La vie en boucles

Innovation thermique en aquaponie : projet en test

Le système « truites aquaponiques » est un projet réussi, bien équilibré. Où la production de 55 kg de truites et 110 kg de légumes variés sur un an est au rendez-vous chaque année. Et où les périodes de canicules sont bien contrôlées par le refroidissement par géothermie, avec une faible consommation énergétique. Mais la géothermie n’est pas possible en tout lieu. Or une innovation thermique permettrait « en théorie » de gérer les besoins en chaleur et les besoins en froid à peu près partout. Elle mérite donc d’être testée sur un cas concret grandeur nature en 2021. Tour d’horizon des caractéristiques du nouveau projet.

Attention ! Cet article présente un projet qui a vocation à tester une piste pour la maîtrise de la température dans des conditions réelles et extrêmes. Bien qu’étayé par des tests préalables positifs, il reste beaucoup d’incertitudes. Ce qui n’est pas le cas avec le dispositif « truites aquaponiques », fiable et éprouvé.

Une extension au système « truites aquaponiques »

Le système « truites aquaponiques-2400 litres » a été prévu pour élever chaque année un lot de truites de 70-80 g jusqu’au poids moyen de 1.5 kg. Or les tests de reproduction à partir des individus mâtures présents dans les bassins posent le problème de l’élevage des truitelles issues des fécondations, du stade 1 g jusqu’au stade 70 g. Une enceinte grillagée a permis de s’en sortir en 2020, mais avec des nuisances sur le lot du bassin concerné. D’où l’idée de créer une installation adjacente autonome, dédiée à l’incubation et à l’élevage des alevins puis des truitelles : « truites aquaponiques-500 litres ». C’est l’occasion de tester une autre approche du système aquaponique. Et aussi, de comparer le fonctionnement thermique des deux configurations « truites aquaponiques 2400 » et « truites aquaponiques 500 »

Une innovation thermique intégrée au projet

L’innovation thermique consiste à utiliser de manière ciblée la technique du refroidissement radiatif passif. Une installation aquaponique classique est parfaitement isolée pour limiter l’entrée de la chaleur. Mais malheureusement cela fonctionne également dans l’autre sens en limitant aussi les possibilités de refroidissement lorsque l’eau dépasse les 22° C. L’idée est donc de concevoir une installation qui minimise l’entrée de chaleur le jour et maximise les sorties de chaleur la nuit. La preuve du concept a été apportée avec une installation simplifiée, malgré quelques doutes sur l’efficacité en période caniculaire longue. Une observation sur un dispositif de taille normale est nécessaire pour trancher.

Système aquaponique thermo-régulé passivement

Le système « truites aquaponiques 500  » orientée vers la simplicité et l’efficacité

Le nouveau système occupe une surface de 9 m2. Il est en contact avec le sol, et pour partie enterré, pour bénéficier au maximum de l’inertie géothermique. Un bassin de 500 litres accueille au maximum 10 kg de truites. Les faibles différences de niveaux d’eau, inférieures à 20 cm au total, limitent les consommations en énergie. Pas de pompe à eau, mais une seule pompe à air avec airlifts. Le bac de culture est à niveau constant, rempli de 25 cm de graviers sur 2 m2 de surface cultivable. La zone de refroidissement ou de réchauffement, isolée du sol, s’étale sur 1.7 m2.

Plan du projet aquaponique avec innovation thermique
Plan du projet aquaponique avec innovation thermique

Le bassin

Le point de départ pour la définition technique du projet est la taille du bassin. Il faut un bassin de 500 litres pour un élevage aisé des truitelles jusqu’au stade 70 g. Aussi, pour simplifier la réalisation, le bassin n’est pas réalisé avec parpaings et bâche. C’est donc une cuve du commerce de 510 litres, destinée à servir de réserve d’eau, fabriquée en polyéthylène haute densité (qualité alimentaire) qui fera parfaitement l’affaire. Sa profondeur de 80 cm est adaptée au fonctionnement d’un airlift élévateur. Cette cuve sera enterrée à 100%. Toutefois son galbe et sa rigidité s’opposent à l’écrasement par le sol.

Le bac de cultures

Le bac de culture est fabriqué avec des parpaings de 20 cm + 5 cm de bordure en bois, isolés sur le côté avec 4 cm de styrodur. Une bâche assure l’étanchéité. Puis des graviers 6-13 mm remplissent le bac sur une profondeur de 25 cm. Des cultures variées, fraisiers, choux, salades, betteraves, radis, tomates, concombres, poireau, … occupent le bac. 3 cm de graviers hors d’eau limitent l’évaporation de l’eau et la consommation d’eau neuve.

