Aqu @teach : La durabilité des fermes urbaines intérieures

L’approvisionnement des populations urbaines en aliments cultivés localement est largement considéré comme une solution de rechange plus économe en ressources que la chaîne d’approvisionnement classique en utilisant des aliments cultivés dans des régions périurbaines ou rurales éloignées. La culture intérieure et sans sol dans les zones urbaines est décrite comme une solution particulièrement durable, en réduisant les kilomètres de nourriture, en minimisant l’utilisation des terres et la consommation d’eau, et en améliorant les rendements. Cependant, pour assurer des conditions de culture optimales pour les cultures, les exploitations à environnement contrôlé dépendent toutes du contrôle artificiel de la lumière, de la température, de l’humidité et des cycles de l’eau, et peuvent donc être très gourmandes en énergie, en fonction des conditions climatiques locales et des caractéristiques spécifiques du bâtiment hôte. Les émissions de carbone des exploitations urbaines devraient donc être soigneusement pesées par rapport aux émissions potentiellement réduites, telles que celles provenant du transport de denrées alimentaires provenant d’exploitations rurales et périurbaines. Les coûts économiques élevés des exploitations urbaines, tant en termes d’infrastructure que de coûts d’exploitation, doivent également être soigneusement évalués avant d’entreprendre une telle entreprise.

Durabilité de l’environnement

Située à l’intérieur de la ville et donc plus proche du consommateur, l’agriculture urbaine à haut rendement a souvent une empreinte carbone plus faible que la production alimentaire rurale, en réduisant les distances de transport (« milles alimentaires »). Toutefois, en fonction des conditions climatiques locales et de la typologie des exploitations agricoles urbaines, la production agricole dans des environnements contrôlés peut également être très gourmande en énergie, ce qui peut aggraver considérablement ses impacts sur l’environnement. L’empreinte carbone nette dépend des émissions causées par la consommation d’énergie pour l’exploitation agricole par rapport aux émissions évitées liées à la chaîne d’approvisionnement existante, y compris l’énergie opérationnelle des exploitations qui fournissent le produit et l’énergie utilisée pour le transport. Cela peut être illustré par deux exemples provenant de zones climatiques très différentes en Europe. Lorsque le potentiel de réchauffement planétaire (PRP) était lié à l’eau, au transport et à l’énergie opérationnelle de trois scénarios d’agriculture urbaine de haute technologie au Portugal : une serre sur le toit en polycarbonate, une ferme verticale avec fenêtres et puits de lumière au dernier étage d’un bâtiment, et une ferme verticale complètement opaque sans la pénétration de la lumière naturelle au rez-de-chaussée d’un bâtiment — ont été comparées avec le PRG de la chaîne d’approvisionnement actuelle pour les tomates, et avec une ferme urbaine hypothétique de faible technologie non conditionnée sur le toit, la ferme verticale du dernier étage et la serre sur le toit présentaient les meilleures performances environnementales globales, réduire respectivement de moitié et d’un tiers les émissions de gaz à effet de serre par rapport à la chaîne d’approvisionnement existante pour les tomates (Benis et al. 2017). Ces résultats corroborent les résultats d’une évaluation du cycle de vie d’une serre sur le toit à Barcelone (Sanyé-Mengual et al. 2013 ; Sanyé-Mengual et al. 2015a). En revanche, Theurl et al. 2013 a constaté que la production de tomates dans les serres chauffées en Autriche produisait le double des émissions de gaz à effet de serre par rapport à la chaîne d’approvisionnement des tomates importées d’Espagne et d’Italie. Par conséquent, il est essentiel de garder à l’esprit que si l’agriculture urbaine est considérée comme viable pour réduire les distances de transport, de telles installations à forte intensité énergétique peuvent ne pas convenir à tous les endroits, car la première ne compense pas systématiquement les autres.

Cependant, la performance environnementale de l’agriculture intégrée dans le bâtiment peut potentiellement être améliorée en couplant les flux des pratiques agricoles — chaleur, eau, CO₂ — avec les flux du bâtiment hôte, et en optimisant l’efficacité du système grâce à la mise en œuvre d’un conditionnement passif , telles que l’isolation thermique, la ventilation naturelle, le refroidissement par évaporation et l’utilisation de technologies hautement économes en énergie, telles que l’éclairage LED.

