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Vendredi 08 avril 2016

Les LEDs promettent de révolutionner l’agriculture urbaine


Les LEDs ou diodes électroluminescentes suivent un développement exponentiel depuis la commercialisation de la première diode rouge dans les années soixante. Elles gagnent chaque année en propriétés – prix Nobel en 2014 pour la LED bleue - et en efficacité énergétique. Aujourd’hui, elles investissent le monde de l’agriculture et promettent de révolutionner les cultures urbaines, notamment par leur usage en chambres climatiques.


La qualité première des LEDs, c’est de produire, à partir de matériaux semi-conducteurs, une lumière quasiment monochromatique. Verte, orange, jaune ou bleue. Si la découverte de l’électroluminescence date du début du XXe siècle, la première diode rouge n’est arrivée sur le marché qu’en 1962 et a marqué le début d’une épopée fulgurante. Dès 1971, le développement de nouveaux matériaux semi-conducteurs permet l’apparition des diodes vertes, orange et jaunes. Mais c’est avec la LED bleue, en 1992, que ce nouveau système d’éclairage prend toute son ampleur : les Japonais Isamu Akasaki et Hiroshi Amano et l’Américain Shuji Nakamura se sont d’ailleurs vus attribuer le prix Nobel de physique plus de vingt ans plus tard, en 2014, pour cette invention. Car, outre le fait d’ajouter une couleur à la palette existante, la diode bleue a surtout permis de créer la première lumière blanche électroluminescente grâce à la combinaison de plusieurs LEDs – synthèse additive du bleu, vert et rouge – ou à l’addition d’une fine couche de phosphore jaune dans une LED bleue. En octobre 2015, les LEDs sont qualifiées de « meilleure solution d’éclairage domestique » par l’Ademe : « À la fois très durables et très sobres, elles s’allument instantanément, supportent très bien les allumages répétés et résistent aux chocs et au froid. » Elles offrent de plus des durées de vie potentielles trois fois plus longues que les lampes fluorescentes compactes (LFC).

Mais la révolution s’opère aussi en agriculture où chercheurs et industriels s’intéressent de plus en plus aux effets des LEDs sur les plantes. Pour leur efficacité énergétique d’une part. Les LEDs chauffent peu et offrent un meilleur rendement. « Le remplacement des sources lumineuses traditionnelles telles que les lampes à sodium par les LEDs permet de réduire la consommation d’énergie d’un système de culture d’environ 30 % », explique Anja Dieleman, spécialiste de la physiologie des plantes à l’Institut de recherche de Wageningen UR (Pays-Bas). Et pour l’effet de certaines longueurs d’ondes sur la croissance et le développement des plantes d’autre-part : « Depuis deux ans, nous obtenons grâce aux LEDs des puissances lumineuses relativement fortes dans des spectres déterminés », explique Philippe Morel, ingénieur à l’Institut de recherche en horticulture et en semences de l’INRA.

À chaque variété correspondent un spectre lumineux et une intensité

La recherche bat son plein pour connaître leurs effets sur les plantes. « Tous les processus physiologiques impliqués dans le développement des plantes (photosynthèse, l’ouverture stomatique, l’évapotranspiration, la floraison…) ont été mesurés dans des essais en chambres climatiques sous différents spectres, explique Anja Dieleman. La composition spectrale de la lumière est perçue par les photorécepteurs, qui modifient les niveaux d’hormones végétales [voire les gènes, ndlr], pilotes de ces processus ». À en croire les recherches récentes sur le sujet, des choix judicieux de combinaisons de longueurs d’onde peuvent donc modeler la croissance (vitesse, qualité, compacité, etc.) des plantes à souhait et même leur fournir des propriétés spécifiques ! Parmi elles, notons les effets positifs des spectres ultraviolet et bleu sur la production de métabolites ou de mécanismes de résistance secondaire à des agents pathogènes et des herbivores ou encore sur l’enrichissement des fruits et légumes en composés bioactifs pouvant générer des bénéfices pour la santé humaine.

