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L'agriculture intégrée dans le bâtiment (BIA) utilise principalement des techniques de culture sans sol telles que l'hydroponie, l'aquaponie ou l'aéroponique. Les avantages de la BIA comprennent une production toute l'année, des rendements plus élevés, un meilleur contrôle de la salubrité des aliments et de la biosécurité, et une réduction substantielle des intrants en ce qui concerne l'approvisionnement en eau, les pesticides, les herbicides et les engrais, ainsi qu'une amélioration de l'efficacité énergétique des bâtiments grâce à la création de relations symbiotiques entre la ferme et son bâtiment d'accueil. Les systèmes BIA peuvent être appliqués soit sur l'enveloppe du bâtiment — sur le toit ou les façades, pour profiter de la lumière naturelle — soit à l'intérieur avec de la lumière artificielle, soit dans un bâtiment autonome (Figure 2), et tous les paramètres de croissance sont contrôlés. Cette agriculture est connue sous le nom d'agriculture à environnement contrôlé, ou CEA, qui combine les compétences en horticulture et en ingénierie afin d'optimiser la production, la qualité des cultures et l'efficacité de la production.

Serres sur le toit

Parmi les diverses formes existantes de BIA, l'agriculture en serre sur les toits est l'une des plus populaires, puisque les toits représentent une zone urbaine inutilisée considérable et que les serres hydroponiques légères ne nécessitent pas de renforcement structurel significatif du bâtiment hôte (Benis & Ferrão 2018). Le toit est un paysage idéal pour cultiver des plantes dans les villes denses, car il est généralement plus exposé à l'énergie solaire que le sol en dessous. Bien que les rendements des serres hydroponiques soient plus élevés que ceux des fermes sur le toit en plein air, la gamme de légumes qui peuvent être cultivés est plus petite et tend à se limiter aux légumes verts feuillus, aux microverts, aux herbes, aux tomates, aux concombres, aux aubergines, aux poivrons et aux fraises (Buehler & Junge, 2016). Les serres hydroponiques sont souvent équipées de systèmes de climatisation, tels que ventilateurs, radiateurs, refroidissement par évaporation, écrans thermiques et fenêtres utilisables, afin de conditionner l'air intérieur et d'atteindre la température optimale, l'humidité relative et les niveaux de dioxyde de carbone, quelles que soient les conditions extérieures. Ils sont chauffés au gaz naturel ou à l'électricité, avec un potentiel de secours grâce à des panneaux photovoltaïques (PV). Les installations ultramodernes captent la chaleur résiduelle du système CVC du bâtiment et peuvent être construites avec du verre solaire, qui recueille des longueurs d'onde spécifiques de la lumière solaire pour produire de l'électricité, tout en transmettant et en diffusant d'autres longueurs d'onde dans la serre (figure 3).

