La vie en boucles

Découplé ou couplé en aquaponie domestique ?

Un système aquaponique couplé, avec truites en extérieur et légumes produits sous serre, ne permet pas de passer les canicules sans système de refroidissement. Deux solutions permettent de s’affranchir du recours à du refroidissement ponctuel. Soit opter pour un système en extérieur totalement enterré, mais tolérer une moindre production en légumes. Soit concevoir un système en découplé, mais accepter une consommation en eau neuve plus importante.

Le contexte de la réflexion sur un système découplé

Le système aquaponique couplé TA-2400 est en régime de croisière avec une production annuelle de 70 kg de truites et 110 kg de légumes variés. L’utilisation d’une serre dans le système aquaponique couplé permet une production de légumes (de saison) toute l’année, avec un potentiel d’amélioration important.

En contrepartie, cette serre modifie les équilibres thermiques. De façon positive entre octobre et mai (8 mois) en maintenant l’eau entre 15 et 18 °C, la plus grande partie du temps . Ce qui est favorable à la croissance des légumes d’hiver, peu exigeants en lumière. Et de manière négative entre juin et septembre, en maintenant la température de l’eau ente 20 et 22 °C, ce qui ne laisse aucune marge pour passer les périodes caniculaires. D’où le recours à de la géothermie, une centaine d’heures par an, pour maintenir l’eau en deçà de 22 °C. Le coût est faible (2€ par an), l’impact environnemental est nul compte tenu de la réciprocité en hiver. Mais cette solution n’est possible que si l’on dispose d’une source d’eau fraîche!

Les mesures de la température de l’eau en 2021 montrent qu’un système aquaponique (TA_500), totalement enterré et sans serre, se situe 3 à 4 °C en dessous du système avec serre (TA_2400), Et la température du TA_500 n’a pas dépassé les 20 °C en 2021, certes une année avec des canicules modérées. Ce qui offre une marge de manœuvre pour d’éventuelles canicules plus intenses et plus longues. Dès lors, la tentation devient grande de faire évoluer le système TA_2400 vers un système découplé. Mais est-ce une bonne idée? Cet article rend compte des réflexions liées à l’analyse de ce projet.

Le système couplé, en fonctionnement depuis 4 ans.

Le système aquaponique TA_2400 fonctionne depuis 4 ans. Deux bassins de 1200 litres chacun permettent d’élever des truites jusqu’à une densité maximale de 25 kg par m3. Ces bassins produisent 70 kg de truites par an, consommées en frais ou fumées à froid. Un bac de 10 m2, rempli de graviers sur 25 cm de profondeur, produit des légumes variés. Une production de 110 kg par an est facilement atteinte. Un objectif de 150 kg semble tout à fait atteignable, moyennant une occupation de l’espace plus soutenue.

Dispositif initial couplé ayant fait ses preuves
Dispositif initial couplé ayant fait ses preuves

Les modifications mineures sur le système couplé pour évoluer vers un système découplé

Pour obtenir des échanges thermiques qui permettent de ne pas dépasser les 22 °C, même en période de canicule, il est nécessaire de limiter l’échange thermique de l’air vers l’eau au strict minimum. Ce qui nécessite de pouvoir isoler si besoin la boucle piscicole de la boucle maraîchage. Et donc la suppression de la circulation de l’eau des bassins vers la serre.

Les aménagements sont extrêmement simples : un bac tampon, dans la serre, une pompe à eau pour la boucle dans la serre, 6 vannes et un biofiltre dans la boucle piscicole . Pour 150 euros, on obtient un système découplable.

Modifications pour passer d'un système couplé à un système découplable
Modifications pour passer d’un système couplé à un système découplable

Par ailleurs, le recours, d’une part à un bofiltre profond (Débuter en aquaponie naturelle, François Petitet-Gosgnach, 2020, Editions Rustica,chapitre 5), enterré, non cultivé et couvert en permanence, et d’autre part l’utilisation du refroidissement naturel nocturne doit permettre encore de gagner quelques degrés pour pouvoir se passer de système de refroidissement et de biofiltre avec kaldness.