Les filtres (mécaniques et biofiltre)

Deux filtres mécaniques sont installés sous l’arrivée d’eau, directement dans le bac. Ainsi, le débordement des filtres en cas de colmatage ne se traduit pas par une perte d’eau. Un premier récipient 0.6 m x 0.4 m x 0.3 m accueille un filtre à filets. Il se déverse dans une auge à usages variés, laquelle s’écoule dans un filtre à graviers fins 0.6 m x 0.4 m x 0.3 m, conçu pour être nettoyé en 30 secondes. Pour le biofiltre, les bactéries nitrosomonas et nitrobacter se développent dans le gravier du bac de culture. Ce qui représente environ 500 litres de biofiltre.

Les air-lifts

Le premier air-lift est un air-lift pour remonter l’eau sur une hauteur de 20 cm. Il est fabriqué à partir d’un tuyau de 35 mm de diamètre intérieur et d’1 m de longueur avec injection directe de l’air en bas du tuyau. Le second air-lift brasse l’eau pour remonter l’eau du fond en surface, agiter l’eau en surface et créer un courant pour les truitelles. Sa bouche de sortie affleure la surface de l’eau. Une barre de bois maintient les airlifts à la verticale.

Quant à la pompe à air, c’est une pompe à une sortie, 16 watts, 0.3 mpa de pression, avec un débit maximal de 1800 litres d’air par heure. Son débit réel, à 78 cm de profondeur est de 1028 litres d’air, répartis entre les deux airlifts. Et côté performance, le débit mesuré sur l’air-lift de remontée d’eau est de 750 litres d’eau par heure (1.5 bassin par heure ou encore,1 fois l’eau totale du système par heure).

La circulation de l’eau et la gestion des niveaux

Le schéma ci dessous représente les différents niveaux permettant la circulation de l’eau.

Innovation thermique en aquaponie : schéma des niveaux des différents éléments
Schéma des niveaux des différents éléments aquaponiques autour de l’innovation thermique
Relevé des niveaux par élément du projet
Relevé des niveaux par élément du projet

La couverture des filtres et du bassin

Le filtres sont recouverts par un coffre de styrodur de 4 cm dont la face externe est recouverte d’un film réfléchissant. Idem pour le bassin tout en ménageant une fenêtre verticale. Cette fenêtre procure la lumière nécessaire aux poissons tout en conservant une espace clos au dessus du bassin, limitant les échanges de chaleur avec l’air.

La couverture de l’espace de culture

La couverture de l’espace culture est intéressante pour bénéficier d’un effet serre en hiver ou d’une protection contre l’humidité pour limiter les maladies. La possibilité de supprimer cette couverture en été est par ailleurs intéressante pour limiter le réchauffement de l’eau. Ce sera donc une couverture légère modulable.

Une innovation thermique pour gérer la température de l’eau

Pour modifier la température de l’eau du système, il suffit de détourner la circulation de l’eau vers la surface radiative. Telle une circulation « extra corporelle ».

Une zone pour réguler la température

La zone de régulation de la température est une surface horizontale avec un plancher de polyuréthane de 4 cm d’épaisseur. Des tasseaux son collés et délimitent le sens de circulation de la lame d’eau de 7 mm d’épaisseur moyenne. Une bâche noire assure l’étanchéité et conduit l’eau vers le déversoir qui se jette dans le filtre à filets.

L'innovation thermique couplée ou découplée avec l'installation aquaponique
L’innovation thermique couplée ou découplée avec l’installation aquaponique

Refroidir

Le dispositif en fonctionnement nocturne, permet de refroidir l’eau. Dans un premier temps, le refroidissement s’opère par convection si la température de l’air est inférieure à celle de l’eau. Ce qui est pratiquement toujours le cas en été. Sauf en période de canicule où les deux températures sont sensiblement égales. A cela s’ajoute le refroidissement radiatif tant que le ciel reste clair. Les deux effets produisent un refroidissement de 0 à 3° par nuit, selon le contexte. Ce qui peut compenser une augmentation de température de même ampleur au cours de la journée.

C’est ce bilan thermique qu’il convient de tester avec précision en période caniculaire. Ainsi un fonctionnement de 22 h à 7 H du matin, par une nuit estivale dégagée et fraîche abaissera la température de 2° +/-1°. Mais quel sera le résultat lors de période caniculaire prolongée avec des nuits chaudes et parfois couvertes? Le sol sera t-il suffisamment froid pour limiter la hausse de température de l’eau? Réponse en septembre 2021!