Plusieurs entreprises nord-américaines ont déjà prouvé que des quantités importantes de nourriture peuvent être produites toute l'année pour les citadins sur des toits inutilisés dans des environnements urbains denses où les terres disponibles et abordables sont rares. Lufa Farms a construit la première serre commerciale sur le toit au monde sur un bâtiment industriel à Montréal, au Canada, en 2011. La serre de 2880 m2 est utilisée pour cultiver une variété de légumes différents. Depuis, ils en ont construit deux autres, l'une conçue pour maximiser la production de tomates (3995 m2) et l'autre conçue pour la culture de feuilles vertes (5853 m2). Chacune de leurs serres, qui abritent des systèmes hydroponiques NFT, a été conçue pour être non seulement plus grandes, mais plus légères, moins coûteuses et plus efficaces. Aux États-Unis Gotham Greens exploite 16 000 mètres carrés de serres urbaines sur le toit dans 4 installations situées à New York et à Chicago, en utilisant également des installations hydroponiques NFT. Leur serre phare, construite à New York en 2011, a été la première serre à l'échelle commerciale construite aux États-Unis. L'installation de 1394 m2 produit plus de 45 000 kg de légumes verts feuillus par année. Conçu et construit avec la durabilité à l'avant-garde, les exigences électriques de l'installation sont compensées par 60 kW de panneaux solaires photovoltaïques sur place, et les caractéristiques de conception à haut rendement, notamment l'éclairage LED, le vitrage avancé, la ventilation passive et les rideaux thermiques, contribuent à réduire la demande en électricité et en chauffage. L'intégration sur le toit réduit davantage la consommation d'énergie tout en servant à isoler le bâtiment en dessous. La deuxième serre de Gotham Green, construite en 2013, est la première serre commerciale à être construite sur un supermarché. Mesurant plus de 1858 m2, il produit plus de 90 000 kg de feuilles vertes, d'herbes et de tomates chaque année. Leur troisième et plus grande serre de New York s'étend sur 5574 m2 et cultive plus de 5 millions de têtes de légumes verts feuillus chaque année. La serre de Chicago, qui, à plus de 6968 m2 , représente la plus grande et la plus productive ferme sur le toit au monde, pousse jusqu'à 10 millions de têtes de légumes verts et d'herbes.

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Figure 3 : L'échange potentiel de flux d'eau, d'énergie et de gaz entre la serre sur le toit et le bâtiment hôte (après Céron-Palma et al. 2012)

La ville de New York abrite trois autres serres hydroponiques sur les toits. Sky Vegetables cultive des herbes et des légumes verts, tandis que The Vinaigre Factory cultive des tomates, des fraises, des herbes et des légumes verts. Une serre sur le toit a récemment été construite sur Arbor House, un bloc de logements abordables à New York. Située dans un quartier où se trouvent un nombre disproportionné de personnes à faible revenu présentant des taux élevés d'obésité, de diabète et de maladies cardiaques, la ferme hydroponique de 929 m2 fonctionnera comme une entente d'agriculture soutenue par la collectivité (ASC), dans le cadre de laquelle les résidents peuvent acheter les produits par l'entremise d'un régime d'abonnement à la boîte de légumes. Environ 40 % des produits seront mis à la disposition de la communauté locale grâce à des activités de sensibilisation dans les écoles, les hôpitaux et les marchés voisins. Edenworks est une serre aquaponique située sur le toit, également dans la ville de New York, qui cultive des microgreens.

En Europe, la start-up suisse UrbanFarmers hébergeait sa ferme aquaponique commerciale pilote, UF001 LokDepot, dans une serre sur le toit à Bâle. L'espace de culture de 260 m2 avait une capacité de production annuelle de 5000 kg de légumes, tandis que le système aquacole avait une capacité de 800 kg de poisson.

La start-up berlinoise ECF Farmsystems a construit deux serres aquaponiques sur le toit. Eco Jäger, qui a ouvert ses portes à Bad Ragaz, Suisse, en 2016, cultive de la laitue, des herbes et des truites pour les restaurants, les hôtels et les entreprises de restauration. BIGH a ouvert ses portes à Bruxelles en 2018 et produit de la laitue, des herbes et du bar rayé hybride pour les restaurants, le marché de détail alimentaire et les ventes directes à la ferme. La première serre urbaine sur le toit en France ouvrira ses portes en 2019. Toit Tout Vert est situé dans un quartier résidentiel de Paris, et les produits issus de l'espace de culture de 1400 m2 seront vendus dans des commerces locaux.

Serres autoportantes

Les terrains urbains vacants offrent également des possibilités pour les serres autoportantes. Metropolitan Farms est situé sur un ancien parking à Chicago. La serre aquaponique produit de la laitue, du basilic et du tilapia qui sont vendus sur les marchés agricoles, les coopératives alimentaires locales et les épiceries spécialisées. En Europe, ECF Farmsystems exploite une serre aquaponique au cœur de Berlin. ECF Farm Berlin, qui a ouvert ses portes en 2015, a une empreinte de 1800 m2 et est utilisé pour cultiver le basilic et la perche destinés au marché de détail alimentaire.