Le nouveau dispositif peut fonctionner en mode couplé.

Les modifications apportées peuvent rester inactives grâce aux différentes vannes. Ainsi, le système peut fonctionner en mode couplé, à l’identique du système originel, avant modifications.

Configuration couplée d'un système aquaponique découplable
Configuration couplée d’un système aquaponique découplable

Le fonctionnement en mode découplé permet d’isoler les boucles piscicole et maraîchère.

Cette configuration en découplé permet d’obtenir deux systèmes indépendants. Le système piscicole recirculé d’une part. Et le système de maraîchage hydroponique d’autre part.

Configuration découplée d'un système aquaponique découplable
Configuration découplée d’un système aquaponique découplable

Chaque système peut être géré de manière complètement indépendante. La boucle piscicole nécessiterait un renouvellement partiel en eau neuve pour éviter une concentration trop importante des nitrates et phosphates dans l’eau des bassins. L’idéal serait d’arroser un jardin potager avec cette eau très riche et de la remplacer par de l’eau neuve. De même la boucle maraîchère, conduite indépendamment de la boucle piscicole, nécessiterait un apport en solution nutritive et une bonne oxygénation.

Mais les deux systèmes peuvent être gérés en association. Chaque jour, un volume d’eau de la boucle piscicole est transféré dans la boucle maraîchère, permettant ainsi aux plantes de bénéficier des nutriments issus des rejets des poissons. Le choix du volume d’eau transféré oscille entre un minimum correspondant à l’évaporation dans le compartiment maraîcher, et un maximum correspondant aux besoins en nutriments des plantes cultivées.

A noter que ces nombreuses options de pilotage d’un système aquaponique découplé créent des débats passionnés autour de la définition de l’aquaponie.

Avantages et inconvénients attendus pour le mode découplé

Des interventions de maintenances ou de soins facilitées

Le mode découplé permet des interventions spécifiques. Soit pour le soin des poissons sans impacter les cultures. Soit pour la protection des cultures ou la modification des paramètres de l’eau sans nuire aux poissons. Ces possibilités s’imposent en aquaponie professionnelle car il serait trop risqué de perdre des marchés par manque de marchandise suite à des problèmes sanitaires non maîtrisés. Ceci est moins crucial en aquaponie domestique.

Une consommation énergétique légèrement supérieure

L a version du TA_2400 en mode couplé, avec refroidissement ponctuel par géothermie, consomme 425 à 450 kW.h. par an. Ce qui représente 6 à 7 kW.h par kg de truite produit. En version découplée, il faut s’attendre à une consommation plus élevée compte tenu qu’il faut une pompe supplémentaire. Avec un fonctionnement en découplé sur 4 mois de l’année, la consommation électrique avoisinera 520 kW.h par an. Ce qui représente une augmentation de 1 kW.h par kg de truite produit.

Un investissement supplémentaire faible au regard du coût global de l’installation

Le surcoût d’investissement pour la version découplée est d’environ 150 € avec l’option biofiltre profond avec graviers. Ou 250 € avec l’option kaldness. Soit 5 à 10% du coût total.

Un besoin en eau neuve plus important

En mode couplé, le besoin en eau neuve est égal aux pertes par évaporation, soit pour TA_2400, environ 9 m3 par an. Ce qui équivaut à 1 mm d’évapotranspiration sur 13 m2 en automne hiver et 3 mm le reste de l’année. Le système est globalement à l’équilibre en ce qui concerne les nitrates. Les 250 à 300 g d’aliment à 42% de protéines, apportés par jour tout au long de l’année, génèrent 50 g de nitrates disponibles dans l’eau (soit + 14 ppm par jour). Dans le même temps les légumes et bactéries consomment à peu près ces 50 g de nitrates. Les analyses confirment cet équilibre. Un eau de départ à 100 ppm de nitrates par litre se retrouve à 300 mg de nitrates par litre un an après. Ce qui fait environ 0.5 ppm d’augmentation par jour.

