Panneaux solaires et terres cultivées, ennemis ou alliés ?

La transition énergétique et la sécurité alimentaire semblent condamnées à s'opposer. Chaque hectare de panneaux solaires est un hectare soustrait à l'agriculture. Mais une troisième voie existe : l'agrivoltaïsme. Elle parie sur la possibilité de faire coexister, sur un même sol, la production d'énergie et la culture des champs.

Dans son célèbre roman Le Baron perché (1957), Italo Calvino raconte l’histoire de Cosimo, un jeune aristocrate qui choisit de vivre dans les arbres, refusant le monde qui se construit en dessous de lui, un monde qui, au fil des siècles, a taillé, façonné et transformé le paysage naturel pour l'adapter à ses besoins. La nature soumise à l'homme, et non l'homme qui s'adapte à la nature.

Plus de cinquante ans après Calvino, cette tension n'a pas perdu une once de son actualité. Au contraire, elle est devenue plus urgente et, à certains égards, plus paradoxale. Aujourd'hui, au nom de la transition énergétique (noble objectif, cela va sans dire), nous assistons à la transformation ou à la destruction de systèmes naturels et d'écosystèmes agricoles pour faire place à des étendues de panneaux photovoltaïques. L'objectif est de réduire la dépendance aux combustibles fossiles et de produire de l'énergie renouvelable. C'est sacré. Mais vaut-il vraiment la peine de payer ce prix en termes de biodiversité et de sols fertiles ?

La question devient encore plus pressante si l'on considère le contexte dans lequel nous vivons : croissance démographique, changements climatiques, événements météorologiques extrêmes de plus en plus fréquents, dégradation des sols… La sécurité alimentaire mondiale est déjà sous pression. Soustraire des terres agricoles pour produire de l'énergie risque d'aggraver une situation déjà fragile. La réponse, cependant, n'est pas nécessairement un choix entre l'un ou l'autre. Il existe une troisième voie.

Agrivoltaïsme : quand 1+1 peut faire plus que 2

L'idée est apparemment simple : installer des panneaux solaires au-dessus des terres agricoles (champs cultivés, vergers, vignes, pâturages...) à une hauteur suffisante pour que les cultures en dessous puissent continuer à pousser, et avec un espacement tel qu'il garantisse aux plantes la lumière nécessaire à la photosynthèse. L'un des premiers à avoir formalisé ce concept de manière systématique fut le chercheur français Christian Dupraz qui, en 2011, publia une étude décrivant ces systèmes comme “agrivoltaïques”, un terme qui fusionne agri (agriculture) et voltaïque (photovoltaïque).

Figure 1. Installation agrivoltaïque de l’observatoire météorologique de l'Institut Pierre-Simon Laplace à l’École Polytechnique, Palaiseau (France).

L'intuition de Dupraz était que la compétition pour la lumière entre panneaux et plantes n'était pas nécessairement un problème, mais pouvait devenir, si elle était gérée correctement, une ressource. Le raisonnement est le suivant : les plantes n'utilisent pas 100 % de la lumière solaire disponible pour la photosynthèse. Au contraire, dans de nombreuses conditions climatiques, surtout pendant les heures les plus chaudes de la journée et pendant l’été, un excès de rayonnement solaire peut être stressant, voire néfaste. Les panneaux, en créant des zones d'ombre partielle, contribuent à former des microclimats plus frais et plus humides au sol: les températures baissent, l'évapotranspiration diminue, et les plantes parviennent à utiliser l'eau disponible de manière plus efficiente. À une époque de sécheresses de plus en plus fréquentes, ce n'est pas un détail négligeable.

Le résultat semble idéal : production agricole et production énergétique sur la même surface. Un peu comme trouver la promotion “2 pour le prix de 1” au supermarché.