Réchauffer

Par ailleurs, en période de gel, il est possible de faire circuler l’eau de jour. Ainsi l’eau se réchauffe en passant sur le plaque noire exposée au soleil. La plaque radiative de couleur noire, se transforme en « radiateur solaire ». C’est ainsi que le fonctionnement de 11 h à 15 h, par une journée ensoleillée, permet de gagner 1 à 2 ° par jour. Mais que se passe t-il avec un un froid intense en l’absence de soleil ? Quel sera l’impact du pouvoir tampon du sol? … Difficile de faire un pronostic sans tests réels ce prochain hiver.

Comparer le fonctionnement thermique des deux systèmes

Le fonctionnement thermique d’un système aquaponique est difficile à prévoir, tant le nombre de paramètres en jeu est important. Seules les mesures en conditions réelles permettent de le caractériser. Nous allons donc comparer la dynamique de la température de l’eau dans les bassins aquaponiques tout au long de l’année 2021 pour deux systèmes :
– le système « truites aquaponiques 2400 » avec deux bassins enterrés en extérieur, de 1200 litres chacun, 10 m2 de cultures sous serre, 3600 litres d’eau au total et une régulation optionnelle de la température par géothermie.
– le système « truites aquaponiques 500 » avec un bassin de 500 litres enterré en extérieur, un bac de 2 m2 de culture à niveau constant couvert partiellement en hiver seulement, la possibilité de compenser la température à la hausse ou à la baisse grâce à un espace radiatif passif.

En vis à vis, les deux systèmes de production de truites et légumes en aquaponie
En vis à vis, les deux systèmes de production de truites et légumes en aquaponie

Un design axé développement durable

La conception du nouveau projet a pris en compte plusieurs aspects du développement durable : un coût modéré pour un retour sur investissement acceptable; une production alimentaire de qualité, locale; une consommation énergétique la plus faible possible.

Une consommation énergétique de moins de 10 kW par kg de truites produit

Une seule pompe à air de 16 watts permet de faire circuler l’eau avec un airlift élévateur. Et aussi d’améliorer l’oxygénation de l’eau au sein du bassin avec un airlift de brassage. Ainsi le choix de supprimer la pompe classique réduit les consommations énergétiques. 16 W en permanence correspond à 140 kWh à l’année. Or le système est capable de produire 15 kg de truites net par an. Soit 9 kWh par kg de truite produit. Bien en deçà des 20 à 30 kWh observés parfois.

Un système productif en truites et en légumes

Pour la reproduction, le dispositif permet d’élever au maximum 150 truitelles, du stade oeuf au stade 70 g de moyenne. Soit un chargement maximal de 20 kg par m3 d’eau. et une production de 10 kg de truitelles.
Hors reproduction, l’introduction de 40 truites de 70 g donne un chargement de 20 kg par m3 au stade truites portions. Des prélèvements réguliers permettent de maintenir la biomasse en dessous de 20 kg jusqu’à obtenir 10 truites d’1 kg. Cette gestion de lot fournira plus de 15 kg de truites par an.

La surface en légumes de 2 m2 produira facilement 10 kg de légumes par m2. Soit une vingtaine de kg par an selon les légumes et fruits retenus. Mais les légumes à racines profondes (pommes de terre, carottes ) seront inenvisageables.

Un coût limité

Ce nouveau système bâti autour d’une innovation thermique, coûte bien moins que le système « truites aquaponiques », rapporté au m2 aquaponique et m3 de bassin : pas de serre, moins de béton, moins de bois, moins de pompe. Le prix de revient total est voisin de 350 € tout compris (Bassin 85€, parpaings 35€, ciment sable 10 €, graviers 20 €, isolant 20€, zone froid 40 €, bâche 20 €, tuyaux divers 10 €; pompe à air 49 €. abri pliable 40 €, couverture bassins et filtre 30€).

8 Comments

  1. jean paul chabbert

    Très pédagogique va aider assurément les débutants en aquaponie!!!! (pour un modèle compact)
    Question, comment sont évacué les boues dans le fond du bac à poisson ……
    Encore merci de votre attachement à partager !!!!!!!!!!!!!!!!!!!

