaires sur l’environnement

Ce type d’installation permet également de refroidir les panneaux solaires de deux manières : L’eau qui s’évapore du sol monte vers les panneaux, et les plantes libèrent leur propre eau. C’est une bonne chose pour l’efficacité des panneaux, car ils sont moins performants lorsqu’ils sont trop chauds. Ils génèrent un courant électrique lorsque les photons du soleil font tomber les électrons des atomes, mais s’ils surchauffent, les électrons sont surexcités et ne génèrent pas autant d’électricité lorsqu’ils sont délogés.

Et comme pour les panneaux solaires installés au-dessus des canaux, l’utilisation des terres agricoles permet de ne pas occuper de terrain supplémentaire. Pour déployer un panneau solaire traditionnel, il faut d’abord libérer de l’espace. Mais les canaux et les champs agricoles sont déjà utilisés. « C’est ce grand macro-déclencheur qui amène les gens à s’asseoir à la table et à réfléchir : Andrea Gerlak, spécialiste des sciences sociales à l’université de l’Arizona, travaille avec Greg Barron-Gafford sur le déploiement de l’agrivoltaïque. « Si cela permet une agriculture intelligente, une agriculture durable, et que cela utilise moins d’eau, c’est ce grand déclencheur pour faire parler les gens. »

Mais l’agrivoltaïque ne fonctionnera pas pour toutes les fermes. Les panneaux solaires restent un investissement important, surtout à l’échelle d’un champ. Manœuvrer autour d’eux avec des équipements de récolte lourds sera également un défi, c’est pourquoi Madhu Khanna dit que les réseaux devraient être conçus comme des systèmes flexibles. « L’idée serait d’avoir ces panneaux qui ne seraient pas simplement fixés à un angle donné et stationnaires », explique Madhu Khanna. « Ils seront en fait capables de tourner et de devenir verticaux, et de laisser passer l’équipement ».

Byron Kominek ajoute que les États-Unis assistent à un transfert massif de terres agricoles d’une génération plus âgée à une plus jeune, qui doit décider quoi faire de son héritage. Face aux difficultés de la sécheresse et de la chaleur, la tentation pourrait être de dire : « Au diable les cultures » et de couvrir entièrement une ferme de panneaux solaires. Mais Greg Barron-Gafford et lui ne pensent pas qu’il faille choisir l’une ou l’autre solution.

« La question qui se pose aux décideurs politiques et aux propriétaires fonciers est la suivante : allons-nous supprimer une grande partie des terres arables – des terres où nous pourrions avoir des poulets, des vaches, des légumes, des plantes vivaces et d’autres choses – pour y installer des panneaux solaires et voir les mauvaises herbes pousser en dessous ? demande Byron Kominek. « Ou allons-nous créer des règlements qui aident à garder ce sol actif, à l’aider à continuer à faire des choses productives, comme il l’a fait au cours des décennies ou des siècles précédents ? »

Greg Barron-Gafford souligne également que l’agrivoltaïque ne doit pas nécessairement se limiter aux types de cultures que les gens consomment. Un agriculteur pourrait laisser pousser des herbes indigènes sous les panneaux, fournissant ainsi de la nourriture au bétail, qui profiterait également de l’ombre. Il pourrait aussi favoriser la croissance de plantes pour les pollinisateurs indigènes comme les abeilles. Avec une bonne gestion, ce terrain pourrait faire office de forêt synthétique : ce n’est pas parce qu’il est ombragé que la vie ne peut pas s’épanouir en dessous.

« Je pense que tout aime un peu d’ombre », déclare Byron Kominek. « Il y a une grande variété de cultures qui l’apprécient. Et quand il fait 100 degrés dehors, j’apprécie l’ombre. »

https://www.wired.com/story/growing-crops-under-solar-panels-now-theres-a-bright-idea/