La réalité est un peu plus compliquée

Naturellement, la réalité n'est jamais aussi linéaire que la théorie. Et c'est là qu'entre en jeu toute la complexité de ces systèmes. Les besoins lumineux des plantes ne sont pas fixes. Ils varient selon l'espèce, le stade de croissance, le type de sol et les conditions climatiques locales. Une culture qui dans un climat chaud et sec pourrait bénéficier de l'ombre fournie par les panneaux, dans un climat tempéré et humide pourrait au contraire en pâtir. La question n'est pas de savoir s'il y aura un impact sur la productivité agricole, mais dans quelle mesure il sera significatif, et si les bénéfices globaux du système (énergie produite, économies d'eau, réduction du stress thermique) parviennent à le compenser dans le cas où l'impact serait négatif. Les variables en jeu sont très nombreuses : la hauteur des panneaux, leur inclinaison, la distance entre une rangée et l'autre, la possibilité de les orienter dynamiquement au cours de la journée, le choix de la culture. Il n'existe pas de solution universelle, mais chaque configuration doit être étudiée et calibrée en fonction du contexte spécifique.

Les différentes voies de la recherche

Pour répondre à ces questions, la communauté scientifique travaille sur deux fronts parallèles. D'un côté, on construit des installations pilotes : des installations expérimentales en différents endroits, avec des cultures différentes et des configurations diverses de panneaux pour observer directement comment le système répond dans le temps. Ces expériences fournissent des données réelles, mais elles sont coûteuses, lentes et ne peuvent pas couvrir toutes les combinaisons possibles de variables. De l'autre, on développe des modèles mathématiques: des représentations simplifiées des processus physiques et biologiques impliqués, qui permettent de simuler le comportement d'une installation agrivoltaïque dans des conditions différentes, sans avoir à la construire physiquement. Un bon modèle permet d'explorer rapidement de nombreuses configurations, d'identifier les plus prometteuses et de prévoir la productivité aussi bien agricole que énergétique. Les deux approches s'alimentent mutuellement. Les données des installations pilotes servent à calibrer et à valider les modèles, qui à leur tour guident la conception de nouvelles installations expérimentales.

Et ensuite ?

L'agrivoltaïque est un domaine jeune, mais en croissance rapide et au potentiel énorme. Il reste cependant encore de nombreux nœuds à dénouer. Est-il possible de planifier des installations à grande échelle et d'en évaluer la réponse en fonction du climat à l'échelle régionale ou continentale? Comment ces systèmes se comportent-ils lorsque des engrais et d'autres pratiques agronomiques intensives entrent en jeu ? Et surtout, s'ils fonctionnent aujourd'hui, fonctionneront-ils encore dans un monde à + 4 °C, avec tout ce que ce scénario implique en termes de sécheresses, de vagues de chaleur et d'instabilité climatique ?

À cela s'ajoutent des questions plus pratiques mais tout aussi concrètes: les coûts d'installation et de maintenance, les complexités bureaucratiques et réglementaires, les incertitudes liées aux incitations publiques, l'impact esthétique sur le paysage et la réponse de la faune sauvage, comme les oiseaux, les pollinisateurs et les petits mammifères, qui habitent ces espaces.

Ce sont toutes des questions qui méritent attention et que nous explorerons dans les prochains épisodes. Pour l'instant, il suffit de dire une chose : l'agrivoltaïque n'est pas la solution à tous les problèmes, mais c'est un exemple concret de la façon dont il est possible de chercher des réponses plus intelligentes, qui n'obligent pas à choisir entre produire de la nourriture et produire de l'énergie, entre protéger le sol et réduire les émissions.

Cosimo, depuis son arbre, apprécierait probablement l'idée.

Sources:

1. Calvino, I. Le Baron perché. Einaudi (1957)

2. Dupraz, C. et al. Combining solar photovoltaic panels and food crops for optimising land use: Towards new agrivoltaic schemes. 3.Renewable Energy, 36(10). doi.org/10.1016/j.renene.2011.03.005 (2011)

4. Sarr, A. et al. Agrivoltaic, a Synergistic Co-Location of Agricultural and Energy Production in Perpetual Mutation: A Comprehensive Review. Processes, 11(948). doi.org/10.3390/pr11030948 (2023)