Fermes verticales et usines

Le concept de « culture verticale » a été introduit en 2010 par Dickson Despommier dans son livre « The Vertical Farm : Feeding the World in the21e Siècle ». Les exploitations verticales peuvent être situées dans une serre ou à l'intérieur d'un bâtiment, et utiliser différentes technologies pour cultiver des plantes sur un plan vertical afin de maximiser le rendement par rapport à la surface de l'unité de production (voir Chapitre 14 pour plus de détails sur ces technologies de systèmes de croissance verticale). En théorie, des fermes verticales peuvent également être placées sur la façade d'un bâtiment sous la forme d'une serre verticalement intégrée (VIG), constituée de façades à double peau combinées à des systèmes hydroponiques. Cependant, bien que les VIG aient été développés en tant que concept et brevetés, aucune n'a encore été construite. Les fermes verticales pourraient également prendre la forme de gratte-ciel spécialement construits (parfois appelés « skyfarms »). Encore une fois, de telles visions utopiques n'ont pas encore abouti. Cela est dû, en grande partie, au fait que de tels projets ne sont pas économiquement réalisables.

Basé à Stockholm Plantagon a breveté un certain nombre de modèles pour skyfarms. La construction du World Food Building (figure 4), une tour de bureaux de 60 mètres de haut qui sert de ferme verticale, a débuté en 2012 dans la ville suédoise de Linköping et devrait être achevée en 2020. Le bâtiment de 40 millions de dollars visait à démontrer l'approche de l'entreprise à l'égard de l'architecture urbaine, qu'elle appelle « agritechture » — un mot portmanteau combinant les termes agriculture, technologie et architecture. Le côté nord du bâtiment contiendrait 17 étages d'espaces de bureaux, tandis qu'une façade en verre incliné couvrirait le côté sud pour permettre au maximum de soleil de passer dans les zones agricoles. Une usine d'incinération des déchets et de biogaz à proximité fournirait au bâtiment le chauffage et le combustible nécessaire à la production alimentaire, tandis que les déchets provenant de la serre seraient ensuite envoyés à l'usine de biogaz pour le compostage, créant ainsi un mouvement circulaire d'énergie. Cependant, l'entreprise a fait faillite en 2019, ce qui soulève des questions sur la question de savoir si la construction du World Food Building sera jamais achevée.

Les Skyfarms sont les plus susceptibles de se matérialiser d'abord dans les mégapoles asiatiques telles que Singapour et Shanghai. Petite île de seulement 750 km2 et d'une population de plus de cinq millions d'habitants, Singapour est confrontée à des problèmes potentiels de sécurité alimentaire. Avec des terres à prime, seulement 0,9 % de l'île est consacrée à l'agriculture, ce qui ne produit que 7 % de la nourriture qu'elle consomme. Les besoins restants sont couverts par les importations de denrées alimentaires du monde entier. Toutefois, les coûts de transport des denrées alimentaires deviennent de plus en plus prohibitifs et, pour ces raisons, Singapour prend l'agriculture verticale au sérieux. La première ferme de la ville, Sky Greens, a commencé sa production en 2012, et le nombre de fermes verticales est passé de six en 2016 à 26 en 2018 (Wei 2018).

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Figure 4 : Rendu du World Food Building à Linköping, Suède www.plantagon.com

