Modélisation et Optimisation dynamique de système agrivoltaïque ...

Projet de thèse sur bourse CIFRE 2013-2016Modélisation et Optimisation dynamique de système agrivoltaïque avec tracker asserviLaboratoire d’accueil : UMR LEPSE INRA-Montpellier SupAgro.Partenariat : Sun’R (dispositifs de production d’électricité photovoltaïque)Contact : Thierry Simonneau (thierry.simonneau@supagro.inra.fr; 04 99 61 27 52)Contexte et objectifsAfin d’apporter des solutions au possible conflit d’usage des terres entre productions agricole etd’énergie, nous proposons d’étudier un système dit « agrivoltaïque » combinant des panneauxsolaires mobiles (trackers) et des cultures agricoles.Une première thèse (Marrou, 2012) a démontré que la production de cultures sous panneauxphotovoltaïques fixes permet d’obtenir, sous certaines conditions, des rendements agricolescomparables à ceux des cultures en plein champ. L’étude a également démontré l’intérêtéconomique de ce type de solutions pour des cultures à forte valeur ajoutée, de type maraîchage.L’objectif de cette nouvelle thèse est de prolonger l’analyse dans le cas de systèmes composés depanneaux mobiles (trackers), dont l’orientation pourrait être asservie aux besoins de la culture. Ils’agira d’évaluer s’il est possible de définir des algorithmes d’asservissement qui permettraientd’améliorer la productivité agricole et/ou celle de l’ensemble du système agrivoltaïque par rapportau système fixe précédemment analysé.En faisant varier au cours de la journée, et en fonction des besoins spécifiques de la culture testée, ladisposition et l’orientation des trackers, il sera en effet possible i) de moduler les paramètresmicroclimatiques au niveau des plantes (rayonnement incident mais aussi température du sol ethumidité de l’air) sur des pas de temps ajustables (suivant l’avancement dans le cycle de culture, àpas de temps journalier ou infra-journalier) et ii) d’optimiser ainsi les conditions pour la productionde biomasse et la mise en place des composantes du rendement. L’agriculture pourrait ainsi entrerdans un domaine jusqu’à présent peu exploré.D’un point de vue plus global, les résultats pourraient permettre à différentes régions du sud del’Europe de développer plus massivement les énergies renouvelables (en l’occurrence, lephotovoltaïque) sans accroître l’artificialisation des terres et sans compromettre davantage lasécurité alimentaire. Dans certaines conditions, les dispositifs photovoltaïques pourraient mêmeoffrir de nouvelles possibilités de culture en créant un microclimat favorable à la culture.Les enjeux scientifiques de ce travail de thèse seront avant tout d’améliorer les modèlesécophysiologiques relatifs à la production de biomasse (totale et/ou récoltée) dans le contextemicroclimatique particulier des dispositifs photovoltaïques mobiles. A terme, il s’agit (i) de pouvoirsélectionner des espèces et variétés adaptées à ces systèmes agrivoltaïques et (ii) d’optimiserl’asservissement des panneaux mobiles suivant les réponses de la culture. Ces deux objectifssupposent une exploration de l’effet des panneaux sur le microclimat au niveau des cultures : celui-cisera caractérisé dans le cadre de la thèse ; suivant l’avancement, la prédiction des conditionsmicroclimatiques en fonction de la configuration du système agrivoltaïque pourra être envisagée afind’optimiser la configuration des systèmes à base de trackers.