Durabilité économique

La faisabilité économique des exploitations commerciales en milieu urbain doit être évaluée en tenant compte des dépenses d’investissement plus élevées, par rapport aux exploitations rurales conventionnelles, qui sont intrinsèquement liées à leur situation urbaine. Dans un contexte d’urbanisation rapide, l’espace urbain est rare et très convoité, et le principal besoin que les municipalités cherchent généralement à satisfaire est le logement plutôt que la production alimentaire, qui est plutôt repoussée de plus en plus loin des centres urbains. Alors que les systèmes agricoles intégrés sur le toit doivent concurrencer d’autres technologies intégrées sur le toit telles que l’énergie solaire photovoltaïque ou l’énergie solaire thermique, les systèmes intérieurs sont en concurrence avec d’autres utilisations urbaines qui sont généralement plus attrayantes sur le plan économique que l’agriculture, comme les fonctions résidentielles ou commerciales. Une concurrence aussi élevée pour les parcelles et les bâtiments urbains rend l’immobilier toujours plus cher (Benis & Ferrão 2018).

Partout dans le monde, le prix des terrains est généralement élevé dans les zones urbaines. Outre les loyers élevés, l’agriculture urbaine commerciale de haute technologie est une industrie à forte intensité de capital, car elle implique l’adaptation du bâtiment d’accueil à la culture, conformément aux règlements municipaux et aux codes du bâtiment locaux. Cette contrainte urbaine a été identifiée comme l’un des principaux obstacles à la mise en œuvre à grande échelle de la BIA (Cerón-Palma et al. 2012). Le rapport coût-efficacité de la ferme urbaine dépendra de sa typologie. Pour obtenir la même productivité/m², les usines n’ont besoin que de 10% de la superficie des terres par rapport aux serres, et peuvent facilement être construites dans n’importe quel bâtiment désaffecté. Alors que les coûts en capital sont élevés¹ — environ 15 % plus élevés que ceux d’une serre — la productivité annuelle est d’environ 3 000 têtes de laitue par m²/an, soit 15 fois plus élevée que celle d’une serre (environ 200 têtes de laitue par m²/an). Ainsi, le coût initial par unité de capacité de production d’une usine est plus ou moins le même que celui d’une serre, bien que cette estimation soit approximative et varie en fonction de nombreux facteurs (Kozai et al. 2016).

En plus d’impliquer des coûts d’investissement élevés, les systèmes d’agriculture commerciale de haute technologie entraînent souvent des coûts d’exploitation importants en raison de leurs besoins énergétiques élevés (Thomaier et al. 2015). En outre, alors que les exploitations rurales bénéficient généralement de subventions en eau et en énergie pour l’agriculture, les exploitations situées dans les zones urbaines doivent payer les coûts urbains de l’approvisionnement en eau et de l’énergie, applicables en fonction du zonage. Si la ferme est située dans une zone résidentielle, les coûts seront plus élevés que si elle est située dans une zone commerciale (Benis & Ferrão 2018).

Les coûts de production (main-d’œuvre, électricité, dépréciation, etc.) varient dans le monde entier. Au Japon, par exemple, les coûts des usines sont en moyenne de 25 à 30 % pour la main-d’œuvre, de 25 à 30 % pour l’électricité, de 25 à 35 % pour l’amortissement et de 20 % pour les autres coûts de production (loyer des terres, semences, eau, remplacement des lampes, articles de bureau, matériaux d’emballage, frais de livraison, etc.). Les coûts de main-d’œuvre sont si élevés parce que la plupart des usines sont à petite échelle, et les opérations de manutention doivent donc être effectuées manuellement. On estime qu’une usine de 15 étages d’une superficie de 1 ha a besoin de plus de 300 employés à temps plein. En comparaison, la plupart des opérations de manutention dans un complexe de serres d’une superficie de 10 ha ou plus sont automatisées et ne nécessitent donc que quelques employés par hectare (Kozai et al. 2016).

¹ environ US$4000/m² en 2014 (Kozai et al. 2016)

Le tableau 1 montre le processus de conversion énergétique dans une salle de culture d’une usine économe en énergie. L’énergie électrique fixée en tant qu’énergie chimique dans la partie vendable des installations est de 1 à 2 %. L’énergie électrique restante est convertie en énergie thermique dans la salle de culture, de sorte que le coût de chauffage d’une usine thermiquement bien isolée est nul. Dans la gestion des coûts de production de l’usine, le pourcentage de poids de la partie comestible ou utilisable de l’usine par rapport au poids total de l’usine est un indice important pour améliorer la performance des coûts. Étant donné que l’énergie électrique est consommée pour produire les racines, si les racines ne sont pas vendables, la masse racinaire doit être réduite au minimum sans compromettre la croissance de la partie aérienne de la plante.

Tableau 1 : La conversion énergétique dans une usine (de Kozai et al. 2016)

Le coût de l’électricité peut être réduit par (1) l’utilisation de LED avancées pour améliorer le facteur de conversion de l’énergie électrique à l’énergie lumineuse ; (2) l’amélioration du système d’éclairage avec des réflecteurs bien conçus pour augmenter le rapport entre l’énergie lumineuse émise par les lampes et celle absorbée par les feuilles de la plante ; (3) l’amélioration de la qualité de la lumière à améliorer la croissance et la qualité des plantes ; (4) contrôler de manière optimale la température, la concentration de CO₂ , la solution nutritive, l’humidité et d’autres facteurs ; et (5) augmenter le pourcentage de la partie vendable des plantes en améliorant la méthode de culture et la sélection des cultivars (Kozai et al. 2016).