Shanghai est une autre ville idéale pour l'agriculture verticale. Avec près de 24 millions d'habitants à nourrir et une baisse de la disponibilité et de la qualité des terres agricoles, les prix élevés des terres rendent la construction plus viable économiquement que la construction à l'extérieur. Les urbanistes Sasaki Associates ont élaboré un plan directeur pour le district agricole urbain de Sunqiao. Situé entre le principal aéroport international et le centre-ville, le quartier de 100 hectares comprendra 66 611 m2 de logements, 12 820 m2 de locaux commerciaux, 69 956 m2 de fermes verticales et 79 525 m2 de l'espace public. Tout en répondant principalement à la demande agricole croissante dans la région, la vision de Sasaki va plus loin, utilisant l'agriculture urbaine comme un laboratoire vivant dynamique pour l'innovation, l'interaction et l'éducation, et déploie une gamme de techniques agricoles adaptées aux villes, telles que les algues, les serres flottantes, les verticales les bibliothèques de semences et les fermes verticales hydroponiques et aquaponiques qui seront utilisées pour répondre à la demande de légumes verts feuillus dans le régime typique des Shanghainais (figures 5 et 6). L'ampleur du programme approuvé par Sasaki indique la valeur accrue accordée au secteur agricole chinois. La Chine est le plus grand consommateur et exportateur de produits agricoles au monde, l'industrie fournissant 22 % de l'emploi du pays et 13 % de son produit intérieur brut. Le gouvernement chinois tient donc à préserver, à moderniser et à mettre en valeur une industrie qui a contribué à réduire considérablement les taux de pauvreté. La construction du quartier a commencé en 2018 et devrait être achevée en 2038.

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Figure 5 : Rendu du district agricole urbain de Sunqiao à Shanghai < http://www.sasaki.com/project/417/sunqiao-urban-agricultural-district/ >

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Figure 6 : Rendu du district agricole urbain de Sunqiao à Shanghai < http://www.sasaki.com/project/417/sunqiao-urban-agricultural-district/ >

Bien que les skyfarms demeurent une vision pour l'avenir, les usines commerciales sont opérationnelles dans des zones rurales et urbaines en Amérique du Nord, en Europe, en Asie de l'Est et au Moyen-Orient. Les usines végétales sont un type de système de production de plantes fermées dans lequel la ventilation est maintenue au minimum, et la lumière artificielle est utilisée comme seule source de lumière pour la croissance des plantes. L'environnement peut être contrôlé aussi précisément que vous le souhaitez, quelle que soit la météo. En plus de la solution nutritive recirculante dans un système hydroponique, l'eau transportée par les plantes peut être condensée et recueillie dans le panneau de refroidissement des climatiseurs, puis recyclée pour l'irrigation. Généralement, les usines sont composées de 6 composants principaux : une structure opaque isolée thermiquement et presque étanche à l'air ; entre 4 et 20 niveaux de lits de culture hydroponique empilés verticalement équipés de lampes fluorescentes ou LED ; des climatiseurs (pompes à chaleur) utilisés pour le refroidissement et déshumidification pour éliminer la chaleur générée par les lampes et la vapeur d'eau transpirée par les plantes, ainsi que les ventilateurs pour la circulation de l'air afin d'améliorer la photosynthèse et la transpiration, et pour obtenir une distribution spatiale uniforme de l'air ; une unité d'alimentation en CO2 pour maintenir la concentration de CO2 à environ 1000 mmol/L pendant la photopériode pour améliorer la photosynthèse ; une unité d'alimentation en solution nutritive avec pompes à eau ; et une unité de contrôle de l'environnement comprenant des régulateurs de conductivité électrique (EC) et de pH pour la solution nutritive. Alors que les lampes fluorescentes ont été principalement utilisées en raison de leur taille compacte, les LED sont de plus en plus utilisées en raison de leur faible température de surface de la lampe, de leur grande efficacité d'utilisation de la lumière et de leur large spectre lumineux. Les usines les plus récentes utilisent des technologies robotiques avancées, y compris la télédétection, le traitement d'images, les mains de robots intelligents, le cloud computing, l'analyse de Big Data et la modélisation 3D (Kozai 2013).