Pour obtenir cette même stabilité en mode découplé, il va falloir utiliser davantage d’eau neuve. Supposons le mode découplé maintenu toute l’année. En négligeant l’apport de nitrates par l’ajout d’eau neuve, et sans prélèvement vers les bacs de culture, la concentration en nitrates atteindrait 5000 ppm au bout d’un an. L’idéal est donc d’exporter chaque jour 50 g de NO3 soit 170 litres d’une eau à 300 ppm de NO3 (soit 6% de l’eau de la boucle piscicole contre 0.7% en mode couplé).

Ces 170 litres sont bien supérieurs aux 30 litres d’évapotranspiration quotidienne dans les bacs de culture sous serre. Il sera nécessaire de soutirer 140 litres avant d’ajouter les 170 litres provenant du bassin à truites. Le prix à payer pour la gestion séparée des deux boucles piscicole et maraîchère est donc d’environ une cinquantaine de m3 d’eau par an en cas de fonctionnement découplé permanent. Et plus probablement une vingtaine de m3 pour un fonctionnement limité à l’été en découplé.

Une gestion thermique efficace en mode découplé.

Le découplage permet d’augmenter la température de l’eau dans la boucle sous serre. Ce qui est favorable à l’augmentation des températures nocturnes sous serre et dans le substrat. Et par conséquent, de maintenir une température basse dans la boucle piscicole externe. L’écart de température entre les deux compartiments sera voisin de 6-7 °C. C’est cette problématique thermique qui complique la gestion des nitrates en découplé. Sinon il suffirait de fonctionner quelques heures en couplé pour homogénéiser les paramètres chimiques de l’eau et se contenter de compenser l’évaporation.

En complément…

Avantages et inconvénients des systèmes aquaponiques dédiés à la truite. Du système piscicole recirculé jusqu’au système découplé (lecture 2 mn)

8 Comments

  1. Hervé

    Est ce judicieux d’utiliser du gravier dans le biofiltre profond ? vous allez galérer pour le nettoyer. Si vous utilisez un biofiltre profond, vous pouvez remplacer tout ou partie du biofiltre de la serre par un radeau qui limite l’évaporation, le réchauffement de l’eau l’été. Et, soyons fou, pourquoi ne pas utiliser une partie l’eau de la serre dans un système de sabloponie pour reminéraliser l’eau.

    • jcgoudeau

      Graviers et biofiltre : j’utilise du gravier dans le bac de culture depuis bientôt 5 ans. Il n’a jamais été nettoyé et je pense qu’il n’y aura jamais besoin de le nettoyer, puisqu’il est auto nettoyant par construction. Un biofiltre profond, non cultivé et avec la même architecture de construction ne devrait pas non plus avoir besoin d’être nettoyé. Sinon, je suis d’accord: bonjour la galère! Les kaldness, plus chères à l’achat que le gravier n’ont pas cet inconvénient.
      DWC dans la serre : c’est un très bon conseil du point de vue gestion thermique. Mais je souhaite pouvoir cultiver tous types de légumes. Et le suivi de la biodiversité d’un sol de gravier m’intéresse.
      Sabloponie : je ne le ferai pas car c’est plus simple d’irriguer les légumes de la serre en pleine terre et je n’ai pas besoin de cet élément dans le circuit existant. Mais c’est une idée intéressante.

  2. Rephael

    J ai pas tres bien compris le problematique des nitrate evoquee a la fin de l article

    • jcgoudeau

      Le mode découplé fournit deux compartiments d’eau ayant des teneurs en nitrate très différentes au bout de quelques semaines de fonctionnement (+++ en bassin; + en bac). Et également des différences de températures (+++ en bac, + en bassin). Comment transférer les nitrates en excès du bassin des truites vers le bac de culture? Par un transfert régulier d’eau (ce qui est expliqué dans l’article). Ou bien par un mélange des deux masses d’eau en réactivant ponctuellement le mode couplé. Mais cette dernière solution entraîne également un réchauffement de l’eau des bassins, ce qui est inacceptable pour les truites.