Si ces dernières vertus demandent encore à être testées plus amplement, il est en revanche certain que la croissance des plantes ne nécessite pas l’ensemble du spectre visible. Un rosier peut par exemple se développer uniquement baigné de bleu et de rouge ! « La zone vert-jaune n’est pas indispensable. En horticulture par exemple, où tout est fait pour rendre la plante compacte, les rapports de longueurs d’onde rouge clair-rouge sombre sont utilisés comme régulateur de croissance, en lieu et place des produits chimiques, afin d’éviter un allongement de la tige et de permettre une augmentation de la ramification », explique Laurent Crespel, chercheur à l’Institut de recherche en horticulture et en semences de l’INRA.

Imiter la lumière de plein champs d’été

« En combinant des spectres déterminés, nous pouvons vraiment faire ce que nous voulons. C’est encore très couteux mais c’est très précis. Ce que nous commençons à découvrir est qu’il faut vraiment adapter à chaque variété de plante un spectre lumineux et une intensité donnés », précise Philippe Morel. À même intensité et même rayonnement, une variété de salade verra par exemple sa croissance aérienne diminuée d’un tiers par rapport à une autre. Ainsi, la variété d’hiver, qui ne pousse pas très bien sous un fort rayonnement, donne de meilleurs résultats avec un faible rayonnement en rouge-bleu.

Quant aux fruits et légumes destinés à un usage de consommation, ils font l’objet de recherches actives au niveau mondial. « En France, dans le cadre du projet Ferme urbaine lyonnaise, nous travaillons sur le modèle de la laitue pour lequel la question des qualités nutritionnelle et organoleptique se pose. Au niveau qualité gustative, il n’y a pas de différence avec une laitue de serre ou une laitue de plein champ d’été. Et dans la mesure où la photosynthèse est satisfaisante, il n’y a pas de raison d’avoir un produit dégradé », estime Philippe Morel. Dans ce cadre, des fraises urbaines sont cultivées en plein cœur de Paris dans des containers par la société Agricool depuis fin 2015 !

La culture sous LEDs en chambre climatique

L’utilisation des LEDs trouve toute sa pertinence au sein des chambres climatiques. Dans ces milieux de cultures fermés et complètement artificialisés, la lumière nécessaire à la croissance des plantes n’est apportée que par éclairages LEDs. Les cultures en hydroponie sur tablette – le système racinaire baigne dans une solution nutritive – sont surplombées, à environ 50/80 centimètres au-dessus d’elles, par des tubes contenant des diodes. Dans ces enceintes fermées, seule l’hygrométrie reste difficile à maîtriser du fait de l’évapotranspiration des plantes. Ainsi, 40 % de l’énergie électrique sont consommés par le système de déshumidification, 40 % pour l’éclairage et 20 % pour le chauffage et les à-côtés. Par ailleurs, la qualité des LEDs utilisées reste la condition sine qua non de la performance des installations : « Pour l’instant, la durée de fonctionnement est un des aspects que nous maitrisons mal : malgré des annonces de durées de vie importantes, beaucoup tombent en panne lors de nos essais », admet Philippe Morel.

Les marchés urbains visés en premier lieu

Les objectifs des cultures en chambre climatique sont multiples, notamment en matière d’agriculture de consommation. Les marchés urbains sont visés en premier lieu afin de limiter les transports lointains de fruits et légumes. « Nous pensons aux grandes mégapoles mondiales où l’approvisionnement en produits frais est compliqué comme Tokyo, Mexico, Chicago ou New-York », détaille Philippe Morel. La ville produirait ainsi ses propres végétaux frais tout au long de l’année pour une consommation immédiate. Le deuxième marché des chambres climatiques concerne les villes polluées du type de Pékin (Chine) ou New Delhi (Inde). En effet, avec une filtration de l’air en amont, cultiver de la laitue dans une enceinte climatique à Pékin, permettrait d’obtenir un produit d’une qualité sanitaire bien meilleure qu’un produit cultivé dans le sol ou sous serre dans la région. Une autre application vise les climats extrêmes où cultiver sous serre est une ineptie énergétique, comme les pays arabes ou la Sibérie. Enfin, ce type de culture pourrait être adaptée à des marchés très spécifiques nécessitant des molécules à haute valeur ajoutée pour les filières cosmétique et pharmaceutique. Tout l’enjeu des prototypes développés un peu partout dans le monde en ce moment réside dans l’estimation de la faisabilité technique et surtout économique de ce type d’installations afin d’envisager un marché durable. Mais les fermes urbaines sous LEDs semblent promises à un bel avenir.

Alexandra Pihen