Les plantes cultivées dans les usines végétales doivent être plus courtes que 30 cm de hauteur, car la distance entre les niveaux verticaux est généralement d'environ 40 cm, ce qui est la hauteur optimale pour maximiser l'utilisation de l'espace. Les plantes convenant à la production commerciale utilisant des usines végétales sont celles qui poussent bien à une intensité lumineuse relativement faible, prospèrent à une densité de plantation élevée, à croissance rapide (récoltable 10 à 30 jours après la transplantation) et pour lesquelles la plupart des parties (85 % en poids frais) sont comestibles et vendables à un prix élevé. Au Japon et dans d'autres pays asiatiques, des usines végétales sont donc utilisées pour la production commerciale de feuilles vertes, d'herbes, de plantes médicinales et de greffes. Les petites usines de plantes avec une superficie de seulement 15-100 m² sont également largement utilisées pour la production commerciale de semis au Japon, car les semis peuvent être produits en peu de temps à une densité de plantation élevée. Des semis greffés et non greffés de tomate, de concombre, d'aubergine, de semis d'épinards et de laitue pour la culture hydroponique, ainsi que des semis et des boutures de plantes ornementales de grande valeur sont tous produits commercialement dans ces petites usines (Kozai 2013 ; Kozai et al. 2016.

En Amérique du Nord Plenty, Planted, Oasis Biotech, FreshBox Farms et We the Roots exploitent des usines urbaines dans d'anciens entrepôts, tandis que AeroFarms se trouve dans une ancienne aciérie. Fresh Impact Farms se trouve à l'intérieur d'un centre commercial de banlieue, et Farm.One se trouve au sous-sol d'un restaurant. En Europe, PlantLab à 's-Hertogenbosch, Pays-Bas, est une usine de 20 000 m2 et une installation de R&D dans une usine et un entrepôt vacants. La ferme utilise une technologie LED avancée qui étalonne la composition et l'intensité de la lumière en fonction de besoins précis, et utilise un système automatisé qui surveille et contrôle plus de 80 variables différentes, y compris l'humidité, le CO2, l'intensité lumineuse, la couleur de la lumière, la vitesse de l'air, l'irrigation, la valeur nutritive et température de l'air, afin d'améliorer le rendement et la qualité des plantes. GrowX à Amsterdam cultive des microverts, des herbes et de la laitue dans un entrepôt qui sont récoltés à la commande pour les restaurants d'élite. À Londres GrowUp Urban Farms exploitait une ferme aquaponique commerciale dans un entrepôt, et Growing Underground cultive des microgreens dans un abri de raid aérien de la Seconde Guerre mondiale à 33 mètres sous le niveau de la rue. La Caverne est une ferme souterraine dans un parking parisien qui cultive des champignons, des endives et des microgreens.

Les fermes verticales peuvent également être exploitées dans des serres, afin de profiter de la lumière naturelle ; l'environnement n'est donc que semi-contrôlé. Par exemple, Vertical Harvest aux États-Unis et Sky Verts à Singapour. Ouvert en 2019, Tour Maraichère dans la banlieue parisienne de Romainville est une serre construite spécialement pour deux unités, dont la plus haute mesure 24 mètres (Figure 7). Les 2060 m2 d'espace de culture produiront 12 tonnes par an de fruits, de légumes, de champignons et de fleurs comestibles, et la serre servira à mettre en valeur une chaîne de production alimentaire courte, à fournir aux résidents locaux des aliments frais ayant une faible empreinte écologique, à réduire l'utilisation du transport routier, et pour générer des emplois.

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Figure 7 : Rendu de la Tour Maraichèchère, Paris < http://ilimelgo.com/fr/projets/tour-maraichere.html >

