Serres : valoriser le CO2 des fumées des appareils à gaz naturel pour économiser

Au Québec, le chauffage des serres représente jusqu’à 30 % des coûts d’exploitation des producteurs horticoles et maraîchers. Pour demeurer concurrentiels, ces derniers doivent réduire cette proportion en implantant de nouvelles solutions telles que des équipements plus efficaces, des écrans thermiques et des stratégies de contrôle de la température la nuit. Ces mesures sont des stratégies intéressantes pour réduire leur facture énergétique. Dans une optique de rentabilité accrue, les producteurs en serres doivent jumeler économies d’énergie et augmentation de la productivité. L’éclairage artificiel et l’enrichissement de l’air de la serre en CO₂, en prolongeant les périodes de photosynthèse, permettent d’accélérer la croissance des plants.
Deux façons d’enrichir en CO₂ l’air des serres
L’enrichissement en CO₂ des serres peut se faire selon deux approches :

L’injection de CO₂, acheté et livré sous forme liquide;
La production locale de CO₂ à partir de la combustion du gaz naturel.

Deux approches, quatre technologies différentes disponibles
Réservoir de stockage de CO₂ liquide
Le concept d’injection de CO₂ liquide dans les serres se fait à partir d’un réservoir de stockage de CO₂ liquide auquel est intégré un système de dépressurisation pour vaporiser le CO₂.
Il est important de souligner qu’une faible variation de pression peut avoir un impact sur la distribution du CO₂ dans la serre.
Générateur de CO₂ au gaz naturel

Le générateur de CO₂ est un brûleur au gaz naturel qui évacue directement ses produits de combustion (CO₂ + H₂O vapeur) dans la serre. Chaque mètre cube de gaz naturel produit 1,9 kg de CO₂/m³ de gaz naturel brûlé.
Le Code CSA B149.1¹ permet l’utilisation de ce type d’équipement à condition que la capacité installée n’excède pas 20 Btu/h*pi³ du volume de la serre.
Malgré le fait que la chaleur soit récupérée dans la serre, il n’est pas recommandé d’utiliser cet équipement dans le but de chauffer. En effet, les demandes de chauffage les plus importantes ont lieu la nuit, durant laquelle l’apport de CO₂ n’est pas requis. Au contraire, injecter du CO₂ en période nocturne pourrait être néfaste pour les plants.
Récupération des gaz d’échappement d’une unité décentralisée de combustion au gaz naturel à condensation

Ce concept de récupération des gaz d’échappement est possible grâce à une exemption au Code d’installation du gaz naturel et du propane CSA B149.1. L’article 8.9.1 exige que tout appareil soit raccordé à une cheminée ou à un conduit d’évacuation, sauf quelques exceptions, comme l’alinéa

d) un appareil installé pour la production de dioxyde de carbone dans une serre où le taux de combustion ne dépasse pas 3 BTU/h/pi³ (30 W/m³) du volume de la serre, et où la concentration de dioxyde de carbone dans l’atmosphère ne dépasse pas 5 000 ppm (0,5 %); et

Ce concept récupère le CO₂ contenu dans les produits de combustion d’un appareil de chauffage décentralisé au gaz naturel (par exemple, un aérotherme) et l’injecte au besoin dans la serre. Lorsque du CO₂ est requis, une valve de déviation envoie les gaz d’échappement dans la serre. Afin de conserver le même taux d’humidité dans la serre lors d’injection de CO₂, il est conseillé d’appliquer ce concept à partir d’un appareil dont l’efficacité permet la condensation, vu la déshumidification des gaz d’échappement. À noter que Gaz Métro offre une aide financière pour l’installation d’aérothermes à condensation.
Récupération des gaz d’échappement d’une unité centralisée de combustion au gaz naturel
Les chaudières de grande capacité évacuent des produits de combustion trop chauds pour les injecter directement dans la serre. Un récupérateur à condensation est alors requis pour abaisser la température des produits de combustion tout en condensant la vapeur d’eau issue de la combustion. Un surplus d’énergie thermique peut être généré; toutefois, si c’est le cas, il peut être stocké dans une réserve d’eau tampon bien isolée pour être ensuite injecté dans les serres lorsque le besoin de chauffage sera requis.
L’eau est générée à un taux de 1,5 kg/m³ de gaz naturel brûlé, et elle peut être récupérée pour satisfaire les besoins d’irrigation. Il faudra alors la neutraliser ou la diluer pour obtenir le PH requis. Le taux d’injection du CO₂ dans la serre dépend du type de cultures. Puisque le CO₂ aura tendance à acidifier l’eau des produits de combustion, le récupérateur doit être conçu en fonction d’un PH légèrement acide.
Par ailleurs, pour distribuer l’énergie thermique dans les serres, les réseaux de tuyauterie d’eau chaude sont les plus efficaces pour uniformiser la température. La tuyauterie d’eau chaude sert aussi de rails pour les chariots entre les rangs des plants et assure leur transpiration tout en créant un mouvement d’air autour d’eux. Un deuxième réseau d’eau chaude, amovible et installé au-dessus des plants, peut être utile pour en chauffer le dessus et en contrôler la croissance verticale. Enfin, un troisième réseau à haute température installé dans le haut des serres fournira, au besoin, de la chaleur pour éviter l’accumulation et faire fondre la neige.

