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Chapitre 21 L'aquaponie dans l'environnement bâti

1. 21.1 Introduction

   Original publication 2019 · Publié pour la première fois sur FarmHub Learn 2020-06-04 · Aquaponics Food Production Systems

   L'aquaponie a été reconnue comme l'une des « dix technologies qui pourraient changer nos vies » en raison de son potentiel de révolutionner la façon dont nous nourrissons les populations urbaines en croissance (Van Woensel et al. 2015). Ce système de culture recirculant sans sol a stimulé l'augmentation de la recherche universitaire au cours des dernières années et a suscité l'intérêt pour les membres du public, comme en témoignent un taux élevé de résultats de recherche Google pour Google Scholar en 2016 (Junge et al., 2017). Pendant longtemps, l'aquaponie a été principalement pratiquée comme un passe-temps dans l'arrière-cour. Il est maintenant de plus en plus utilisé commercialement en raison du fort intérêt des consommateurs pour les méthodes d'agriculture biologique et durable. Une enquête menée par l'équipe CITYFOOD à l'Université de Washington en juillet 2018 montre que le nombre d'installations aquatiques commerciales a rapidement augmenté au cours des 6 dernières années. Cette recherche ciblée d'activités aquaponiques a permis de recenser 142 exploitations aquatiques actives à but lucratif en Amérique du Nord. Sur la base d'informations en ligne, 94 % des exploitations ont commencé leur exploitation commerciale depuis 2012 ; seulement neuf fermes aquaponiques commerciales sont en exploitation depuis plus de 6 ans (figure 21.1).

   La plupart des exploitations aquaponiques étudiées sont situées dans des zones rurales et sont souvent reliées à des exploitations agricoles existantes pour tirer parti des bas prix des terres,

   img src= » https://www.fao.org/3/i4626e/i4626e.pdf "style="zoom : 48% ; »/

   Fig. 21.1 Praticiens aquaponiques existants en Amérique du Nord, 142 entreprises commerciales (rouge) et

   17 centres de recherche (bleu), (CITYFOOD, juillet 2018)

   img src= » https://www.fao.org/3/i4626e/i4626e.pdf "style="zoom : 75% ; »/

   Fig. 21.2 Aquaponics à travers l'Europe : 50 centres de recherche (bleu) et 45 entreprises commerciales (rouge). (EU Aquaponics Hub 2017)

   des infrastructures et des codes de construction propices aux structures agricoles. Quoi qu'il en soit, un nombre croissant d'opérations aquaponiques sont également situées dans les villes. En raison de leur empreinte physique relativement faible et de leur productivité élevée, les activités aquaponiques sont bien adaptées à la pratique en milieu urbain (Junge et al., 2017). Des enquêtes menées sous les auspices du Hub Aquaponics de l'Union européenne (UE) en 2017 ont permis d'identifier 50 centres de recherche et 45 entreprises commerciales opérant dans l'Union européenne (figure 21.2). La taille de ces entreprises varie de petite à moyenne taille.

   21.1.1 L'aquaponie en milieu urbain

   L'espace est un produit précieux dans les villes. Les fermes urbaines doivent faire preuve d'ingéniosité pour trouver des terrains disponibles tels que des terrains vacants, des toits existants et des entrepôts sous-utilisés qui sont abordables pour une entreprise agricole (de Graaf 2012 ; De La Salle et Holland 2010). Les fermes aquaponiques urbaines doivent équilibrer les coûts de production plus élevés avec les avantages concurrentiels en matière de commercialisation et de distribution offerts par les sites urbains. Le plus grand avantage pour la localisation d'installations aquaponiques dans les villes est un marché de consommation en croissance qui s'intéresse aux produits frais, de haute qualité et cultivés localement. En se conformant à la réglementation locale en matière de produits biologiques, les fermes urbaines peuvent obtenir des prix supérieurs pour leurs feuilles, herbes et tomates cultivées en aquaponie (Quagrainie et al., 2018). Contrairement à l'hydroponie, l'aquaponie a également la capacité de produire du poisson, ce qui améliore encore la viabilité économique dans un milieu urbain qui a souvent des besoins alimentaires divers (König et al., 2016). Les fermes aquaponiques urbaines peuvent également économiser certains coûts d'exploitation en réduisant la distance de transport au consommateur et en réduisant le besoin de stockage des cultures (dos Santos 2016).

   Les conditions environnementales urbaines peuvent également être avantageuses pour les fermes aquaponiques. Les températures moyennes dans les villes sont plus élevées que dans les régions rurales (Stewart et Oke, 2010). Dans les régions plus froides, en particulier, les exploitations agricoles peuvent bénéficier d'un climat urbain plus chaud, ce qui peut contribuer à réduire la demande de chauffage et les coûts d'exploitation (Proksch 2017). Les fermes aquaponiques qui sont intégrées aux systèmes de construction d'un bâtiment hôte peuvent utiliser davantage les ressources urbaines telles que la chaleur résiduelle et le COSub2/sub dans l'air d'échappement pour favoriser la croissance des plantes comme alternative à la fertilisation conventionnelle COSub2/sub. Les fermes urbaines peuvent également contribuer à atténuer les aspects négatifs de l'effet des îlots thermiques urbains pendant les mois d'été. La végétation supplémentaire, même si elle est cultivée dans des serres, contribue à réduire la température ambiante grâce à une évapotranspiration accrue (Pearson et al., 2010). En aquaponie, l'utilisation d'une infrastructure de recirculation de l'eau réduit la consommation globale d'eau pour la production de poisson et de laitue et peut donc avoir un effet positif sur le cycle de l'eau en milieu urbain. Les produits cultivés en aquaponie s'efforcent de fermer le cycle nutritionnel, évitant ainsi la production de ruissellement agricole. Grâce à une gestion intelligente des ressources au sein des grands systèmes environnementaux, l'aquaponie contribue à réduire la consommation excessive d'eau et l'eutrophisation généralement créée par l'agriculture industrielle.

   21.1.2 L'aquaponie comme agriculture en environnement contrôlé (ACE)

   Les techniques agricoles traditionnelles visant à prolonger la saison de culture naturelle vont des modifications minimales de l'environnement, telles que les maisons de cerceaux temporaires utilisées sur les champs terrestres, à la pleine maîtrise de l'environnement dans les installations permanentes qui permettent une production toute l'année, quel que soit le climat local ( Environnement contrôlé Agriculture 1973). Cette dernière stratégie est également connue sous le nom d'agriculture à environnement contrôlé (CEA) et comprend à la fois des serres et des installations de culture en intérieur. En plus de contrôler le climat intérieur, l'ACE réduit de façon significative le risque de perte de cultures par suite de calamités naturelles et le besoin d'herbicides et de pesticides (Benke et Tomkins, 2017). La plupart des opérations aquaponiques sont conçues comme CEA puisqu'elles combinent deux systèmes de culture complexes (aquaculture et hydroponique), qui nécessitent des conditions de croissance contrôlées pour garantir une productivité optimale. En outre, CEA permet à la production tout au long de l'année d'amortir les investissements élevés dans les infrastructures aquaponiques et d'obtenir des prix de récolte de qualité sur le marché en dehors de la saison de croissance naturelle. La performance des enclos aquaponiques dépend fortement du climat local et des variations saisonnières (Graamans et al., 2018).

   Comme l'aquaponie est une discipline relativement jeune, la plupart des recherches existantes sont axées sur le système — par exemple, des études évaluant l'intégration technique de l'aquaculture avec l'hydroponique dans différentes configurations (Fang et al. 2017 ; Lastiri et al. 2018 ; Monsees et al. 2017). Bien que les composants individuels des systèmes aquaponiques et leurs interactions puissent encore être optimisés pour la productivité, leur performance dans une enveloppe d'environnement contrôlé n'a pas été traitée de manière exhaustive. Des recherches récentes dans le CEA ont commencé à évaluer la performance des systèmes hydroponiques en tandem avec la performance de l'environnement bâti, bien qu'il n'existe à ce jour qu'une seule étude modélisant la performance des systèmes aquaponiques dans une enveloppe contrôlée (Benis et al. 2017a ; Körner et al. 2017 ; Molin et Martin 2018a ; SanJuandelmás et al. 2018).

   21.1.3 Collaborations de recherche en aquaponie

   L'expansion actuelle de l'intérêt pour l'aquaponie a conduit à la création de plusieurs collaborations de recherche interdisciplinaires liées à l'aquaponie financées par l'Union européenne (UE). Le projet COST FA1305, qui a créé le Hub Aquaponics de l'UE (2014-2018), a réuni des chercheurs et des producteurs commerciaux en aquaponie afin de mieux comprendre l'état de l'art dans le domaine de l'aquaponie et de générer des efforts coordonnés de recherche et d'éducation dans l'UE et dans le monde entier. Innovative Aquaponics for Professional Application (INAPRO) (2014-2017), un consortium de 17 partenaires internationaux, vise à faire progresser les approches actuelles de l'aquaponie rurale et urbaine à travers le développement de modèles et la construction de serres prototypiques. Le projet CITYFOOD (2018—2021) dans le cadre de l'Initiative pour une croissance urbaine durable (SUGI), cofinancé par l'UE, le Forum Belmont et les fondations scientifiques respectives, étudie l'intégration de l'aquaponie dans le contexte urbain et son impact potentiel sur les défis mondiaux du lien entre l'alimentation et l'eau et l'énergie.

2. 21.2 Classification des aquaponiques en milieu contrôlé

   Original publication 2019 · Publié pour la première fois sur FarmHub Learn 2020-06-04 · Aquaponics Food Production Systems

   Le terme aquaponique est utilisé pour décrire un large éventail de systèmes et d'opérations différents, dont la taille, le niveau de technologie, le type d'enceinte, le but principal et le contexte géographique varient considérablement (Junge et al., 2017). La première version des critères de classification pour les fermes aquaponiques comprenait les objectifs des parties prenantes, le volume des réservoirs et les paramètres décrivant les composantes des systèmes aquacoles et hydroponiques (Maucieri

   img src= » https://www.fao.org/3/i4626e/i4626e.pdf "style="zoom : 48% ; »/

   Fig. 21.3 Critères de classification pour l'identification des types de fermes aquaponiques

   et al. 2018). Des travaux supplémentaires ont été entrepris par un grand groupe de chercheurs afin de définir plus avant l'aquaponie et de présenter une nomenclature fondée sur un consensus international (Palm et al., 2018). Cela a conduit à une discussion approfondie sur les types et les échelles de systèmes et, surtout, à une définition de l'aquaponie, qui est la suivante : « La majorité ( \ > 50 %) des nutriments qui soutiennent la croissance optimale des plantes doivent provenir de déchets provenant de l'alimentation des organismes aquatiques. et ne tiennent pas compte des autres aspects essentiels d'une exploitation aquaponique commerciale en fonctionnement. Au fur et à mesure que les opérations aquaponiques font partie des économies locales, les critères de classification identifiés par la recherche interdisciplinaire dans des domaines tels que l'architecture, l'économie et la sociologie deviendront également essentiels.