Fermes de conteneurs

Une autre tendance émergente dans le domaine de l'agriculture urbaine est celle des exploitations à conteneurs, qui utilisent également des technologies agricoles verticales. Équipées d'une technologie de contrôle climatique de pointe et de tours de culture hydroponique ou de canaux superposés NFT, les fermes à conteneurs permettent la production toute l'année et peuvent être installées sur des terrains vacants ou sur des toits. Les avantages des conteneurs d'expédition comprennent leur compacité et leur modularité, leur grande disponibilité et, si vous utilisez des conteneurs réaffectés, leur faible coût. Puisqu'ils sont modulaires, ils peuvent être facilement empilés, de sorte qu'il est théoriquement possible de créer une ferme à très haute densité et à haut rendement, bien que cette opportunité n'ait pas encore été retenue. Le système CropBox est un conteneur d'expédition réutilisé qui a une empreinte de 30 m2 et qui utilise un réseau de canaux horizontaux de TVN ; il peut cultiver 5445 kg de laitue, 3175 kg de fraises ou 84 tonnes de microverts par an. Le système Tiger Corner Farms utilise également un conteneur d'expédition réutilisé, mais se différencie en utilisant la technologie aéroponique verticale pour cultiver entre 3800 et 7600 cultures par cycle de croissance. Freight Farms utilisait à l'origine des conteneurs réaffectés (Leafy Green Machine), mais vend maintenant des conteneurs spécialement conçus (Greenery) avec une meilleure isolation et un système de contrôle climatique plus efficace. Les deux systèmes utilisent des tours verticales et peuvent accueillir jusqu'à 4500 plantes matures. The Leafy Green Machine a été adopté par un certain nombre de fermes urbaines en Amérique du Nord pour cultiver des légumes verts et des herbes à feuilles, y compris Square Roots, Corner Stalk Farm, Acre in a Box, Very Local Greens, Verts brillants et Cultures éclairées. Une troisième entreprise américaine, GreenTech Agro, vend le Growtainer, un conteneur construit sur mesure qui se décline en quatre tailles — 6, 12, 13,7 et 16 mètres — et utilise une pile en aluminium légère exclusive de lits de culture. L'un de ces systèmes a été installé au marché central de Dallas où il est utilisé pour cultiver des légumes verts et des herbes feuillus qui sont ensuite vendus dans le supermarché. Les conteneurs sont fabriqués aux États-Unis et à Rotterdam.

En Europe Agricool utilise des conteneurs d'expédition pour cultiver des fraises à Paris. IKEA, le plus grand détaillant de meubles au monde, a commencé à cultiver de la laitue dans des contenants à l'extérieur de ses magasins en Suède, qui sont ensuite servis dans les restaurants en magasin (Thomasson 2019), et Le supermarché suédois ICA Maxi a commencé à vendre des légumes verts à feuilles et des herbes cultivées dans des conteneurs à l'extérieur de son magasin à Halmstad (Jachec 2019 ). La start-up belge Urban Crop Solutions a développé deux systèmes de ferme à conteneurs : FarmFlex et FarmPro. FarmFlex est une ferme de conteneurs qui nécessite un travail manuel, tandis que FarmPro est entièrement robotisé et ressemble davantage à une usine d'usine à l'intérieur d'un conteneur d'expédition.

UrbanFarmers a développé un système de ferme aquaponique urbain composé d'un conteneur avec une serre sur le dessus, appelé la UF Box. Ce système a été imité par la start-up britannique GrowUp Urban Farms : la GrowUp Box peut produire 435 kg de légumes verts et 150 kg de poisson chaque année. Gembloux Agro-Bio Tech de l'Université de Liège en Belgique a testé un système similaire, la PAFF Box (Plant and Poisson Farming Box) (Delaide et al. 2017). Au Canada, Ripple Farms produit du tilapia, des légumes verts et des microverts à l'aide d'un conteneur d'expédition et d'un système de serre sur le toit à Toronto.

*Copyright © Partenaires du projet Aqu @teach. Aqu @teach est un partenariat stratégique Erasmus+ dans l'enseignement supérieur (2017-2020) dirigé par l'Université de Greenwich, en collaboration avec l'Université des sciences appliquées de Zurich (Suisse), l'Université technique de Madrid (Espagne), l'Université de Ljubljana et le Centre biotechnique Naklo (Slovénie) . *

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