Quelle solution choisir ?

Technologie	Avantages	Inconvénients
Injection de CO₂ liquide	Ne génère pas d’humidité Simplicité d’utilisation Peu d’entretien Facile à diriger vers les feuilles S’adapte bien à l’horaire de production	Coût de l’approvisionnement Location du compresseur Livraisons Perte d’espace réservé au réservoir
Générateur de CO₂	Simplicité d’installation Ne requière pas de réservoir de stockage ni de gestion de livraisons Récupération de chaleur possible Ne prend pas beaucoup d’espace S’adapte bien à l’horaire de production	Gestion du niveau d’oxygène dans la serre afin d’éviter de tomber en carence à la suite de la prise d’air intérieure Entretien périodique afin d’assurer une combustion parfaite du gaz naturel Pas de distribution uniforme du CO₂ dans la serre Gestion du taux de l’humidité contenue dans les fumées Surplus de chaleur dans les serres Besoins en CO₂ différents de ceux en chauffage
Récupération du CO₂ des fumées (décentralisée – aérotherme)	Installation simple et peu coûteuse, car elle utilise les appareils à combustion existants et des produits de plomberie standard Ne nécesstre pas de réservoir de stockage ni de gestion de livraisons Récupère la chaleur de l’appareil Aucune perte d’espace à l’intérieur ou à l’extérieur de l’enceinte Appareil à condensation : haute efficacité	Entretien périodique pour assurer une combustion parfaite du gaz naturel par l’unité de combustion Utilisation d’une sonde de CO₂ pour s’assurer que sa concentration ne dépasse pas 5 000 ppm
Récupération du CO₂ des fumées (centralisée – chaudière)	Un réservoir permet de récupérer la chaleur au moment opportun Puisque le condensat acide doit être neutralisé avant d’être rejeté, aussi bien s’en servir pour irriguer Procédé très performant et sans impact sur les gaz à effet de serre	Nécessite de l’espace pour les équipements Système dispendieux Utilisation de nombreuses tuyauteries

Un projet pilote visant à injecter du CO₂ à partir des fumées d’aérothermes à condensation et à modifier les consignes de température d’une serre horticole d’un client de Gaz Métro a permis de démontrer la rentabilité et le potentiel d’économie de cette stratégie. À ce titre, ce client a reçu une aide financière de 35 000 $ dans le cadre du programme « Innovations » de Gaz Métro.
Au final, avec des appareils de chauffage à gaz naturel, tout mètre cube consommé produit 1.9 kg de CO₂ que le client peut réutiliser pour augmenter la croissance de ses plants et réduire significativement ses coûts de production, en cessant de laisser partir en fumée ses économies et en récupérant les gaz à effet de serre pour une bonne cause.

Sami Maksoud, ing., M.Ing., MBA, CMVP®
Conseiller, Efficacité énergétique, DATECH, Gaz MétroCharles Côté, ing.
Conseiller, Technologies, codes et normes, DATECH, Gaz MétroGuy Desrosiers, ing., CEM, CMVP®
Conseiller pour les grandes entreprises, Efficacité énergétique, DATECH, Gaz Métro
1 Code d’installation du gaz naturel et du propane.