   Cette proposition de classification met l'accent sur le domaine émergent des opérations aquaponiques commerciales à travers l'optique de l'environnement bâti. Les caractéristiques clés qui décrivent une opération aquaponique se répartissent en quatre catégories différentes : système de culture, enceinte, fonctionnement et contexte (figure 21.3). Ces catégories de critères de classification se répercutent les unes sur les autres sur les échelles, où les configurations de systèmes de croissance peuvent influer sur le rendement contextuel de la ferme en tant qu'entreprise, ou les demandes du marché local peuvent déterminer le type de culture cultivée dans le système aquaponique. Certains critères de classification des exploitations agricoles sont pertinents à toutes les échelles, comme la « taille », le volume des réservoirs, la superficie cultivée, le nombre d'employés et les revenus annuels (tableau 21.1).

   • _Système de culture _ les critères de classification décrivent la configuration du système aquacole et hydroponique interconnecté. Cela comprend des spécifications pour les composants physiques qui permettent la recirculation de l'eau et des éléments nutritifs (comme les réservoirs d'eau, les filtres, les pompes et la tuyauterie), les organismes vivants qui transforment les éléments nutritifs disponibles à différents stades (y compris les espèces de poissons, de plantes et de micro-organismes) et les valeurs décrivant les éléments nutritifs performances du système, telles que la température, les niveaux de pH, la teneur en oxygène/carbone et la conductivité électrique (Alsanius et al., 2017).

   Tableau 21.1 Critères de classification possibles pour les types de fermes aquaponiques

   table thead tr class="en-tête » THGrowing-système/th e Boîtier /th e Opération /th e Contexte /th /tr /thead tbody tr class="impair » TDAquaculture type de système/td td Typologie du boîtier /td td But /td td Situation géographique /td /tr tr class="même » Espèce de poissons TD/td td Système structurel /td td Intervenants /td td Contexte physique /td /tr tr class="impair » TDTempérature de l'eau/td td Matériau de couverture d'assemblage d'enveloppe /td td Modèle d'affaires /td td Impact environnemental /td /tr tr class="même » Système de filtration TD/td td Systèmes de chauffage/refroidissement /td td Travail distribution /td td Contexte socio-économique /td /tr tr class="impair » Type d'alimentation TD/td td Source de lumière /td td Type de financement /td td rowspan=4 Impact social /td /tr tr class="même » Type de système TDHydroponique/td td Système de ventilation /td td Plan de commercialisation /td /tr tr class="impair » TDCrop espèces/td td rowspan=2 Intégration du bâtiment d'hôte /td td rowspan=2 Modèle de distribution /td /tr tr class="même » TDSystème de distribution d'eau/td /tr /tbody /table

   • Les critères de classification des enceintes définissent les caractéristiques des bâtiments qui abritent les systèmes de culture, à l'échelle suivante. La plupart des fermes aquaponiques utilisent des enceintes CEA qui varient en fonction de la typologie (comme une serre ou un entrepôt), du système structurel, des systèmes de chauffage et de refroidissement, de l'éclairage, de la ventilation et des systèmes de contrôle de l'humidité (Benke et Tomkins, 2017).
   • Les critères de classification des opérations décrivent la façon dont chaque exploitation aquaponique fonctionne en tant qu'entreprise et ferme, ce qui inclut l'expertise humaine et l'apport de main-d'œuvre nécessaire à la culture et à la vente de produits. Les critères de cette section comprennent le type de financement, la structure et la gestion de l'entreprise, les besoins en main-d'œuvre et la division, le plan de commercialisation, le modèle de distribution des produits et le but général de l'installation aquaponique.
   • Les critères de classification contextuelle, à la plus grande échelle, décrivent l'emplacement géographique, le contexte physique, l'intégration urbaine et l'impact social global des fermes aquaponiques. Les critères contextuels décrivent comment une ferme aquaponique fait partie de la chaîne alimentaire urbaine et de l'environnement bâti, capable d'influencer la croissance économique, la participation sociale et les impacts environnementaux à grande échelle à l'échelle de la ville (dos Santos 2016).

3. 21.3 Typologies des enclos et études de cas des fermes commerciales

   Original publication 2019 · Publié pour la première fois sur FarmHub Learn 2020-06-04 · Aquaponics Food Production Systems

   Cette étude plus approfondie porte sur la définition de critères de classification aquaponiques au niveau de l'enceinte afin de compléter les définitions existantes au niveau du système. Les types d'enceinte abordés ici fonctionnent avec différents systèmes de construction, les niveaux de contrôle technologique, les stratégies de contrôle du climat passif et les sources d'énergie pour obtenir un climat intérieur approprié. La meilleure application de chaque typologie d'enceinte dépend principalement de la taille de l'exploitation, de l'emplacement géographique, du climat local, des espèces de poissons et de cultures ciblées, des paramètres requis des systèmes qu'elle abrite et du budget. Cette étude identifie cinq typologies d'enclos différentes et définit les caractéristiques des espaces intérieurs abritant les infrastructures aquacoles.

   21.3.1 Typologies de serre

   Cette classification comprend quatre catégories de serres — les serres de technologie moyenne, les serres solaires passives, les serres de haute technologie et les serres de toit — qui s'appliquent aux opérations aquaponiques de niveau commercial (tableau 21.2). Les serres existantes peuvent ne pas correspondre exactement à une seule typologie, mais se situent dans un spectre allant de la technologie moyenne à la haute technologie en intégrant sélectivement des techniques de contrôle environnemental actives et passives.

   Serres de technologie moyenne Les serres dotées d'un niveau de technologie intermédiaire pour contrôler le climat intérieur comprennent les serres autonomes ou reliées à la gouttière (type cabane Nissen), les serres à cerceaux (tunnel polytunnel) et les serres à portée égale. Ils sont généralement recouverts d'un double film de polyéthylène (PE) ou de panneaux en plastique rigide, tels que des panneaux acryliques (PMMA) et des panneaux en polycarbonate (PC). Ces serres sont moins coûteuses à installer, bien que le revêtement en pellicule doive être fréquemment remplacé en raison de la détérioration rapide causée par une exposition constante aux rayons UV (Proksch 2017). Ces serres protègent les cultures des phénomènes météorologiques extrêmes et, dans une certaine mesure, des agents pathogènes, mais elles n'offrent qu'un niveau limité de contrôles climatiques actifs. Au lieu de cela, ils s'appuient sur le rayonnement solaire, les systèmes d'ombrage simples et la ventilation naturelle. En raison de leur capacité limitée à modifier les conditions de croissance dans une certaine gamme, les serres de technologie moyenne sont rarement utilisées pour héberger des fermes aquaponiques dans des climats froids. Cela s'explique par le fait que les investissements initiaux élevés dans les composantes hydroponiques et aquacoles nécessitent un environnement stable et une production fiable tout au long de l'année pour être commercialement viable.

   Les opérations aquaponiques dans des climats plus chauds ont démontré avec succès l'utilisation de serres de technologie moyenne qui utilisent des systèmes de refroidissement par évaporation et de chauffage simples. Par exemple, Sustainable Harvesters à Hockley, au Texas, aux États-Unis, utilise une simple serre Quonset (12 000 pi³/1110 msup2/sup) pour la production de laitue toute l'année sans recourir à un chauffage supplémentaire ou à un éclairage important. Ouroboros Farms, à Half Moon Bay, en Californie, aux États-Unis, utilise une serre existante (20 000 pi³/1860 msup2/sup) pour produire de la laitue, des légumes verts feuillus et des herbes (figure 21.4). En raison du climat doux, la ferme utilise principalement des ombrages statiques et peu de chauffage et de refroidissement supplémentaires. Les deux fermes, comme beaucoup de petites entreprises de technologie moyenne, placent leurs bassins à poissons dans le même espace de serre que le système de culture hydroponique. Les fermes cultivent des espèces de poissons qui tolèrent une large plage de températures (tilapia) et ombragent les bassins aquacoles pour prévenir la surchauffe et la croissance des algues.

   Tableau 21.2 Comparaison des études de cas par typologie d'enceinte

   table thead tr class="en-tête » TCEA type/th e Études de cas /th e Système de construction /th e Contrôles /th e Croissance de saisonsupa/sup et latitude /th e Zones de rusticité support/sup /th /tr /thead tbody tr class="impair » td rowspan=6 Serres moyenne/td td rowspan=3 Fermes Ouroboros, Half Moon Bay, CA, États-Unis (20 000 pi³/1860 msup2/sup) /td td rowspan=3 GH existant, raccordé au gouttière avec deux travées égales, revêtu de verre à un seul panneau, réservoirs à poissons en GH /td td rowspan=3 Ombrage statique, rideaux d'ombrage /td td rowspan=2 319 jours/ 10,6 mois /td td 10a /td /tr tr class="même » td 30 à 35 °F /td /tr tr class="impair » td 37,5° N /td td -1,1 à 1,7 ˚C /td /tr tr class="même » td rowspan=3 Récolteurs durables, Hockley, Texas, États-Unis (12 000 pi³/1110 msup2/sup) /td td rowspan=3 Cadre Quonset, multi-tunnel (3) GH, revêtu d'un film PE et de panneaux plastiques rigides, réservoirs à poissons en GH /td td rowspan=3 Refroidissement par évaporation, ventilation forcée /td td rowspan=2 272 jours/ neuf mois /td td 8b /td /tr tr class="impair » td 15 à 20 °F /td /tr tr class="même » td 30,0 ˚N /td td -9,4 à 6 ,7 ˚C /td /tr tr class="impair » td Rowspan=6Serres solaires passives/td td rowspan=3 Serre solaire aquaponique, Neuenburg am Rhein, Allemagne (2000 sf/180 msup2/sup) /td td rowspan=3 (chinois) serre solaire, avec un mur d'adobe comme masse thermique supplémentaire, revêtu d'un film ETFE, réservoirs à poissons en GH /td td rowspan=3 Modules photovoltaïques sur mesure pour l'ombrage et la production d'énergie /td td rowspan=2 202 mois/ 6,6 mois /td td 8a /td /tr tr class="même » td 10—15 ˚F /td /tr tr class="impair » td 47,8 ˚N /td td