  3. Pierre

    Bonjour,
    Dans l’idée de solutions un peu plus technologiques: pourquoi ne pas placer un échangeur thermique à tubes à contre courant entre la serre maraîchère et les bassins piscicole? Il semble possible de réaliser ce genre d’échangeur à ‘relativement’ bas coût en enfilant un tuyau de cuivre ds un tuyau en plastique souple de plus gros diamètre.
    Dans cette configuration l’eau froide sortant des bassins serait réchauffée par l’eau chaude qui vient du bac de culture jusqu’à inversement des températures.
    D’ailleurs la quantité d’eau qui a besoin d’être échangée entre les 2 systèmes étant relativement faible (170L en renouvellement selon vos calculs) il devrait même être possible d’utiliser un échangeur avec des tuyaux de diamètre faible (donc bcp moins cher et moins volumineux), une pompe très faible débit (plus économique en énergie) (genre 1L/minute devrait suffire) et garder le principe d’avoir une masse d’eau dans la serre.
    Finalement on aurait un système ‘découplé’ en température avec un petit échange d’eau continue entre les 2 systèmes et un échangeur thermique afin de limiter le transfert thermique entre les 2 systèmes.

    • jcgoudeau

      Bonjour, les 170 litres à 15° transférés quotidiennement dans le compartiment légumes de 1200 litres à 20° modifieront très peu la température de l’eau des bacs de culture. Je ne pense pas avoir besoin d’un échangeur dans cette configuration. Merci pour l’idée.

      • Pierre

        Je ne suis pas sur de comprendre votre réponse et du coup je pense que je me suis mal exprimé :).

        Dans le cadre de la problématique découplé vs couplé je me demandais si une alternative intermédiaire était possible: « couplé faible ». En gros on a un système avec les caractéristiques découplées (2 réserves d’eau une maraîchère (20-25°) et l’autre piscicole (15°).

        Cependant, pour éviter d’avoir rajouter de l’eau neuve dans les bassins de piscicultures on réinjecte l’eau maraîchère, idéalement en la refroidissant avec un échangeur thermique passif à contre courant.
        L’idée est qu’avec un échangeur de taille infinie il y aurait un inversement parfait des températures: donc la même eau sert à la pisciculture a 15° et à la culture maraîchère a 25° (ou plus, en été..). En pratique il faudrait calculer la longueur de l’échangeur nécessaire suivant la ‘quantité’ de chaleur que pourrait ‘absorber et ré-évacuer’ les bassins enterrés de pisciculture sans trop se réchauffer.

        Peut être que la raison pour laquelle cette idée ne marche pas est la quantité d’eau nécessaire à faire circuler (i.e. pas renouvelée avec de l’eau neuve) afin de suffisamment équilibrer les nitrates (et autres nutriments) entre les 2 systèmes (maraîcher et piscicole) est trop importante?
        Avec une trop grande quantité d’eau il faudrait un échangeur sur dimensionné et donc rend le concept non viable (trop cher).

        Est ce que c’est ce que vous aviez compris? Est ce une idée intéressante a creuser ou y a t il un facteur évident qui la rend irréaliste?
        Merci pour tout le temps que vous passez a documenter vos recherches et expérimentations c’est super intéressant!

        • jcgoudeau

          Effectivement je n’avais pas compris. Ce complément d’information éclaire bien les précédents commentaires. J’ai mis la proposition en image pour être certain de réfléchir sur le bon projet. L’idée est intéressante car elle permet de supprimer la contrainte « augmentation de la consommation en eau neuve » dans la version découplée. Reste à étudier la configuration ad hoc. Je n’ai pas toutes les compétences pour l’analyse technique mais le sujet m’intéresse. On peut y travailler ensemble si vous le souhaitez (par mail accueil@truitesaquaponiques.com). Outre les problèmes de diamètre de tuyaux et de longueur, la quantité d’eau échangée entre les deux systèmes peut être supérieure à 170 litres si besoin.

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