Les coûts d’électricité peuvent également être réduits en utilisant des panneaux solaires. Les usines urbaines situées dans des bâtiments autonomes, comme les anciens entrepôts et usines, ont plus de possibilités de produire leur propre électricité que celles situées dans des bâtiments qui font partie d’une matrice urbaine dense. La quantité d’énergie nécessaire pour alimenter les usines autonomes dépend des dimensions du bâtiment. Lorsqu’un bâtiment occupe une plus grande surface, les besoins en éclairage et en eau augmentent, mais aussi la quantité d’énergie disponible via les panneaux solaires sur le toit et, éventuellement, sur la façade. La quantité d’énergie qui peut être produite par les panneaux solaires dépend évidemment de l’emplacement géographique de l’usine.

La consommation nette d’eau pour l’irrigation dans une usine est d’environ 2 % de celle d’une serre, parce qu’environ 95 % de la vapeur d’eau transpirée provenant des feuilles de la plante est condensée au panneau de refroidissement (évaporateur) des climatiseurs sous forme d’eau liquide, qui est collectée puis retournée au nutriment réservoir de solution après stérilisation. La solution nutritive drainée des lits de culture est également retournée dans le réservoir de solution nutritive après la stérilisation. Ainsi, la quantité d’eau qui doit être ajoutée au réservoir est égale à la quantité d’eau conservée par les plantes récoltées et à la quantité qui s’échappe à l’extérieur sous forme de vapeur d’eau dans les espaces d’air. De même, la quantité d’éléments nutritifs qui est ajoutée est égale à la quantité de nutriments absorbée par les plantes récoltées. Ainsi, l’efficacité de l’utilisation de l’eau et des éléments nutritifs est supérieure à 0,95 et 0,90 respectivement (Kozai et al. 2016).

L’agriculture urbaine et l’économie circulaire

L’économie circulaire est actuellement l’un des termes les plus discutés parmi les spécialistes de l’économie environnementale et est au centre de la stratégie Horizon 2020 de l’Union européenne. Son élément déterminant est l’ « utilisation réparatrice » des ressources : au lieu de devenir des déchets rejetés, les matières premières sont recyclées et réutilisées (Geisendorf & Pietrulla 2018). L’agriculture urbaine offre diverses possibilités d’adopter cette approche, comme l’illustre le mieux The Plant. En 2010, l’entreprise sociale Bubbly Dynamics LLC a fait l’acquisition d’une ancienne usine de conditionnement de viande à Chicago et a élaboré un plan pour utiliser le bâtiment comme espace d’incubation d’entreprises alimentaires et agricoles, ce qui a pour effet de ramener les emplois indispensables à une communauté désinvestie dans une « alimentation » désert’ manque d’options alimentaires saines. L’installation de 8686 m² abrite actuellement plus d’une douzaine de petites entreprises, dont des fermes intérieures et extérieures, des brasseries de kombucha et de bière, une boulangerie, un distributeur de fromage, un torréfacteur à café et d’autres producteurs et distributeurs d’aliments. Au début de 2018, il y avait environ 85 postes équivalents temps plein à l’installation. L’usine est toujours en construction et est louée à environ 70 % ; une occupation complète est prévue en 2019.

Fondée sur un modèle de fermeture des boucles de déchets, de ressources et d’énergie, The Plant s’efforce de montrer à quoi ressemble une production alimentaire urbaine durable. Le digesteur anaérobie prévu est un élément clé, car il est conçu pour résoudre plusieurs problèmes critiques en réutilisant ce qui est traditionnellement considéré comme des « déchets » afin de créer plusieurs extrants précieux. Les déchets provenant du bâtiment représenteront une fraction du volume de déchets traités par le digesteur, mais le digesteur démontrera que même les entreprises de production alimentaire, qui sont typiquement consommatrices de déchets et d’énergie, peuvent fonctionner durablement en fermant les boucles de déchets. La figure 8 est un diagramme conceptuel des divers processus prévus à l’usine en pleine occupation.

Figure 8 : Cycles des déchets (verts) et de l’énergie/gaz (orange) à The Plant, Chicago

*Copyright © Partenaires du projet Aqu @teach. Aqu @teach est un partenariat stratégique Erasmus+ dans l’enseignement supérieur (2017-2020) dirigé par l’Université de Greenwich, en collaboration avec l’Université des sciences appliquées de Zurich (Suisse), l’Université technique de Madrid (Espagne), l’Université de Ljubljana et le Centre biotechnique Naklo (Slovénie) . *