   • 12,2 à -9,4 ˚C /td /tr tr class="même » td rowspan=3 Serre Eco-Ark à Finn & Roots, Bakersfield, VT, États-Unis (6000sf/ 560 msup2/sup) /td td rowspan=3 Serre solaire, à l'abri de la terre, angle abrupt du toit orienté sud (ca. 60), isolation épaisse, vitrage spécial de collecte solaire, réservoirs à poissons dans le nord, côté souterrain /td td rowspan=3 Chaleur radiante alimentée au bois, rideau énergétique, ventilation avec effet empilable, éclairage LED supplémentaire /td td rowspan=2 108 jours/ 3,6 mois /td td 4a /td /tr tr class="impair » td -30 à -25 ˚F /td /tr tr class="même » td 44,8˚ N /td td -34,4 à -31,7 ˚C /td /tr tr class="impair » td Rowspan=6Serres high-tech td rowspan=3 Superior Fresh Farms, Hixton, WI, États-Unis (123 000 sf/11 430 msup2/sup) /td td rowspan=3 Style venlo, raccordé aux gouttières, (20 41 baies), revêtu de verre, réservoirs à poissons dans un bâtiment séparé /td td rowspan=3 Environnement CEA contrôlé par ordinateur, éclairage LED supplémentaire, /td td rowspan=2 122 jours/ 4,1 mois /td td 4b /td /tr tr class="même » td -25 à -20 ˚F /td /tr tr class="impair » td 44,4 N /td td -31,7 à -28,9 ˚C /td /tr tr class="même » td rowspan=3 Blue Smart Farms, Cobbitty, NSW, Australie (53 800 pc/5000 msup2/sup) /td td rowspan=3 Style venlo, gouttière, (14 18 baies), revêtu de verre, construction à deux étages, bassins à poissons au niveau inférieur /td td rowspan=3 Contrôle biologique de l'environnement CEA contrôlé par ordinateur /td td rowspan=2 300 jours/ 10 mois /td td 9b /td /tr tr class="impair » td 25 à 30 ˚F /td /tr tr class="même » td 34,0 ˚S /td td -3,9 à -1,1 °C /td /tr tr class="impair » td Rowspan=6Serres de toite/td td rowspan=3 Ecco-Jäger Aquaponik Dachfarm, Bad Ragaz, Suisse (12 900 pi/1200 msup2/sup) /td td rowspan=3 Style venlo, branché par gouttière, (7 13 baies), revêtu de verre, bassins à poissons au niveau inférieur /td td rowspan=3 Environnement CEA, éclairage LED supplémentaire, utilisation de la chaleur d'échappement de l'installation de refroidissement /td td rowspan=2 199 jours/ 6,6 mois /td td 7b /td /tr tr class="même » td 5 à 10 °F /td /tr tr class="impair » td 47,0˚ N /td td -15,0 à -12,2 ˚C /td /tr tr class="même » td rowspan=3 BIGH's Ferme abat-toir, Bruxelles, Belgique (21 600 pc/2000 msup2/sup) /td td rowspan=3 Style venlo, raccordé aux gouttières, (15 10 baies), revêtu de verre, bassins à poissons au niveau inférieur /td td rowspan=3 Environnement CEA, éclairage LED supplémentaire /td td rowspan=2 224 jours/ 7,3 mois /td td 8b /td /tr tr class="impair » td 15 à 20 °F /td /tr tr class="même » td 50,8˚ N /td td -9,46 à -6,7 ˚C /td /tr tr class="impair » td Rowspan=6Espaces de culture en intérieur/td td rowspan=3 Urban Organics, Schmidt's Brewery, St. Paul, MN, États-Unis (87 000 pi/8080 msup2/sup) /td td rowspan=3 Entrepôt à ossature en acier, hautement isolé, culture empilée, réservoirs à poissons dans un espace séparé /td td rowspan=3 Éclairage UV fluorescent, environnement CEA contrôlé par ordinateur /td td rowspan=2 140 jours/ 4,7 mois /td td 4b /td /tr tr class="même » td -25 à -20 ˚F /td /tr tr class="impair » td 45,0˚ N /td td -31,7 à 28,9 ˚C /td /tr tr class="même » td rowspan=3 Nutraponics, Sherwood Park, AB, Canada (10 800 pi³/1000 msup2/sup) /td td rowspan=3 Entrepôt à ossature en acier, hautement isolé, culture empilée, réservoirs à poissons dans un espace séparé /td td rowspan=3 Éclairage LED, environnement CEA contrôlé par ordinateur /td td rowspan=2 121 jours/4 mois /td td 4a /td /tr tr class="impair » td -30 à -25 ˚F /td /tr tr class="même » td 53,5˚ N /td td -34,4 à -31,7 ˚C /td /tr /tbody /table

   Saison de croissance sans supa/supfrost-free, Association nationale de jardinage, outils et applications, https://garden.org/ apps/calendar/

   SUB/SUP basé sur la carte de la zone de rusticité de l'USDA, qui identifie la température moyenne annuelle minimale hivernale (1976-2005), divisée en zones 10 F. Cartes des plantes, https://www.plantmaps.com/ index.php

   Serres solaires passives Ce type de serre est conçu pour être uniquement chauffé par l'énergie solaire. D'importants éléments de masse thermique, comme un mur solide orienté vers le nord, stockent l'énergie solaire sous forme de chaleur qui est ensuite ré-irradiée pendant les périodes plus froides la nuit. Cette approche amortit les variations de température de l'air et peut réduire ou éliminer le besoin de combustibles fossiles. Les serres solaires ont un côté transparent orienté vers le sud et un côté opaque, massif et fortement isolé orienté vers le nord. L'intégration de grands volumes d'eau sous forme de bassins à poissons est un atout pour la performance thermique de ce type de serre. En outre, les réservoirs peuvent être situés dans des zones de la serre qui sont moins adaptées à la culture végétale ou partiellement immergés dans le sol pour une stabilité thermique accrue.

   img src= » https://www.fao.org/3/i4626e/i4626e.pdf "style="zoom : 75% ; »/

   Fig. 21.4 Ouroboros Farms (Half Moon Bay, Californie, États-Unis)

   La serre solaire Aquaponic (2000 sf/180 msup2/sup), développée et testée par Franz Schreier, s'est avérée être un environnement approprié pour accueillir un petit système aquaponique dans le sud de l'Allemagne. La serre recueille de l'énergie solaire à travers son toit arqué orienté sud et son mur revêtu d'un film ETFE (éthylène tétrafluoroéthylène). La chaleur est stockée dans des bassins à poissons partiellement submergés, le plancher et la paroi nord revêtue d'adobe pour être dissipée la nuit. Les panneaux photovoltaïques (PV) sur mesure de la serre transforment le rayonnement solaire en énergie. Située dans le climat plus froid du Vermont, aux États-Unis, la serre Eco-Ark de la ferme Finn & Roots (6000 pi/560 msup2/sup) abrite un système aquaponique qui fonctionne avec une approche solaire passive similaire. La serre a un toit transparent raide (environ 60˚) orienté sud avec vitrage solaire spécial (fig. 21.5). Son côté nord opaque et hautement isolé est immergé dans une colline et abrite les bassins à poissons. En plus de ces commandes passives, l'Eco-Ark dispose d'un chauffage par le sol radiant qui complète le chauffage pendant les saisons les plus froides.

   **Serres high-tech de style Venlo, les serres de haute technologie qui disposent d'un haut niveau de technologie pour contrôler le climat intérieur sont la norme pour le CEA hydroponique à l'échelle commerciale. Les serres de haute technologie se caractérisent par des commandes informatisées et une infrastructure automatisée, comme des rideaux thermiques automatiques, des réseaux d'éclairage automatiques et des systèmes de ventilation à air forcé. Ces technologies permettent un haut niveau de contrôle de l'environnement, même si elles se font au prix d'une consommation d'énergie élevée.

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   Fig. 21.5 Eco-Ark Serre à Finn & Roots Farm (Bakersfield, Vermont, États-Unis)

   Certaines grandes fermes aquaponiques commerciales utilisent cette typologie de serre pour leur production végétale, comme les fermes Superior Fresh, situées à Hixton, Wisconsin, États-Unis (123 000 pi³/11 430 msup2/sup), les systèmes aquacoles étant logés dans une enceinte opaque distincte. L'éclairage et le chauffage à DEL supplémentaires automatisés permettent aux fermes Superior Fresh de cultiver des verts feuillus toute l'année malgré le manque de lumière du jour en hiver, où la saison de croissance naturelle et sans gel ne dure que 4 mois. Les systèmes automatisés de contrôle de la température interne permettent de faire fonctionner des serres de haute technologie partout dans le monde. La serre Blue Smart Farms utilise une gamme de capteurs pour optimiser l'ombrage pendant les étés chauds australiens.

   Thanet Earth, le plus grand complexe de serres du Royaume-Uni, est situé dans le sud-est de l'Angleterre. Ses cinq serres couvrent plus de 17 acres (7 hectares) chacune, cultivant des tomates, des poivrons et des concombres à l'aide d'hydroponiques (figure 21.6). Cette entreprise est alimentée par un système combiné de chaleur et d'énergie (CHP) qui fournit de l'énergie, de la chaleur et du COSub2/Sub pour les serres. Le système de cogénération fonctionne très efficacement et achemine l'énergie excédentaire vers le district local en l'alimentant dans le réseau d'alimentation électrique local. En outre, les technologies commandées par ordinateur telles que les rideaux énergétiques, l'éclairage supplémentaire à décharge haute intensité et la ventilation régulent les conditions de croissance à l'intérieur.

   Serres sur toit-toit Ce type le plus récent comprend les serres construites au-dessus des bâtiments hôtes, soit à titre de rénovation de structures existantes, soit dans le cadre d'une nouvelle construction. En raison du coût élevé des terres, l'économie d'espace est de plus en plus importante pour les exploitations aquaponiques en milieu urbain. Connecter une serre à un bâtiment existant est une stratégie pour les agriculteurs urbains qui cherchent à revitaliser l'espace sous-utilisé et à trouver un emplacement central dans la ville. Les serres sur le toit sont déjà utilisées par les producteurs hydroponiques à l'échelle commerciale, mais elles constituent un type relativement rare pour les fermes aquaponiques en raison du poids supplémentaire de l'eau qui peut pousser les structures existantes au-delà de leur capacité de charge. Les quelques fermes aquaponiques sur le toit qui existent actuellement accordent la priorité aux systèmes de distribution d'eau légers (technique de film nutritif ou culture basée sur les médias plutôt qu'à la culture en eau profonde) et situent leurs bassins à poissons au niveau inférieur à l'espace de culture en raison d'une demande relativement réduite en lumière naturelle.

