CO2 en serre : enrichissement, niveaux à viser, sources et passage à la pompe à chaleur

Le CO2 en serre est la matière première de la photosynthèse. Une serre fermée et lumineuse en consomme plus qu'il n'en entre, et sa teneur descend sous les 430 ppm de l'air extérieur. L'enrichissement vise le plus souvent 800 à 1 000 ppm en journée. Passer d'une chaudière gaz à une pompe à chaleur supprime le CO2 gratuit des fumées : c'est un coût à prévoir dans l'étude.

Cette page explique pourquoi et jusqu'où enrichir, chiffre ce que l'aération fait perdre, compare les sources de CO2 et détaille les conséquences d'une conversion à la pompe à chaleur. Elle complète le guide des stratégies de régulation climatique.

Pourquoi le CO2 manque dans une serre fermée

En journée, la culture absorbe le CO2 de l'air pour fabriquer ses sucres. Dans une serre aérée, l'air extérieur renouvelle ce CO2 en permanence. Mais l'hiver et par temps frais, les ouvrants restent fermés pour garder la chaleur, et la teneur en CO2 baisse rapidement dès que la lumière est suffisante.

La photosynthèse ralentit alors, faute de matière première, même si la lumière et la température sont bonnes. L'enrichissement compense ce manque. Il est d'autant plus utile que la serre est étanche, que la culture est développée et que la période est lumineuse avec peu d'aération. À l'inverse, en plein été, avec des ouvrants largement ouverts, l'air extérieur suffit à renouveler le CO2, et l'enrichissement n'a presque plus d'effet. Les gains se concentrent donc sur l'automne, l'hiver et le printemps, quand la serre reste fermée une bonne partie de la journée.

Quels niveaux de CO2 viser ?

L'air extérieur contient aujourd'hui environ 430 ppm de CO2 : le Met Office britannique prévoit une moyenne annuelle d'environ 429 ppm à Mauna Loa pour 2026. Le tableau résume les niveaux de référence en serre.

Le bulletin de Debra Schwane, de l'université du Minnesota, reste une référence de vulgarisation. Il situe le bénéfice maximal entre 1 000 et 1 500 ppm, avec des rendements décroissants au-delà pour la plupart des cultures. En pratique, le niveau visé dépend surtout de ce que l'aération laisse partir.

Les limites propres à chaque culture

Chaque culture a sa limite. Le même bulletin indique que la tomate continue de profiter du CO2 jusqu'à environ 2 200 ppm, alors que des nécroses apparaissent sur les feuilles de concombre à l'approche de 1 500 ppm. Certaines variétés de gerbera et de chrysanthème montrent des chloroses dès 1 200 ppm. Ces seuils rappellent qu'enrichir davantage n'est pas toujours mieux.

Enrichissement et aération : le calcul des pertes

Tout le CO2 injecté au-delà de la teneur extérieure part avec l'air renouvelé. Le bulletin du Minnesota rapporte des essais européens : au-delà d'environ 5 % d'ouverture des ouvrants, la teneur reste proche de celle de l'air extérieur. En dessous, un enrichissement jusqu'à 1 000 ppm reste possible.

Pour une serre d'un hectare de 5 m de hauteur moyenne, soit 50 000 m³, porter la teneur de 430 à 800 ppm demande environ 34 kg de CO2. Le tableau donne la perte horaire pour maintenir 800 ppm selon le renouvellement d'air.

Le calcul montre pourquoi l'enrichissement se concentre sur les périodes où la serre est fermée. Avec des ouvrants grands ouverts, maintenir 800 ppm reviendrait à enrichir l'atmosphère. La régulation réduit donc la consigne de CO2 quand l'aération s'ouvre, jusqu'à viser simplement la teneur extérieure.

Les sources de CO2

Quatre sources se rencontrent en serre. Le tableau compare leur principe, leurs atouts et leurs limites.

La récupération des fumées de chaudière gaz s'est généralisée dans les serres chauffées. La chaudière fonctionne en journée pour produire du CO2, et la chaleur produite à ce moment est stockée dans un ballon tampon pour la nuit. La qualité de combustion doit être irréprochable, car les polluants d'une mauvaise combustion, comme l'éthylène ou les oxydes d'azote, nuisent aux plantes.

Passer à la pompe à chaleur : la question du CO2

Une pompe à chaleur ne brûle rien : elle ne produit ni fumées ni CO2. Une serre qui enrichissait avec les fumées de sa chaudière perd donc sa source de CO2 au moment de la conversion. C'est l'un des points les plus souvent oubliés dans les projets d'électrification.

Trois solutions existent. Acheter du CO2 liquide, avec une citerne et une distribution, ce qui ajoute un coût d'exploitation à chiffrer. Garder un générateur de CO2 dédié, dont la chaleur sera stockée. Ou réduire l'enrichissement et accepter un léger manque de croissance l'hiver. Le choix se fait sur le prix du CO2 livré et sur la valeur de la production.

