Comment les agriculteurs peuvent installer des panneaux solaires dans leurs champs sans endommager le reste de leur exploitation

Alors que le monde s’efforce d’atteindre les objectifs de zéro émission nette, les émissions de tous les secteurs industriels doivent être réduites plus rapidement que jamais. L’agriculture est un domaine d’intérêt important car elle contribue à hauteur de 22 % aux émissions mondiales de gaz à effet de serre.

Une approche pour décarboner l’agriculture consiste à intégrer des panneaux solaires – ou photovoltaïques (PV) – dans les champs de cultures, les serres et les zones d’élevage. Souvent connue sous le nom d’agrivoltaïque, cette technologie peut aider les agriculteurs à réduire leur empreinte carbone tout en continuant à produire de la nourriture.

L’agrivoltaïque peut également atténuer l’une des principales critiques souvent adressées à l’énergie solaire : les fermes solaires « gaspillent » de vastes étendues de terres agricoles qui pourraient autrement être utilisées pour la production alimentaire. En réalité, les parcs solaires n’occupent actuellement que 0,15 % de la superficie totale du Royaume-Uni, ce qui n’est pas grand-chose comparé aux 70 % des terres consacrées à l’agriculture.

L’exemple le plus simple d’un système agrivoltaïque serait celui des panneaux photovoltaïques conventionnels en silicium cristallin (le type de panneaux solaires leader sur le marché), installés dans les champs à côté du bétail. Cette méthode de diversification agricole est devenue de plus en plus populaire ces dernières années pour trois raisons principales.

Premièrement, cela améliore la biodiversité car cela signifie que les champs ne sont pas utilisés pour une seule culture (monoculture), soumis à une rotation régulière des cultures ou récoltés pour l'ensilage. Deuxièmement, cela augmente la production puisque le bétail bénéficie de l’ombre et d’une croissance plus saine des pâturages.

Enfin, le parc solaire a réduit les coûts d’entretien car le bétail peut garder l’herbe courte. Tout cela est réalisé alors que les panneaux solaires fournissent une énergie propre et générée localement.

Cependant, si elles ne sont pas correctement installées, l’agrivoltaïque peut quand même poser des problèmes. L’un des défis les plus importants, lorsqu’ils sont utilisés dans des champs où sont cultivées des cultures, consiste à équilibrer les besoins en lumière solaire entre les cultures et les panneaux solaires. Les cultures ont besoin de lumière pour pousser, et si les panneaux solaires bloquent trop de lumière solaire, ils peuvent avoir un impact négatif sur les rendements des cultures.

Ce problème varie d’un endroit à l’autre. Dans les pays avec moins de jours ensoleillés comme le Royaume-Uni, les panneaux doivent laisser passer plus de lumière solaire. Mais dans des endroits comme l’Espagne ou l’Italie, un peu d’ombre peut réellement aider les cultures en réduisant le stress lié à la chaleur intense pendant les mois d’été. Trouver le bon équilibre est délicat, car cela dépend des conditions locales, du type de culture et même des besoins des pollinisateurs comme les abeilles.

La complexité s’accentue lorsque l’on considère le type de matériau photovoltaïque utilisé. Les panneaux solaires traditionnels ne conviennent pas toujours car ils bloquent souvent les longueurs d’onde (couleurs) de la lumière nécessaires aux plantes.

C’est là que les matériaux les plus récents, comme les semi-conducteurs organiques et les pérovskites, sont idéaux car ils peuvent être personnalisés pour permettre aux cultures d’obtenir la lumière dont elles ont besoin tout en générant de l’énergie. Contrairement aux semi-conducteurs inorganiques traditionnels, qui sont essentiellement des cristaux d’atomes métalliques et métalloïdes, les semi-conducteurs organiques sont des molécules principalement constituées de carbone et d’hydrogène. Les pérovskites, quant à elles, ressemblent à un hybride de semi-conducteurs organiques et inorganiques.

En fait, il existe des milliers de combinaisons de ces matériaux parmi lesquelles choisir, la littérature scientifique contenant une multitude d’options. Déterminer lequel fonctionne le mieux peut être une tâche ardue.

C’est là que les outils informatiques peuvent faire une grande différence. Au lieu de tester chaque matériau dans des conditions réelles – ce qui prendrait des années et coûterait incroyablement cher – les chercheurs peuvent utiliser des simulations pour prédire leurs performances. Ces modèles peuvent aider à identifier les meilleurs matériaux pour des cultures et des climats spécifiques, économisant ainsi du temps et des ressources.

L'outil

Nous avons développé un outil open source qui permet de comparer différents matériaux photovoltaïques, facilitant ainsi l'identification des meilleures options pour l'agrivoltaïque. Notre outil utilise des données géographiques et des simulations réalistes des performances de différents matériaux photovoltaïques.

Il prend en compte la manière dont la lumière traverse ces matériaux et se reflète sur eux, ainsi que d'autres mesures de performances importantes telles que la tension et la puissance de sortie. L'outil peut également prendre des mesures en laboratoire des matériaux photovoltaïques et les appliquer à des scénarios réels.

À l’aide de cet outil, nous avons simulé la quantité d’énergie que différents matériaux photovoltaïques pourraient générer par mètre carré au cours d’une année, dans diverses régions. Et nous avons calculé la quantité de lumière qui traversait ces matériaux pour garantir qu'elle était suffisante pour que les cultures prospèrent.

En exécutant ces simulations pour plusieurs matériaux, nous avons pu identifier les options les plus adaptées à des cultures et des climats spécifiques.

Des outils comme les nôtres pourraient jouer un rôle essentiel dans la décarbonisation du secteur agricole en guidant la conception de systèmes agrivoltaïques. Les recherches futures pourraient combiner ces simulations avec des analyses d’impact économique et environnemental. Cela nous aiderait à comprendre la quantité d’énergie que nous pouvons attendre d’un panneau solaire au cours de sa durée de vie, par rapport aux ressources et aux coûts impliqués dans sa production.

En fin de compte, notre outil pourrait aider les chercheurs et les décideurs politiques à sélectionner les moyens les plus efficaces, les plus rentables et les plus respectueux de l’environnement pour décarboner l’agriculture et nous rapprocher de l’objectif mondial de zéro émission nette.

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