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   Fig. 21.6 Thanet Earth, serres ultramodernes avec alimentation combinée de chaleur et d'électricité, (île de Thanet à Kent, Angleterre, Royaume-Uni)

   Deux fermes sur les toits dotées de systèmes aquaponiques de haute technologie ont récemment ouvert leurs portes en Europe. Tous deux ont consulté des consultants en systèmes agricoles Efficient City Farming (ECF) à Berlin. Ecco-Jäger Aquaponik Dachfarm à Bad Ragaz, en Suisse, se trouve au sommet d'un centre de distribution d'une entreprise familiale. La serre sur le toit de style Venlo (12 900 pi³/1200 msup2/sup) est située sur un bâtiment de dépôt de deux étages ; les bassins à poissons sont installés sur le plancher sous la serre. En cultivant des feuilles vertes et des herbes sur son toit, Ecco-Jäger réduit le besoin de transport et peut offrir des produits immédiatement après la récolte. De plus, la ferme tire parti de la chaleur résiduelle générée par son stockage frigorifique pour chauffer la serre. La Ferme Abattoir de BIGH (21 600 pi³/2000 msup2/sup) est une version plus grande d'une serre de toit similaire de style Venlo (figure 21.7), qui occupe le toit du marché Foodmet à Bruxelles, en Belgique. Ces premiers exemples montrent un potentiel supplémentaire pour optimiser les performances aquaponiques et enveloppes en reliant les flux d'eau, d'énergie et d'air entre la ferme et le bâtiment hôte, connu sous le nom d'agriculture intégrée (BIA). Actuellement, des recherches sont en cours sur la serre hydroponique intégrée phare située sur le bâtiment partagé par l'Institut des Sciences et Technologies de l'Environnement (ICTA) et l'Institut Catalan de Paléontologie (ICP) de l'Université Autonome de Barcelone (UAB) afin de désamorcer les avantages de la l'intégration des bâtiments, bien qu'il n'existe pas d'exemple dans le domaine de l'aquaponie pour déterminer les avantages d'une intégration complète des bâtiments, bien qu'il n'existe pas d'exemple dans le domaine de l'aquaponie.

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   Fig. 21.7 BIGH Ferme Abattoir avec la serre high-tech en arrière-plan (Bruxelles, Belgique)

   21.3.2 Type de culture intérieure

   Les espaces de culture intérieurs dépendent exclusivement de la lumière artificielle pour la production végétale. Souvent, ces espaces de culture sont fortement isolés et revêtus d'un matériau opaque, initialement destiné à servir de salles de stockage ou de fabrication industrielle. Les espaces de culture intérieurs ont généralement une meilleure isolation que les serres en raison du matériau de l'enveloppe, mais ne peuvent pas compter sur la lumière du jour ou le chauffage naturel. L'hypothèse est que cette typologie est mieux adaptée aux climats extrêmes, où les variations de température sont plus préoccupantes que l'éclairage (Graamans et al., 2018), bien que des recherches plus concluantes soient nécessaires.

   Urban Organics exploite deux fermes aquaponiques intérieures à l'échelle commerciale au sein de deux brasseries rénovées dans le cœur industriel de St. Paul, Minnesota, États-Unis. Les deux fermes cultivent des feuilles et des herbes dans des lits de culture empilés éclairés par des lumières fluorescentes (figure 21.8). Leur deuxième site permet à Urban Organics de puiser dans l'infrastructure de la brasserie autour d'un aquifère existant ; l'eau de l'aquifère nécessite un traitement minimal et est fournie à 10 °C aux réservoirs d'omble chevalier et de truite arc-en-ciel. L'utilisation des structures existantes a permis de réduire les coûts de construction pour Urban Organics et de revitaliser une zone en difficulté de la ville. Dans un climat encore plus froid, Nutraponics cultive des légumes verts feuillus dans un entrepôt situé sur une parcelle rurale à 40 km à l'extérieur d'Edmonton, Alberta, Canada. Étant donné que les produits locaux dépendent fortement des variations saisonnières de température, Nutraponics gagne un avantage concurrentiel sur le marché en utilisant un éclairage LED pour accélérer la croissance des cultures toute l'année (figure 21.9).

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   Fig. 21.8 Urban Organics (St. Paul, Minnesota, États-Unis)

   21.3.3 Enceintes pour l'aquaculture

   Les enclos pour la composante aquaculture des opérations aquaponiques ne sont techniquement pas aussi exigeants que la conception des enclos pour les composants hydroponiques, car les poissons n'ont pas besoin de lumière solaire pour prospérer. Néanmoins, le contrôle des conditions de culture intérieure permet aux agriculteurs d'optimiser la croissance, de réduire le stress et d'établir des calendriers précis pour la production piscicole, ce qui donne à leurs stocks un avantage concurrentiel sur le marché (Bregnballe 2015). Les espaces d'aquaculture sont principalement nécessaires pour maintenir la stabilité de la température de l'eau. Les bassins à poissons devraient pouvoir supporter des plages de température de l'eau confortables pour des espèces de poissons spécifiques, des poissons d'eau chaude de 75 à 86 °F (24 à 30 °C) et des poissons d'eau froide de 54 à 74 °F (12 à 23 °C) (Alsanius et al., 2017). La température de l'eau et de la pièce peut être contrôlée le plus efficacement possible si les bassins à poissons sont logés dans un espace bien isolé avec peu de fenêtres pour minimiser les gains solaires pendant les mois d'été et les pertes de température lorsque la température extérieure baisse (Pattillo 2017), comme le montre la configuration de l'enceinte INAPRO. Le volume important d'eau nécessaire à la pisciculture doit être considéré d'un point de vue architectural, car il a des conséquences pour les systèmes de construction et de conditionnement dans un bâtiment.

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   Fig. 21.9 Nutraponics (Sherwood Park, Alberta, Canada)

4. 21.4 Évaluation des typologies des enceintes et des applications possibles

   Original publication 2019 · Publié pour la première fois sur FarmHub Learn 2020-06-04 · Aquaponics Food Production Systems

   La performance réelle des fermes aquaponiques dépend de nombreux facteurs spécifiques au cas. On peut tirer quelques conclusions préliminaires sur les avantages, les défis et les applications possibles des typologies d'enceinte à partir de la comparaison d'un ensemble relativement restreint d'études de cas. Une étude empirique d'un nombre plus important d'études de cas existantes sera nécessaire pour établir une corrélation entre le type d'enceinte, l'emplacement géographique et le succès commercial.

   Les serres de technologie moyenne offrent une option commercialement réalisable pour les opérations aquaponiques uniquement dans les climats tempérés avec des hivers doux et des étés modérés, en raison de leur capacité limitée de contrôle de l'environnement. Dans les endroits qui ne nécessitent pas beaucoup de chauffage et de refroidissement, les fermes utilisant cette typologie de serre peuvent fonctionner de manière économe en ressources, avec des investissements initiaux moins élevés pour leur enceinte. Ces fermes fonctionnent généralement avec un budget inférieur et comprennent les bassins à poissons dans la même serre, ce qui limite leur sélection d'espèces de poissons à celles qui ont une grande tolérance à la température et attire leur attention commerciale sur la production de laitue, de feuilles vertes feuillées et d'herbes.

   Les serres solaires passives reposent sur des systèmes passifs, en particulier l'utilisation de la masse thermique, pour contrôler le climat intérieur. L'utilisation de cette typologie pour les systèmes aquaponiques est avantageuse puisque le volume important d'eau dans les bassins à poissons fournit une masse thermique supplémentaire. En raison de leur efficacité énergétique, ils sont souvent utilisés dans les latitudes septentrionales où les serres classiques nécessiteraient un niveau élevé de chauffage supplémentaire. Toutefois, l'exploitation d'une serre dans ces régions repose sur l'utilisation d'un éclairage supplémentaire en raison de faibles niveaux de lumière et de courtes heures de lumière du jour pendant la saison hivernale. Bien que les serres solaires passives en Europe et en Amérique du Nord soient actuellement utilisées à petite échelle expérimentale, l'application plus générale de ces serres à pente unique et économes en énergie sur 1,83 million d'acres (0,74 million d'hectares) de terres agricoles en Chine montre que cette typologie peut être mis en œuvre avec succès à grande échelle (Gao et al. 2010).

   Les serres de haute technologie, en particulier les grands systèmes à gouttière de style Venlo, sont la norme de l'industrie pour la production hydroponique commerciale. Les plus grandes fermes aquaponiques commerciales bien financées utilisent cette typologie pour leurs systèmes de culture hydroponique en conjonction avec une enceinte séparée pour leur infrastructure aquacole. Cette installation garantit le plus haut niveau de contrôle environnemental ainsi que la productivité des cultures et des poissons. Techniquement, ce type de serre peut être utilisé n'importe où, à condition que le revenu produit paie les coûts élevés d'énergie et d'exploitation dans les climats extrêmes. Toutefois, ce type d'exploitation peut ne pas être sensible à l'environnement sous certaines latitudes septentrionales en raison du besoin important de chauffage et d'éclairage supplémentaire. L'empreinte environnementale exacte d'une serre de haute technologie ne peut être évaluée que par projet et dépend principalement de la qualité des sources d'énergie utilisées pour la chaleur et la lumière supplémentaires.

   La plupart des serres sur les toits sont des serres high-tech de style venlo construites sur des toits. Bien que des avantages et des défis similaires s'appliquent, la construction de serres sur le toit est encore plus coûteuse que celle des serres classiques de haute technologie, principalement en raison des codes de construction et des exigences architecturales. Le système structurel des serres sur le toit est souvent surdimensionné pour se conformer aux codes de construction des immeubles de bureaux commerciaux, qui sont plus stricts que les exigences du code du bâtiment pour les structures agricoles. En outre, les opérations aquaponiques sur les toits ont besoin d'infrastructures supplémentaires pour accéder au toit et se conformer aux réglementations en matière d'incendie et de sortie, ce qui a permis de générer une serre équipée d'un gicleur dans un exemple récent (Proksch 2017). L'application la plus prometteuse des serres sur le toit est au-dessus des bâtiments hôtes dans les centres urbains. Les toits urbains offrent souvent un accès suffisant à la lumière du soleil, dont les serres ont besoin pour fonctionner efficacement — une ressource qui manque habituellement, ou du moins n'est pas uniforme en raison de l'ombrage, au niveau du sol dans les zones urbaines denses (Ackerman, 2012). S'ils sont conçus de façon ciblée, les bâtiments hôtes peuvent offrir d'autres ressources telles que la chaleur d'échappement et le COSub2/Sub qui peuvent rendre l'exploitation d'une ferme aquaponique sur le toit plus faisable. Ce type d'intégration avec le bâtiment hôte peut générer des synergies énergétiques et environnementales qui améliorent les performances de la serre et du bâtiment hôte.