Le projet de fiche CEE AGRI-TH-108 révisée, qui vise une ou plusieurs PAC air/eau d'au moins 300 kW chacune, exige une électrification du chauffage avec un secours limité. Garder un générateur à combustion pour le CO2 doit donc être examiné au regard des critères de la fiche lors du montage du dossier. Ces critères sont présentés sur la page fiche AGRI-TH-108, et les choix d'architecture sur la page électrification totale ou hybridation.

Chiffrer le CO2 liquide

Le besoin annuel en CO2 liquide se calcule à partir des heures d'enrichissement, de la consigne visée et du renouvellement d'air de la serre pendant ces heures. Le calcul de perte présenté plus haut en donne la base : chaque heure d'enrichissement coûte la masse perdue par l'aération, plus la part consommée par la culture. Le prix du CO2 livré, la location de la citerne et le contrat de livraison complètent le chiffrage.

Exemple : 1 ha enrichi à 800 ppm, avec 1 volume renouvelé par heure pendant 1 500 heures par an, perd environ 34 kg/h × 1 500 h, soit environ 51 t de CO2 par l'aération. La consommation de la culture s'y ajoute. Multipliée par le prix à la tonne du devis fournisseur, cette masse donne le poste annuel.

Ce coût se compare au gain de production attendu, qui dépend de la culture et de la saison. Il se compare aussi à l'économie apportée par la pompe à chaleur sur le chauffage. Le plus souvent, le poste CO2 ne remet pas en cause la conversion, mais il doit figurer dans le bilan pour éviter une mauvaise surprise la première année.

Piloter l'enrichissement

L'ordinateur climatique module la consigne de CO2 selon la lumière et l'aération. Il enrichit quand le rayonnement permet une photosynthèse active et que les ouvrants sont fermés ou peu ouverts. Il réduit la consigne dès que l'aération s'ouvre, et coupe l'injection la nuit, quand la culture ne consomme pas de CO2.

Le signal du pyranomètre sert à moduler la consigne : peu de lumière, peu d'intérêt à enrichir. Avec une source payante comme le CO2 liquide, cette modulation fine fait directement baisser la facture.

Mesurer le CO2

Les capteurs de CO2 utilisés en serre fonctionnent par absorption infrarouge. Ils dérivent avec le temps, surtout dans une atmosphère chargée de produits de traitement. Un capteur qui surestime la teneur fait arrêter l'enrichissement trop tôt ; un capteur qui la sous-estime gaspille du CO2.

Le capteur se place au niveau de la culture, dans le caisson de mesure ventilé, à l'écart des points d'injection. Une vérification régulière avec un appareil de référence, ou par comparaison avec l'air extérieur quand la serre est grande ouverte, permet de détecter la dérive. Les règles sont détaillées dans le guide de l'instrumentation de serre.

Sécurité du personnel

Le CO2 est sans odeur et plus lourd que l'air. La valeur limite d'exposition professionnelle française est de 5 000 ppm sur 8 heures, bien au-dessus des niveaux d'enrichissement habituels. Le risque vient surtout des fuites de CO2 liquide dans un local fermé et des points bas où le gaz peut s'accumuler.

Des détecteurs avec alarme dans les locaux techniques, une coupure automatique de l'injection et une consigne plafond dans la régulation limitent ce risque. Avec des fumées de combustion, la surveillance porte aussi sur le monoxyde de carbone, produit par une combustion incomplète.

Questions fréquentes sur le CO2 en serre

Quel taux de CO2 dans une serre ?

L'air extérieur contient environ 430 ppm de CO2. L'enrichissement courant vise 800 à 1 000 ppm en journée. Un bulletin de l'université du Minnesota situe le bénéfice maximal entre 1 000 et 1 500 ppm, avec des rendements décroissants au-delà pour la plupart des cultures.

Pourquoi enrichir une serre en CO2 ?

Parce qu'une serre fermée et lumineuse voit son CO2 descendre sous celui de l'air extérieur : la culture le consomme plus vite qu'il n'entre. L'enrichissement compense cette baisse et accélère la photosynthèse, surtout l'hiver, quand les ouvrants restent fermés.

Comment faire du CO2 dans une serre chauffée par pompe à chaleur ?

Une pompe à chaleur ne produit pas de fumées, donc pas de CO2. Il faut alors acheter du CO2 liquide, récupérer le CO2 d'une autre source ou garder un générateur dédié. Ce coût doit être intégré dans l'étude de conversion, et la compatibilité avec la fiche CEE vérifiée.

Le CO2 est-il dangereux pour le personnel ?

À forte concentration, oui. La valeur limite d'exposition professionnelle française est de 5 000 ppm sur 8 heures, bien au-dessus des niveaux d'enrichissement. Une distribution mal réglée ou une fuite de CO2 liquide dans un local fermé peut toutefois dépasser ce seuil : des capteurs et des alarmes s'imposent.

Intégrer le CO2 à votre projet

Le CO2 en serre se gère avec le chauffage et l'aération, surtout au moment d'une conversion à la pompe à chaleur. Praxis Énergie Serres chiffre vos besoins en CO2, compare les sources possibles et intègre ce poste au bilan économique du projet, dans le cadre d'une étude de dimensionnement.

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