    • jcgoudeau

      Bonjour,
      En fait je recherche des échanges autour du thème de l’aquaponie pour conserver une activité de production et de créativité tout en étant à la retraite. Les mails, commentaires et rencontres suffisent à mon bonheur!
      Pour l’évacuation des déjections: comme dans le système TA-2400 litres! La canne d’évacuation est remplacée ici par l’airlift élévateur qui aspire l’eau à 1 cm du fond. Les truites par leurs mouvements déplacent les déjections, lesquelles sont aspirées par l’airlift et déversées dans le filtre à filet.

  2. Arnaud

    Bonjour Jean-Claude,

    Encore un article de grande qualité.
    Je m’intéresse depuis peu à l’aquaponie et le travail que vous réaliser avec ce blog et vraiment très intéressant.
    On voit que vous recherchez le meilleur compromis entre un système robuste, productif, qualitatif et économique !
    Je suis très impressionné par ce que vous avez réalisé.
    Je ne sais pas si vous faites visiter vos serres et bassins mais ça serait un vrai plaisir de pouvoir les voir un jour (quand on pourra sortir de chez nous ! ^^)

    En attendant j’aimerai me lancer dans l’aquaponie et pourquoi pas mettre en place un système « truites aquaponiques 500 » !

    En tout cas continuer vos publications, j’adore !

    Bonne continuation !

    Arnaud

    • jcgoudeau

      Merci Arnaud pour ce retour. Je vous accueillerai avec plaisir pour une visite de l’installation, à votre convenance. Bon projet!

  3. Olivier

    Bonjour,

    intéressant, mais qu’en est il de l’évaporation sur ce genre de systèmes? Il me semble qu’une grande partie de la baisse de température va se faire par évaporation sur la bâche la nuit, ce qui veut dire que ça risque de demander un énorme apport d’eau tout l’été comparé à un système classique, non?
    Quel est l’impact sur la température de ces ajouts d’eau? (ça dépend de sa température de stockage du coup)

    • jcgoudeau

      Bonjour,
      Là, je ne sais pas! il faut attendre un an de plus pour avoir des résultats complets. A ce stade je ne peux que formuler des prévisions.
      – La baisse de température la nuit est essentiellement due à la convection avec l’air plus froid et à la radiation vers le ciel très froid. L’évaporation la nuit sera faible compte tenu de l’absence d’apport de chaleur par le soleil et d’une humidité de l’air en général plus élevée la nuit.
      – Les pertes d’eau totales seront donc la somme de l’évaporation de jour, de la transpiration des plantes, et de l’évaporation de nuit lorsque le système sera en fonctionnement. Je ne pense pas mettre en évidence un accroissement mesurable de ces pertes d’eau sur une année. Le système TA-2400 consomme environ 9 m3 d’eau neuve par an, avec les 10 m2 de cultures sous serre, non exposées aux pluies. Le système TA-500 devrait se situer entre 1.5 m3 et 2 m3 par an. Ce n’est qu’au delà de 2 m3/an que l’on pourra dire qu’il y a accroissement des pertes d’eau par évaporation sur le système de refroidissement.
      – Les éventuelles légères pertes supplémentaires seront compensées par les apports de pluies supplémentaires liées à ce « bassin versant » adjacent (1.5 m3 d’eau supplémentaire sur une année dont une bonne partie sera perdue par débordement.)
      – les apports d’eau neuve à hauteur de 10 litres par jour en été seront sans effet mesurable sur la température du système. Mathématiquement, 10 litres à 15° ajoutés à 750 litres à 22° donnera au final 760 litres à 21.9°, ce qui se situe dans la marge d’erreur de mon thermomètre.

  4. Blauwblomme

    Bonjour Jean-Claude,
    Encore merci pour ce nouvel article, clair et précis.
    De plus, vous abordez l’aspect financier entre l’investissement de départ et l’attente de production – sujet rarement abordé, même au salon de l’aquaponie à Louverné – où votre article aurait mérité une présentation.
    Vivement l’automne 2021 (sans covid 19) pour les premiers résultats …
    Je pense m’inspirer de votre étude pour élever de jeunes perches.

    Bien à vous,

    Jean-Luc B

    • jcgoudeau

      Bonjour Jean-Luc, Merci pour le retour. Moi aussi je suis impatient de voir ce que cela donne mais il ne faut pas brûler les étapes. Pour l’instant je compare les températures des deux systèmes sans solliciter les outils de régulation de la température. Et les premiers résultats sont bons : deux courbes bien parallèles, avec un degré de moins sur le nouveau système, ce qui est normal.

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