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   Fig. 21.10 INAPRO enclos aquaponiques avec deux sections, opaque pour les poissons et serre pour les plantes (Murcie, Espagne)

   Les espaces de culture intérieur dépendent entièrement de l'éclairage artificiel et des systèmes de contrôle actif pour le chauffage, le refroidissement et la ventilation, ce qui entraîne un niveau élevé de consommation d'énergie, d'empreinte environnementale et de coûts d'exploitation. Cette typologie s'applique surtout dans les régions où les hivers sont froids et où la saison de croissance est courte, où l'exposition naturelle à la lumière du soleil et au gain de chaleur est faible et où une supplémentation importante est nécessaire pour exploiter une serre aquaponique commerciale. L'utilisation d'un boîtier opaque permet des niveaux élevés d'isolation, ce qui réduit les pertes de chaleur pendant les mois d'hiver et assure une autonomie contre les variations de température externes. Outre sa dépendance à l'égard de l'éclairage électrique, la culture intérieure dépasse la productivité des serres telle que mesurée dans d'autres ressources, comme l'eau, le COSub2/sub et la superficie terrestre (Graamans et al. 2018). De plus, la production par unité de surface peut être beaucoup plus élevée grâce à l'utilisation de systèmes de culture empilés. En ce qui concerne l'intégration urbaine de l'aquaponie dans les villes, les espaces de culture intérieurs permettent la réutilisation adaptative des bâtiments industriels et des entrepôts, ce qui peut réduire le coût initial de la construction de l'enceinte et soutenir l'intégration des fermes aquaponiques dans les quartiers mal desservis.

   Le projet Innovative Aquaponics for Professional Applications (INAPRO, 2018) a inclus la comparaison du même système aquaponique et de la même technologie de serre, sur plusieurs sites en Allemagne, en Belgique et en Espagne. Le système aquaponique situé en Chine était logé dans une serre solaire passive. Les installations aquaponiques de l'INAPRO en Europe ont utilisé un type de serre revêtu de verre pour la production végétale et un élément de remise de type industriel pour les réservoirs de poisson et les unités de filtration (figure 21.10). Le projet INAPRO démontre que les technologies de serre doivent être adaptées et choisies en fonction des conditions climatiques locales. L'équipe espagnole de l'INAPRO a constaté, que l'enceinte sélectionnée était bien adapté pour les régions plus fraîches du nord de l'Europe, mais pas les régions méditerranéennes plus chaudes dans le sud de l'Europe. Cette observation souligne l'importance d'approfondir la recherche sur la performance des typologies de serres pour faire progresser le domaine des opérations aquaponiques commerciales.

   Bien que la comparaison des différentes typologies révèle certains modèles de performance entre typologie, emplacement et investissement (tableau 21.3), pour une compréhension complète du rendement agricole et de l'impact environnemental, un système plus robuste d'analyse et de conception des enclos agricoles est nécessaire.

5. 21.5 Évaluation de l'impact en tant que cadre de conception

   Original publication 2019 · Publié pour la première fois sur FarmHub Learn 2020-06-04 · Aquaponics Food Production Systems

   La croissance de l'aquaponie et les affirmations généralisées selon lesquelles l'aquaponie est plus durable que les autres formes de production alimentaire ont stimulé la discussion et la recherche sur la durabilité réelle de ces systèmes. L'évaluation du cycle de vie (ACV) est une méthode de quantification clé qui peut être utilisée pour analyser la durabilité dans l'agriculture et les environnements bâtis en évaluant les impacts environnementaux des produits tout au long de leur durée de vie. Dans le cas d'un bâtiment, une ACV peut être divisée en deux types d'impact : l'impact _incarné, qui comprend l'extraction de matériaux, la fabrication, la construction, la démolition et l'élimination ou la réutilisation de ces matériaux, et l'impact _opérationnel qui fait référence à la maintenance des systèmes de construction (Simonen 2014). De même, l'évaluation d'un produit agricole peut être divisée en fonction de l'impact structurel de l'enveloppe du bâtiment et de l'infrastructure du système, de l'impact sur la production associé à la culture continue et de l'impact post-récolte de l'emballage, du stockage et de la distribution (Payen et al. 2015). La réalisation d'une ACV d'une ferme aquaponique nécessite une compréhension simultanée des impacts sur le bâtiment et sur l'agriculture, car il y a un chevauchement dans la phase opération de l'enveloppe avec la phase production d'une culture. La façon dont un bâtiment fonctionne ses systèmes de chauffage, de refroidissement et d'éclairage influe directement sur la culture de la culture ; inversement, différents types de cultures exigent des conditions environnementales différentes. Il existe de nombreuses études comparant les résultats de l'ACV pour différents types de bâtiments situés dans différents contextes (Zabalza Bribián et al., 2009). De même, l'ACV a été utilisé par le secteur agricole pour comparer les gains d'efficacité de différentes cultures et systèmes de culture (He et al., 2016 ; Payen et al., 2015). L'évaluation de la performance de l'agriculture en environnement contrôlé et de l'aquaponie en particulier nécessite une intégration habile des deux méthodologies en une seule évaluation (Sanyé-Mengual 2015).

   Le cadre proposé pour l'ACV des exploitations aquaponiques (figure 21.11) est intentionnellement vaste et permet de saisir un large éventail de typologies de fermes trouvées sur le terrain. Afin d'appliquer les résultats de l'ACV aux fermes existantes, des facteurs comme les données climatiques et économiques doivent être inclus pour valider l'évaluation environnementale (Goldstein et al., 2016 ; Rothwell et al., 2016)

   La section suivante traite d'une collection de stratégies de conception d'enclos de fermes aquaponiques fondées sur l'inventaire de l'ACV des fermes aquaponiques, qui synthétise la littérature existante avec des études de cas et suggère des orientations pour les travaux futurs. L'intégration unique des impacts aquaponiques et des impacts liés aux bâtiments revêt un intérêt particulier.

   Tableau 21.3 Comparaison des typologies agricoles en milieu contrôlé

   table thead tr class="en-tête » TCEA type/th e Avantages /th e Défis /th e Coût et revenus/SUP /th /tr /thead tbody tr class="impair » td rowspan=2 Serres moyenne/td td S'appuie presque entièrement sur l'énergie solaire, faible besoin d'énergie supplémentaire /td td Options limitées de contrôle de l'environnement, sensibles aux fluctuations environnementales /td td rowspan=2 Réduction des coûts de construction à l'avant/à l'avant/à la construction (environ 30—100 $/msup2/sup) /td /tr tr class="même » td Moins de dépendance à l'égard des matériaux non renouvelables et des sources d'énergie /td td Uniquement applicable aux espèces de poissons ayant une grande tolérance à la température (si les réservoirs sont dans la serre) /td /tr tr class="impair » td rowspan=2 Serres solaires passives/td td S'appuie sur des systèmes passifs, utilise la masse thermique (y compris les bassins à poissons) pour amortir les variations de température /td td Le contrôle avec des systèmes passifs nécessite plus d'expérience et une conception délibérée /td td rowspan=2 Réduction des coûts de construction à l'avant/à l'avant/à la construction (environ 30—100 $/msup2/sup) /td /tr tr class="même » td Faible consommation d'énergie, potentiellement sans besoin de combustibles fossiles /td td Exiger un éclairage supplémentaire, s'il est situé aux latitudes septentrionales en raison de faibles niveaux de lumière /td /tr tr class="impair » td rowspan=2 Serres high-tech td Les niveaux de contrôle les plus élevés /td td S'appuie sur des systèmes actifs pour la chaleur, le refroidissement, la ventilation et l'éclairage supplémentaire /td td rowspan=2 Coût élevé à l'avant/construction (env. 100—200 $/msup2/sup et plus) /td /tr tr class="même » td Productivité élevée et potentiel de mise à l'échelle /td td Consommation d'énergie élevée et coût d'exploitation /td /tr tr class="impair » td rowspan=5 Serres de toit/td td Les niveaux de contrôle les plus élevés /td td rowspan=2 S'appuie sur des systèmes actifs pour la chaleur, le refroidissement, la ventilation et l'éclairage supplémentaire /td td rowspan=5 Coût de construction très élevé (env. 300—500 $/msup2/sup) /td /tr tr class="même » td Productivité élevée /td /tr tr class="impair » td rowspan=3 Potentiel de synergies énergétiques et environnementales, si elles sont intégrées au bâtiment d'accueil /td td Consommation d'énergie élevée et coût d'exploitation /td /tr tr class="même » td Nécessite la conformité au code au niveau des immeubles à bureaux commerciaux /td /tr tr class="impair » td Le transport des fournitures jusqu'au toit est un défi infrastructurel /td /tr tr class="même » td rowspan=4 Espaces de culture en intérieur/td td Réutilisation adaptative des bâtiments industriels possible /td td Dépend entièrement de l'éclairage électrique et des systèmes de contrôle actif pour le chauffage, le refroidissement et la ventilation /td td Les coûts de construction à l'avant/à l'avance peuvent être moins élevés si un bâtiment existant peut être utilisé /td /tr tr class="impair » td Productivité élevée par unité d'encombrement grâce à des systèmes de croissance empilés /td td rowspan=3 Consommation d'énergie élevée et coût d'exploitation /td td rowspan=3 Le coût dépend également du système de croissance, empilant plusieurs niveaux /td /tr tr class="même » td Haut niveau d'isolation possible /td /tr tr class="impair » td Réduction de la perte de chaleur pendant les mois d'hiver /td /tr /tbody /table

   supa/sup Basé sur Proksch (2017)

    

   Fig. 21.11 Exemple d'un processus d'ACV intégré incluant la performance du bâtiment et du système aquaponique. (D'après Sanyé-Mengual et al. 2015).

   21.5.1 Impacts incorporés : énergie incorporée et carbone incorporé

   Matériaux de structure et construction L'énergie incorporée est le calcul de la somme de l'énergie utilisée pour extraire, affiner, traiter, transporter, produire et assembler un matériau ou un produit. Le carbone incorporé est la quantité de COSub2/sub émise pour produire le même matériau ou produit. Comparativement aux exploitations agricoles conventionnelles en plein champ, l'impact incarné d'un système de culture en milieu contrôlé est plus important en raison de l'augmentation de l'extraction et de la fabrication des matériaux au stade de la construction (Ceron-Palma et al., 2012). Par exemple, dans la serre de toit ICTA-ICP, la structure de l'enveloppe génère 75 % plus de potentiel de réchauffement planétaire (PRP) qu'une structure de serre à plusieurs tunnels à base de sol en raison de la quantité de polycarbonate utilisée dans la construction (Sanyé-Mengual et al., 2015). De même, une simulation de serre intégrée à Boston a entraîné une augmentation des impacts environnementaux au stade de la construction, en raison de l'extraction de minerais de fer pour la fabrication d'acier de construction (Goldstein, 2017). Les impacts incorporés associés aux enveloppes d'environnement contrôlé peuvent être atténués par l'utilisation intelligente de matériaux (étant donné que des ajustements du code du bâtiment sont apportés pour éviter de surdimensionner les éléments structuraux), mais ils dépasseraient néanmoins ceux de l'agriculture traditionnelle. La culture de la nourriture dans une enveloppe construite nécessitera toujours plus de ressources au début que la simple plantation de légumes en plein champ, mais augmentera aussi de façon spectaculaire la quantité de nourriture pouvant être produite par surface au cours du même laps de temps.