Démarche :Le travail de thèse s’inscrit dans un contexte climatique de type méditerranéen où la productivité descultures est classiquement altérée par les effets négatifs des très faibles humidités relatives de l’air etdes pics de températures voire des excès de rayonnement. On examinera si ces effets peuvent êtreévités ou atténués par un ombrage temporaire sans pénaliser la photosynthèse ni la croissance descultures à l’échelle de la journée. L’orientation mobile des panneaux permettra d’explorer plusieursscénarios d’ombrage temporaire.La démarche combine expérimentations, analyses et modélisation selon trois axes qui pourront êtreabordés en parallèle :Le premier axe de travail s’attachera à la modélisation du bilan radiatif sous le dispositifphotovoltaïque. Il s’agira de prédire le rayonnement intercepté par la culture en fonction de ladisposition de celle-ci et de la position et de l’orientation (modulable) des panneaux solaires. Unepremière modélisation sera réalisée au pas de temps horaire en négligeant toute adaptationmorphologique et physiologique éventuelle de la culture. Cette analyse permettra de définir unecourbe d’asservissement théorique optimale de l’orientation des modules photovoltaïques (voire dela disposition de la culture) définie par une interception maximale du rayonnement par la culture. Lamodélisation pourra intégrer par la suite les résultats observés en termes d’adaptation de la culture.Le second axe du travail consistera à caractériser plus complètement le microclimat sous lespanneaux solaires. Au-delà du rayonnement intercepté par les parties photosynthétiques, ons’intéressera aux autres paramètres qui sont déterminants pour la croissance de la plante etl’utilisation de l’eau : température des organes en croissance ou transpirant et vitesse du vent. Cesparamètres seront comparés à ceux mesurés sur des cultures témoins.Le troisième axe de travail concernera l’analyse de l’adaptation éventuelle des plantes et de leurproductivité en réponse aux modifications microclimatiques apportées par le dispositifphotovoltaïque mobile et constituera le cœur de l’étude. Un premier volet concernera la réponseorgano-morphogénétique des plantes aux conditions d’ombrage modulées dans le temps. Lesprocessus physiologiques primaires seront étudiés tels que le développement et la croissance desorganes (incluant une estimation du développement racinaire), la transpiration et la photosynthèseen lien avec l’allocation de l’azote. La problématique essentielle consistera à savoir si lesmodifications de croissance et d’utilisation de l’eau pour la transpiration qui pourront être observéessous les panneaux mobiles sont le simple résultat des modifications microclimatiques ou si lesplantes s’adaptent à ces conditions. En particulier, on évaluera si l’efficience de conversion durayonnement intercepté pour l’élaboration de la biomasse peut être améliorée avec l’ombrage sousles panneaux mobiles, ou encore si la modification de l’amplitude thermique jour-nuit affecte ladynamique de croissance dans les jeunes stades. Un second volet reposera sur la mise en équationdes réponses observées aux paramètres microclimatiques et leur intégration dans des modèles decultures en vue d’optimiser l’asservissement des panneaux mobiles suivant ces réponses.Le travail portera sur 1 ou plusieurs espèces étudiées par les unités impliquées dans le projet (vigne,laitue, haricot…). Un travail de modélisation préalable permettra de définir plusieurs stratégiesd’asservissement de l’orientation des panneaux photovoltaïques. Le dispositif expérimental seraadapté à ces premiers résultats afin de tester plusieurs stratégies d’asservissement.

Mise en œuvre :L’étudiant(e) sera hébergé(e) au sein de l’UMR LEPSE qui mettra à disposition ses compétences et sesoutils pour les analyses écophysiologiques. L’UMR est située sur un campus qui offre toutes lesfacilités usuelles pour un bon déroulement de la thèse (moyens informatiques, formations internes,accès aux conférences, restauration…).La thèse sera supervisée par T. Simonneau, encadrée au quotidien par A. Christophe (LEPSE) enétroite collaboration avec :- La société Sun’R pour la mise en place et la gestion du dispositif photovoltaïque qui sera implanté àMontpellier sur un site proche du laboratoire d’accueil.- L’UMR SYSTEM pour la gestion (avec l’appui de l’IRSTEA, Montpellier) et l’analyse de la productivitédu(s) système(s) de culture agrivoltaïque (C. Dupraz, L. Dufour ).- Des bioclimatologistes/écophysiologistes (J. Dauzat ; Y Brunet , M Saudreau) spécialistes de lamodélisation des bilans radiatifs et d’énergie. Les travaux de modélisation devront pouvoir êtrecouplés avec les développements en cours sur la plate-forme OpenAlea.Prérequis :Deux types de profils sont possibles. Le(la) candidat(e) pourra avoir une formation de base enagronomie, écologie ou physiologie végétale avec des compétences avérées en modélisation assistéepar informatique. Alternativement, le(la) candidat(e) pourra avoir une formation de base enphysique des transferts et modélisation avec des compétences de base en biologie végétale.Permis B souhaitable.Démarrage souhaitable : Octobre 2013.