   Pour éviter les impacts environnementaux liés à la structure, certaines exploitations aquaponiques utilisent des bâtiments existants plutôt que de construire une nouvelle enveloppe. Urban Organics à St. Paul, dans le Minnesota, aux États-Unis, a réaménagé deux bâtiments de brasserie comme espaces de culture intérieurs. Dans un autre exemple de réutilisation adaptative, The Plant, à Chicago, Illinois, États-Unis, exploite son incubateur d'aliments et son collectif agricole urbain dans une usine de 1925 utilisée auparavant par Peer Foods comme installation d'emballage de viande (figure 21.12). Les équipements d'isolation et de réfrigération existants ont été réaffectés pour contrôler les fluctuations de température dans l'installation aquaponique expérimentale.

   Équipement et substrat aquaponiques Lorsqu'il est intégré dans des bâtiments, le choix du matériau pour les réservoirs aquaponiques devient un facteur important de conception, car il peut limiter l'assemblage et le transport dans le bâtiment. Par exemple, les pièces en polyéthylène peuvent être assemblées sur place à l'aide de soudage plastique, mais cela n'est pas possible avec les pièces en fibre de verre (Alsanius et al. 2017). En outre, la fabrication d'équipements de systèmes aquaponiques peut contribuer de manière significative à l'impact environnemental global — par exemple, le polyester renforcé de fibres de verre utilisé pour le réservoir d'eau de 100 msup3/sup de la serre de toit ITAICP est responsable de 10 à 25 % de l'impact environnemental de la fabrication étape (Fig. 21.13). Le choix du substrat pour les plantes dans un système aquaponique a une ramification de poids pour la structure du bâtiment hôte, mais contribue également à l'impact environnemental. Dans une étude récente réalisée sur l'aquaponie intégrée à des murs vivants, la laine minérale et la fibre de coco ont obtenu des résultats comparables, bien que l'une soit compostable et l'autre à usage unique (Khandaker et Kotzen 2018).

    

   Fig. 21.12 The Plant (Chicago, Illinois, USA)

   Entretien de la structure et de l'équipement La sélection initiale des matériaux pour l'équipement aquaponique et les composants de l'enveloppe détermine l'entretien à long terme des fermes aquaponiques. La fabrication de matériaux plus durables tels que le verre ou les plastiques rigides nécessite un investissement initial plus important en ressources environnementales que les films plastiques ; cependant, les films doivent être remplacés plus fréquemment — par exemple, le verre devrait rester fonctionnel pendant plus de 30 ans, tandis que les films revêtus plus classiques Le film de polyéthylène ne peut durer que 3 à 5 ans avant de devenir trop opaque (Proksch 2017). Selon la durée de vie prévue d'une enveloppe de système aquaponique, il peut être plus avantageux de choisir un matériau ayant une durée de vie plus courte et un impact de fabrication moindre. Le film ETFE utilisé dans la serre solaire Aquaponic est un compromis prometteur entre longévité et durabilité, bien que des recherches plus poussées soient nécessaires. L'équipement aquaponique standard se compose de réservoirs d'eau et de tuyauterie. La tuyauterie pour systèmes aquaponiques est souvent fabriquée à partir de PVC, ce qui produit un impact important sur l'environnement dans son processus de fabrication, mais ne nécessite pas de remplacement avant 75 ans. Certains fournisseurs aquaponiques proposent le bambou comme alternative organique.

    

   Fig. 21.13 Section de construction avec serres sur le toit par Harquitectes, bâtiment ICTA-ICP (Bellaterra, Espagne)

   21.5.2 Impacts opérationnels

   Énergie En 2017, 39 % de la consommation totale d'énergie aux États-Unis correspondaient au secteur du bâtiment (EIE). Le secteur agricole représentait environ 1,74 % de la consommation totale d'énergie primaire aux États-Unis en 2014, en s'appuyant fortement sur les dépenses indirectes sous forme d'engrais et de pesticides (Hitaj et Suttles, 2016). L'efficacité énergétique est un domaine de recherche bien établi à la fois dans l'environnement bâti et dans l'agriculture, définissant souvent les impacts opérationnels d'un produit, d'un bâtiment ou d'une exploitation agricole dans l'ensemble de l'ACV (Mohareb et al., 2017). L'intégration de l'utilisation de l'énergie du bâtiment et de l'agriculture peut optimiser les performances des deux (SanJuandelmás et al. 2018).

   Chauffage Les besoins énergétiques pour le chauffage des espaces de culture sont particulièrement intéressants dans les climats septentrionaux, où la prolongation d'une saison de croissance naturellement courte donne aux fermes aquaponiques intégrées dans les bâtiments un avantage concurrentiel sur le marché (Benis et Ferrão 2018). Cependant, dans les climats plus froids, la consommation d'énergie par les systèmes de chauffage actifs contribue de façon significative à l'impact environnemental global — dans une évaluation des espaces de culture conditionnés à Boston, au Massachusetts, les coûts de chauffage ont neutralisé les avantages de l'élimination des milles alimentaires dans la chaîne alimentaire urbaine (Benis et al. 2017b ; Goldstein 2017). Cela n'est pas vrai dans les climats méditerranéens, où les conditions climatiques sont propices à l'agriculture et où les structures de serre conventionnelles et presque toute l'année peuvent compter sur le chauffage solaire passif (Nadal et al., 2017 ; Rothwell et al., 2016).

   Dans les climats froids et chauds, l'intégration de systèmes de culture à environnement contrôlé sur les toits existants peut fournir une isolation au bâtiment hôte — une ferme de Montréal, au Québec, signale qu'elle absorbe 50 % des besoins en chauffage de serre de la structure hôte existante, réduisant ainsi la charge de chauffage (Goldstein, 2017). Les systèmes d'éclairage peuvent également être partiellement responsables de la satisfaction de la demande de chauffage dans les applications intérieures verticales telles que les usines ou les conteneurs d'expédition (Benis et al. 2017b).

   La capture de chaleur résiduelle est une autre stratégie de conception prometteuse qui peut optimiser les performances de la structure hôte et du système de croissance. Des études post-occupation de la serre expérimentale sur le toit de l'ICTA-ICP à Bellaterra, en Espagne, indiquent que l'intégration du bâtiment à la serre a permis de réaliser des économies équivalentes de carbone de 113,8 kg/msup2/sup/an par rapport à une serre autoportante conventionnelle chauffée à l'huile (Nadal et al. 2017). Sans intervention des systèmes actifs de chauffage, de ventilation et de climatisation (CVC), la masse thermique du laboratoire hôte a augmenté la température de serre de 4,1 C pendant les mois les plus froids, permettant ainsi la culture de la tomate toute l'année.

   Refroidissement Dans les climats méditerranéens et tropicaux, le refroidissement artificiel est souvent nécessaire pour cultiver des produits tout au long de l'année. Dans une simulation de serre sur le toit, les charges de refroidissement représentaient jusqu'à 55 % de la demande énergétique totale des exploitations agricoles à Singapour et 30 % dans le climat plus tempéré de Paris (Benis et al., 2017b). La demande d'énergie de refroidissement est particulièrement élevée dans les climats arides, ce qui peut tirer le plus parti de la réduction des coûts de transport conventionnels des produits périssables (Graamans et al. 2018 ; Ishii et al. 2016). Le refroidissement par évaporation, le refroidissement par brouillard et l'ombrage sont des stratégies pour abaisser les températures dans les fermes aquaponiques et améliorer le rendement des exploitations agricoles en termes de rendement.

   Les systèmes aquaponiques intégrés au bâtiment ont l'avantage de stocker la masse thermique dans des bassins à poissons pour alléger les charges de refroidissement et de chauffage. Dans les cas où ce mode de refroidissement passif ne satisfait pas la demande de refroidissement, le refroidissement par évaporation est le plus couramment utilisé. La serre Sustainable Harvesters produit de la laitue pour la région de Houston, au Texas, aux États-Unis, toute l'année en utilisant un système de refroidissement par ventilateur et tampon, un sous-ensemble de technologie de refroidissement par évaporation. L'air chaud de l'extérieur de l'enveloppe passe d'abord à travers un milieu de cellulose humide avant d'entrer dans l'espace de croissance. En conséquence, l'air intérieur est plus frais et plus humide. Le refroidissement par évaporation est plus efficace dans les climats secs, mais nécessite une utilisation élevée de l'eau, ce qui peut être une limite pour les exploitations agricoles dans les régions arides du monde.

   Le refroidissement par brouillard est une stratégie alternative. Dans une serre refroidie par la brumée, les plantes sont périodiquement brumées avec de l'eau provenant des gicleurs aériens jusqu'à ce que l'espace atteigne la température désirée pour la culture. Le refroidissement par brouillard utilise moins d'eau que le refroidissement par évaporation, mais augmente l'humidité relative d'un espace en croissance. S'il est associé à la bonne stratégie de ventilation, le refroidissement par brouillard peut être une technologie d'économie d'eau particulièrement adaptée aux régions arides (Ishii et al., 2016). De plus, le refroidissement par brouillard diminue le taux d'évapotranspiration chez les plantes, ce qui est essentiel pour optimiser le métabolisme des plantes dans les systèmes aquaponiques (Goddek, 2017). La serre phare des fermes Superior Fresh utilise un système informatisé de refroidissement par brouillard pour maintenir les températures de culture pendant la saison chaude.

   Les dispositifs d'ombrage peuvent également contribuer à abaisser les températures de serre. Traditionnellement, le blanchiment de chaux saisonnier des serres était utilisé pour réduire les niveaux de rayonnement solaire pendant les mois les plus chauds (_Environnement contrôlé Agriculture, 1973). Cependant, l'ombrage peut être intégré à d'autres fonctions de bâtiment. Une stratégie d'ombrage prometteuse consiste à utiliser des modules photovoltaïques semi-transparents pour refroidir simultanément l'espace et produire de l'énergie (Hassanien et Ming 2017). La serre solaire Aquaponic combine son réseau photovoltaïque à la fonctionnalité d'ombrage ; elle utilise des panneaux en aluminium rotatifs comme dispositifs d'ombrage qui fonctionnent comme capteurs solaires à l'aide de cellules photovoltaïques montées. Le système photovoltaïque intégré transforme alors l'excès de rayonnement solaire en énergie électrique.

   Éclairage Le principal avantage des serres par rapport aux espaces de culture intérieurs est leur capacité à capitaliser sur la lumière du jour pour faciliter la photosynthèse. Cependant, les exploitations dans des climats extrêmes peuvent constater qu'il n'est pas financièrement possible de satisfaire les charges de chauffage ou de refroidissement pour une enveloppe transparente ; dans ce cas, les agriculteurs peuvent choisir de cultiver des cultures dans des espaces de culture intérieurs avec une enveloppe isolée (Graamans et al. 2018). Les fermes aquaponiques qui opèrent dans des espaces de culture intérieurs s'appuient sur un éclairage électrique efficace pour produire des cultures.

   De nombreuses avancées en matière d'éclairage agricole contemporain ont été réalisées dans les usines japonaises, utilisées pour optimiser les rendements des plantes dans les systèmes hydroponiques denses en remplaçant la lumière du soleil par des longueurs d'onde de lumière artificielles (Kozai et al. 2015). Actuellement, l'éclairage LED est le choix le plus populaire pour les systèmes d'éclairage horticole électriques. Ils sont 80 % plus efficaces que les lampes à décharge haute intensité et 30 % plus efficaces que leurs homologues fluorescents (Proksch 2017). L'éclairage à DEL continue d'être étudié pour optimiser l'efficacité énergétique et le rendement des cultures (Zhang et al., 2017). Les serres à grande échelle comme Superior Fresh, Wisconsin, États-Unis, s'appuient sur des régimes d'éclairage supplémentaires informatisés pour prolonger la période de photosynthèse de sa culture aux latitudes septentrionales.

   Production d'énergie Contrainte par les mêmes facteurs que tous les CEA, la gestion de l'énergie d'une ferme aquaponique dépend du climat extérieur, de la sélection des cultures, du système de production et de la conception de la structure (Graamans et al. 2018). La culture des produits par l'aquaponie n'est pas intrinsèquement durable si elle n'est pas gérée correctement — tous les facteurs ci-dessus peuvent influer sur l'efficacité énergétique pour le meilleur ou le pire (Buehler et Junge, 2016). Dans bien des cas, l'AEC consomme plus d'énergie que l'agriculture conventionnelle en plein champ ; toutefois, des dépenses énergétiques plus élevées peuvent être justifiées si la façon dont nous approvisionnons l'énergie se déplace vers des sources renouvelables et que des stratégies efficaces de chauffage, de refroidissement et d'éclairage sont intégrées à la conception de la ferme.

   La production d'énergie photovoltaïque (PV) peut jouer un rôle important dans la compensation des impacts opérationnels des aquaponiques en environnement contrôlé, réduisant ainsi les contraintes environnementales. Dans un exemple de serre de haute technologie en Australie, l'utilisation de l'énergie provenant d'un réseau photovoltaïque a entraîné une réduction de 50 % des émissions de gaz à effet de serre du cycle de vie par rapport au scénario de grille classique (Rothwell et al., 2016). La production d'énergie renouvelable peut être combinée à des fermes aquaponiques, si l'espace le permet — par exemple, la serre aquaponique Lucky Clays Fresh d'une ferme rurale en Caroline du Nord fonctionne à partir d'énergie produite par des éoliennes et des panneaux photovoltaïques situés ailleurs sur la parcelle du propriétaire.

   Eau L'efficacité de l'utilisation de l'eau a souvent été citée comme un avantage majeur de l'ACE et des systèmes hydroponiques (Despommier, 2013 ; Specht et al., 2014). Les systèmes aquaponiques sont encore mieux adaptés pour augmenter l'efficacité de l'eau — où 1 kg de poisson produit dans un système aquacole conventionnel nécessite entre 2500 et 375 000 L, la même quantité de poissons élevés dans un système aquaponique nécessite moins de 100 L (Goddek et al., 2015). La capture des eaux pluviales et la réutilisation des eaux grises ont été proposées comme deux stratégies visant à compenser les effets sur les bassins hydrographiques de l'exploitation d'une ferme hydroponique ou aquaponique. Dans la serre actuelle de l'ICTA-ICP, 80 à 90 % des besoins en eau pour la production de tomates dans un système hydroponique agrégé ont été couverts par la capture d'eau de pluie dans l'année suivant l'exploitation (Sanjuan-Delmás et al. 2018). Toutefois, la capacité de captage de l'eau de pluie à répondre à la demande des cultures dépend du contexte climatique. Dans une étude évaluant la viabilité de la production de serres sur les toits dans les parcs commerciaux existants dans huit villes du monde, sept ont rencontré l'autosuffisance des cultures grâce à la capture des eaux de pluie — seul Berlin ne l'a pas fait (Sanyé-Mengual et al. 2018).

   Certaines installations existantes de l'ACE réutilisent déjà les eaux grises pour améliorer l'efficacité (Benke et Tomkins, 2017). Cependant, la réutilisation des eaux grises dans un contexte urbain est actuellement limitée en raison du manque de soutien réglementaire et de l'absence actuelle de recherche sur les risques pour la santé liés à l'utilisation des eaux grises en agriculture. Projet pilote de réutilisation des eaux grises, la Maison Productive de Montréal recueille des eaux grises à partir d'usages domestiques pour compléter sa collecte d'eau de pluie afin d'irriguer les jardins et une serre communautaire pour la production alimentaire que partagent neuf unités résidentielles (Thomaier et al., 2015). Avec de nouveaux progrès dans la politique de traitement des eaux grises, l'aquaponie intégrée dans les bâtiments peut puiser dans le cycle actuel de l'eau au lieu de dépendre des sources municipales.

   D'un point de vue architectural, la distribution de l'eau dans un système aquaponique est susceptible de présenter un défi structurel. Les bassins aquaponiques pèsent plus que les lits de culture hydroponique et peuvent limiter les types de structures possibles pour la rénovation d'une ferme aquaponique. Le milieu de culture doit également être pris en considération — les systèmes de culture en eau profonde (DWC) nécessitent un volume important et lourd d'eau, tandis que les systèmes de technique de film nutritif (NFT) sont légers mais coûteux à fabriquer (Goddek et al., 2015).

   Nutrients Comparativement à l'agriculture conventionnelle en plein champ, l'ACE réduit le besoin d'engrais et de pesticides, car l'agriculteur peut séparer physiquement la culture des conditions extérieures difficiles (Benke et Tomkins, 2017). Cependant, en raison de la densité d'un système aquaponique, les maladies des plantes ou des poissons peuvent se propager rapidement si un agent pathogène infiltre l'espace. Des options préventives telles que l'utilisation d'insectes prédateurs ou des mesures de lutte environnementale serrées, comme une entrée « tampon », peuvent éviter ce risque (Goddek et al., 2015).

   L'intégration de différents besoins en éléments nutritifs des poissons et des cultures est un défi pour les systèmes aquaponiques singuliers (Alsanius et al., 2017). En général, les plantes ont besoin de concentrations d'azote plus élevées que les poissons ne peuvent supporter, et une sélection rigoureuse des cultures et des poissons peut correspondre aux besoins en nutriments pour optimiser les rendements, mais il est encore difficile d'atteindre. Des systèmes découplés (DRAS) ont été proposés pour séparer le cycle aquicole du cycle hydroponique afin d'atteindre les concentrations souhaitées en éléments nutritifs, mais ils ne sont pas encore utilisés couramment dans les fermes commerciales (Suhl et al., 2016). Urban Organics basé à St. Paul, dans le Minnesota, aux États-Unis, a choisi de mettre au point un système LISS pour leur deuxième exploitation afin d'optimiser les rendements des cultures et des poissons et d'éviter les pertes de cultures en cas de déséquilibres nutritifs dans les bassins de poissons. ECF Farm à Berlin, en Allemagne, et Superior Fresh fermes au Wisconsin, aux États-Unis, exploitent également des systèmes découplés pour optimiser la croissance des poissons et des plantes.

   On peut également optimiser les cycles des nutriments aquaponiques grâce à l'introduction d'un réacteur anaérobie pour transformer les déchets solides de poisson en phosphore digestible pour les plantes (Goddek et al., 2016). À l'heure actuelle, The Plant, à Chicago, aux États-Unis, envisage d'exploiter un digesteur anaérobie qui pourrait jouer un rôle dans l'optimisation des cycles nutritionnels pour la croissance des cultures. Les exigences du système mécanique pour les DRAS et la digestion anaérobie influenceront les performances ainsi que l'aménagement spatial d'une ferme aquaponique.

   21.5.3 Impacts en fin de vie

   Gestion des déchets de matières Un avantage théorique de l'ACE par rapport à l'agriculture en plein air est la capacité de contrôler le ruissellement des déchets de matériaux, empêchant ainsi le lessivage (Despommier, 2013 ; Gould et Caplow, 2012). Une enveloppe serrée peut jouer un rôle dans la gestion efficace des déchets de matériaux. L'utilisation de tiges de plantes pour produire du biochar isolant, bien que cette recherche en soit à ses débuts (Llorach-Massana et al., 2017) constitue un moyen de recyclage des déchets organiques pour améliorer la performance des bâtiments. De plus, l'intégration de composants de gestion des déchets tels qu'un lit de filtration, un digesteur anaérobie ou un ventilateur de récupération de chaleur dans la conception de l'enceinte à un stade précoce peut fermer les boucles d'énergie, de nutriments et d'eau de la ferme.

   Chaînes de distribution L'emballage a été un point d'intérêt dans diverses ZAL agricoles pour évaluer l'impact de la production. Elle est responsable jusqu'à 45 % de l'impact total d'une tomate à Bologne, en Italie, et elle contribue le plus aux impacts environnementaux des systèmes hydroponiques intérieurs à Stockholm, en Suède (Molin et Martin 2018b ; Orsini et al. 2017 ; Rothwell et al. 2016). L'implantation de fermes aquaponiques à proximité des consommateurs peut réduire le besoin d'emballage, d'entreposage et de transport, comme c'est le cas pour d'autres formes d'agriculture urbaine, si les détaillants et les distributeurs locaux collaborent avec les agriculteurs (Specht et al., 2014). Malheureusement, en raison de l'acceptation des consommateurs, la plupart des grands détaillants exigent actuellement des emballages en plastique standard pour les produits aquaponiques destinés à être vendus aux côtés des marques conventionnelles. Par conséquent, le choix d'un site proche d'un marché de consommation pour les aquaponiques en environnement contrôlé ne garantit pas de changements significatifs dans la performance globale de la ferme.

   Le transport réduit, ou milles alimentaires, est souvent cité dans la littérature comme un avantage majeur de l'agriculture urbaine (Benke et Tomkins 2017 ; Despommier 2013 ; Sanjuan-Delmás et al. 2018). Toutefois, il est important de noter que la contribution relative des chaînes de transport raccourcies varie au cas par cas. À Singapour, où presque tous les aliments doivent être importés des pays voisins, il est logique de réduire les chaînes de transport sur le plan financier et environnemental (Astee et Kishnani 2010). On ne peut pas en dire autant pour l'Espagne, où la chaîne d'approvisionnement conventionnelle de tomates d'une ferme à l'autre est déjà courte (SanJuandelmás et al. 2018). Les villes ayant les chaînes d'approvisionnement les plus longues peuvent bénéficier d'une production alimentaire localisée, mais les avantages de la réduction des transports doivent être évalués par rapport aux impacts opérationnels et incarnés. Dans le cas de Boston, les avantages de la réduction des transports ont été entièrement annulés par l'impact du chauffage et de l'exploitation d'une serre à l'intérieur de la ville (Goldstein, 2017). Malgré de longues chaînes d'approvisionnement alimentaires conventionnelles, les répercussions sur le transport ont été tout aussi insignifiantes dans l'ensemble du rendement de l'ACE à Stockholm (Molin et Martin 2018a).

   Consommation et alimentation Les fermes aquaponiques dans les villes peuvent modifier les régimes alimentaires urbains, qui jouent un rôle important dans l'impact environnemental de la consommation alimentaire (Benis et Ferrão 2017). La consommation de viande par le biais de la chaîne conventionnelle produit la plus grande part de l'empreinte environnementale actuelle et la recherche de solutions de remplacement de protéines pourrait avoir un impact plus important que la mise en œuvre généralisée de l'agriculture urbaine (Goldstein, 2017). Étant donné que l'aquaponie produit du poisson et des légumes, il ne faut pas tenir compte de cette possibilité de modifier les régimes protéiques à grande échelle dans les évaluations plus larges de la performance environnementale.

6. 21.6 Aquaponie urbaine intégrée

   Original publication 2019 · Publié pour la première fois sur FarmHub Learn 2020-06-04 · Aquaponics Food Production Systems

   Lorsqu'elles sont délibérément conçues en fonction de l'impact sur l'environnement, les fermes aquaponiques peuvent faire partie d'un système alimentaire urbain efficace en ressources. Aucune ferme aquaponique ne fonctionne isolément puisque lorsque les cultures sont récoltées et atteignent les portes de la ferme, elles pénètrent dans un réseau alimentaire socioéconomique plus vaste à mesure que le poisson et les produits sont distribués aux clients. À ce stade, la performance des fermes aquaponiques ne se limite plus au système de croissance et à l'enveloppe — l'économie, le marketing, l'éducation et la sensibilisation sociale sont également impliqués. Les fermes aquaponiques urbaines devront fonctionner comme des entreprises compétitives et de bons voisins pour être intégrées avec succès à la vie urbaine.

   21.6.1 Viabilité économique

   La viabilité économique des fermes aquaponiques dépend de nombreux facteurs contextuels où les chaînes locales de production de poissons conventionnelles et l'élevage en plein air doivent être appariées (Stadler et al., 2017). Bien que l'aquaponie nécessite un investissement initial relativement coûteux, elle peut surpasser l'agriculture conventionnelle pendant la phase de production et de distribution, où la conception du système d'eau recirculant réduit les coûts de l'eau et réduit considérablement le besoin d'engrais, qui représentent habituellement entre 5 et 10 % de les coûts agricoles globaux (Hochmuth et Hanlon 2010). Cependant, l'estimation de la viabilité économique des exploitations aquaponiques est particulièrement difficile en raison de l'éventail de facteurs dynamiques qui influent sur le rendement, dont le prix local de la main-d'œuvre et de l'énergie en sont deux exemples (Goddek et al., 2015). Dans une analyse économique des fermes aquaponiques du Midwest des États-Unis, la main-d'œuvre représentait 49% de tous les coûts opérationnels malgré l'hypothèse que seuls les salaires minimums seraient payés. En réalité, la vaste gamme d'expertise requise pour exploiter un système aquaponique justifiera probablement des salaires plus élevés dans un scénario agricole urbain (Quagrainie et al., 2018).

   La sélection du site et la conception de l'enveloppe ont un lien direct avec la rentabilité d'une ferme aquaponique en influant sur l'efficacité de l'exploitation et sur l'étendue du marché potentiel. Les fermes aquaponiques situées en milieu urbain peuvent exploiter de nombreux marchés en dehors de la production agricole, où de nombreuses fermes aquaponiques offrent des visites, des ateliers, des services de conseil en conception et fournissent des systèmes aquaponiques pour les amateurs. L'intégration de l'agriculture à d'autres types d'espaces urbains peut contribuer à la santé financière des fermes aquaponiques. La ferme aquaponique ECF est située sur le chantier du bâtiment industriel Malzfabrik, à Berlin, en Allemagne, qui exploite un centre culturel et abrite des espaces de travail pour les artistes et les designers.

   21.6.2 Accessibilité et sécurité alimentaire

   L'agriculture urbaine est souvent citée comme une stratégie visant à fournir des aliments frais aux communautés mal desservies situées dans des déserts alimentaires, mais peu d'exploitations agricoles urbaines commerciales ciblent cette population, ce qui prouve que l'agriculture urbaine à l'échelle commerciale peut être tout aussi exclusionnelle que les chaînes d'approvisionnement classiques (Gould et Caplow 2012 ; Sanyé- Mengual et coll. 2018 ; Thomaier et coll. 2015). Les fermes aquaponiques qui utilisent des infrastructures de haute technologie tentent de racheter leurs investissements élevés en obtenant des prix élevés sur les marchés urbains, bien que l'aquaponie puisse aussi provenir d'applications populaires et d'amateurs. L'aquaponie peut également contribuer à accroître la sécurité alimentaire des résidents urbains. Ceci est démontré dans l'héritage durable de Growing Power, une organisation à but non lucratif qui, jusqu'à récemment, dirigeait une ferme urbaine à Milwaukee, Wisconsin,, fondée par Will Allen en en 1993. De nombreux agriculteurs aquaponiques actuels ont assisté aux ateliers de Growing Power, au cours desquels Allen a défendu un modèle aquaponique qui redonne à la communauté environnante grâce à des classes et des boîtes agricoles soutenues par la communauté. Initiées par les programmes éducatifs de Growing Power, d'autres organisations à but non lucratif ont pris la flamme comme Dre Taylor avec Nile Valley Aquaponics à Kansas City, Kansas, États-Unis. Cette ferme vise à fournir 100 000 livres (45 400 kg) de produits locaux à la communauté environnante dans un nouveau campus primé pour la ferme en expansion (figure 21.14).

    

   Fig. 21.14 Projet de campus Aquaponics de la vallée du Nil (Kansas City, Kansas, USA) par HOK Architects

   21.6.3 Éducation et formation professionnelle

   L'aquaponie peut être utilisée comme outil éducatif pour promouvoir la pensée systémique et la prise en compte de l'environnement (Junge et al. 2014 ; Specht et al. 2014). Dans les applications urbaines, les systèmes aquaponiques pourraient être utilisés pour sensibiliser les gens aux cycles écologiques, un peu comme les fermes terrestres existantes (Kulak et al., 2013). Le projet Greenhouse de New York se traduit par une nouvelle approche de l'enseignement des sciences dans les écoles publiques. Le projet Greenhouse vise à construire 100 serres sur le toit des écoles publiques en tant que salles de classe de sciences. Ces serres, personnalisées pour leur double mission de croissance et d'apprentissage, comprennent toutes un système aquaponique. Cependant, les systèmes aquaponiques exigent également une plus grande collaboration entre les disciplines académiques existantes afin d'aller de l'avant dans ce nouveau domaine académique multidisciplinaire (Goddek et coll., 2015). La collaboration de spécialistes de l'aquaculture et de l'horticulture, d'ingénieurs, de stratèges commerciaux et de professionnels de l'environnement bâti entre autres est nécessaire pour faire de l'aquaponie un important contributeur au développement urbain durable.

7. 21.7 Conclusions

   Original publication 2019 · Publié pour la première fois sur FarmHub Learn 2020-06-04 · Aquaponics Food Production Systems

   Il existe un éventail de critères qui contribuent à la performance de chaque ferme et leur nombre augmente avec le nombre de disciplines impliquées dans ce domaine interdisciplinaire de l'aquaponie. Il convient de noter une étude antérieure qui a fourni une définition de l'aquaponie et une classification des types d'aquaponiques en fonction de la taille et du système (Palm et al. 2018). De nombreux critères d'analyse du type d'enceinte identifié dans cette étude proviennent du contexte agricole immédiat — climat local, qualité du contexte de l'environnement bâti, pratiques d'approvisionnement en énergie, coûts, marché et cadres réglementaires locaux. Une serre aquaponique dans un contexte rural fonctionne différemment d'une serre dans une ville, tout comme les fermes dans des climats arides ne partagent pas les mêmes exigences que leurs homologues dans des régions plus froides. En général, les serres classées comme étant des systèmes solaires de moyenne technologie et passifs offrent une option d'enceinte moins coûteuse et respectueuse de l'environnement, actuellement utilisée uniquement par les petites installations aquaponiques. Cependant, en raison de leur niveau intentionnellement limité de contrôles techniques de l'environnement, ils ne fonctionnent bien que dans des zones climatiques spécifiques. En comparaison, les serres de haute technologie et de toit peuvent être mises en œuvre n'importe où, bien que dans des conditions climatiques extrêmes, elles génèrent des coûts d'exploitation élevés et une empreinte environnementale plus importante. Des études de cas récentes montrent que les installations de culture en intérieur peuvent être financièrement réalisables, mais en raison de leur dépendance exclusive à l'éclairage électrique, leur utilisation efficace des ressources et leur empreinte environnementale sont préoccupantes. D'autres recherches sont nécessaires pour établir la relation entre certaines fermes aquaponiques et leurs enclos avec les réseaux de ressources existants. Ces travaux peuvent aider à relier l'aquaponie à la recherche sur le métabolisme urbain.

   D'autres critères déterminent la typologie et la performance de la ferme sont internes. Il s'agit notamment des niveaux de contrôle environnemental, de la sélection des cultures et des poissons, du type et de l'échelle du système aquaponique et du type et de l'échelle de l'enceinte. En adoptant une approche intégrée de l'ACV, la relation entre tous les facteurs doit être évaluée tout au long de la durée de vie de la ferme, du berceau à la tombe. L'évaluation du cycle de vie des fermes aquaponiques doit tenir compte à la fois des impacts sur les bâtiments et des impacts sur les systèmes de croissance puisqu'il y a chevauchement dans la phase d'exploitation agricole. Une série de stratégies prometteuses en matière de chauffage, de refroidissement, d'éclairage et de conception des matériaux peut améliorer l'efficacité globale de la ferme tout au long de la durée de vie de la ferme. Au-delà de la comptabilisation de l'impact environnemental, LCA peut devenir un cadre de conception pour les experts en horticulture, les spécialistes de l'aquaculture, les architectes et les investisseurs.

   Il est important de continuer à étudier les fermes aquaponiques commerciales existantes afin de valider les modèles d'ACV, d'identifier les stratégies et de cataloguer les exploitations aquaponiques émergentes à plus grande échelle. La combinaison de la modélisation avec des études de cas sur l'aquaponie en milieu contrôlé a le potentiel de relier l'aquaponie à la plus grande portée de la durabilité urbaine.

   Remerciements Les auteurs de cette étude reconnaissent le soutien financier de la National Science Foundation (NSF) sous l'égide de l'Initiative mondiale sur l'urbanisation durable (SUGI) Food Water Energy Nexus et le soutien de tous les partenaires du projet CITYFOOD pour leur donner des idées et leur inspiration.