Un banc d'essai pour comparer quatre matériels d'éclairage photosynthétique

Un gain de rayonnement variable en fonction des matériels d'éclairage

Le Daily Light Integral (DLI) est la quantité de rayonnement photosynthétique actif (PAR) reçue chaque jour en fonction de l'intensité lumineuse (lumière instantanée : µmoles/m2/s) et de la durée (jour). En moyenne, le besoin en rayonnement du fraisier est de 10 à 12 µmol/m2/s (Kubota, 2019). Dans cet essai, en 2024, le DLI moyen du témoin sur la période d'éclairage est de 8,7 µmol/m2/s, soit 6 % supérieur au DLI de 2023 sur la même période. Quel que soit le dispositif d'éclairage, le gain des modalités éclairées est plus faible en 2024, une année à rayonnement naturel extérieur fort, qu'en 2023, une année à rayonnement naturel extérieur plus faible (Figure 1). Cela met en évidence un intérêt variable de l'éclairage selon le rayonnement naturel extérieur.

Par ailleurs, la figure 1 met en avant une variabilité de gain de DLI en fonction des matériels d'éclairage. Durant les deux années d'essai, le matériel Valoya, piloté de la même manière que le matériel Philips Green Power, a dispensé le meilleur gain de DLI (+86 % de DLI en 2023 et +65 % de gain de DLI en 2024) (Figure 2).

Le matériel VGD Leds fournit un éclairage photopériodique en plus de l'éclairage photosynthétique. Il est le seul à avoir mis en évidence un gain de DLI entre 2023 et 2024 (+4 %). Cela est en lien avec la mise en place, en 2024, du pilotage de l'éclairage avec le spectroradiomètre. Le matériel Colasse est celui qui a mis en évidence le plus gros différentiel de gain de DLI entre les deux saisons de production. Ce matériel est le seul qui n'a pas de pilotage en fonction du rayonnement. Son pilotage est empirique en fonction d'un objectif de DLI à atteindre, compris entre 5 µmol/m2/s et 18 µmol/m2/s selon le stade de production.

Une consommation électrique optimisée avec le pilotage de l'éclairage

Lors de la mise en place de l'essai en 2017 avec le matériel Philips Green Power, l'éclairage était allumé en continu sur une photopériode de 12 h, de la plantation à la fin du mois de mars. Cela entraînait un coût de fonctionnement à hauteur de 3,5 €/m2, rarement rentable à l'issue du cycle de production. À partir de 2021, un pilotage de l'éclairage en fonction du rayonnement photosynthétique extérieur (PAR) est mis en place afin de réduire les coûts de fonctionnement du dispositif. Sur la période d'éclairage, par rapport au témoin (Figure 3), ce dispositif de pilotage a réduit les coûts de fonctionnement du dispositif, d'en moyenne 55 % tout en maintenant un gain moyen de DLI de 30 % qui s'élevait en moyenne à 39 % avant la mise en place du pilotage. Cette perte de rayonnement, liée au pilotage, n'a pas impacté négativement la production des modalités éclairées par rapport aux observations des années précédentes.

L'intérêt du pilotage de l'éclairage est également confirmé pour le matériel VGD LEDs. En 2024, un spectroradiomètre est installé pour piloter le dispositif. Il a réduit la consommation de 61 % sans diminuer le DLI entre les deux années d'essai, permettant ainsi de passer d'une consommation de 10,2 kWh/m2 pour 1 µmol/m2/s à 3,29 kWh/m2 pour 1 µmol/m2/s.

Un impact fluctuant sur la physiologie de la plante

Impact sur la surface foliaire

Au cours des huit années d'essais, six variétés de fraise sont évaluées : Dream (Planasa), Gariguette (INRAE), Ciflorette (CIREF/Invenio), Magnum (Marionnet Label), Charlotte (CIREF/Invenio) et Cléry (CIV).

Les mesures réalisées sur l'impact de l'éclairage sur la surface foliaire ont mis en évidence une augmentation de cette surface dans les modalités éclairées. Cette augmentation est variable en fonction de la variété et du matériel d'éclairage. Deux groupes variétaux sont identifiés à l'issue de cette expérimentation. Ils se différencient par une valorisation différente du complément d'éclairage : le premier groupe se caractérise par des variétés qui valorisent le supplément de lumière en produisant de la surface foliaire supplémentaire avec une augmentation du nombre moyen de feuilles et de la surface unitaire des folioles. En moyenne l'augmentation est de 65 % par rapport au témoin non éclairé et le rendement à mi-récolte est 20 % supérieur au témoin non éclairé. C'est le cas de Gariguette et de Dream. Le second groupe est caractérisé par une augmentation plus limitée de la surface foliaire dans les modalités éclairées, mais par un plus fort gain de rendement par rapport au témoin non éclairé. C'est le cas de Cléry et Ciflorette, qui ont, en moyenne, augmenté la surface foliaire de 38 % et le rendement de 48 % à mi-récolte du premier jet.

Cette observation met en évidence une différence variétale forte et montre que l'ajout d'un éclairage photosynthétique LEDs doit être mené en parallèle d'une réflexion sur le choix variétal.

Une production de stolons parfois plus forte

Depuis la mise en place du banc d'essai éclairage photosynthétique, les plantes cultivées dans les modalités éclairées semblaient avoir tendance à produire plus de stolons que les témoins. Les mesures réalisées en 2024 n'ont pas mis en évidence de différences significatives pour le nombre de stolons de la variété Charlotte. En ce qui concerne Cléry, des différences significatives sur la production en stolons sont visibles dès le début de récolte (Figure 4). Le 13 février, il y a deux à trois fois plus de stolons sur les plants avec l'éclairage Valoya que dans les témoins. À la fin du premier jet, le 26 mars, il y a significativement plus de stolons avec l'éclairage Colasse que dans le témoin nord et que dans les trois autres types d'éclairage. Enfin, au cours de la remontée, la production de stolons est significativement plus forte avec l'éclairage Colasse et le témoin sud que pour toutes les autres modalités. Il y a six fois plus de stolons avec l'éclairage Colasse que dans le témoin nord. Il y a également 2,7 à 3 fois plus de stolons avec les éclairages Valoya et VGD LEDs comparé au témoin nord.

Un allongement des hampes avec l'éclairage

En 2023, les hampes florales sont mesurées à mi-récolte du premier jet (Figure 5). Pour la variété Cléry, la longueur augmente significativement par rapport aux témoins pour certaines modalités. Dans la modalité VGD LEDs, la longueur des hampes est presque multipliée par un facteur 2, passant de 20 cm à 39 cm. Cela est principalement dû à l'usage de l'éclairage photopériodique en complément de l'éclairage photosynthétique, éclairage réalisé pour cette modalité lors du premier mois après la plantation, par flash de 15 minutes toutes les heures de 21 h à 3 h du matin. La longueur des hampes des plants sous éclairages Valoya et Philips Green Power ont également mis en évidence une augmentation significative par rapport à leur témoin respectif. Les fraisiers sous éclairage Colasse n'ont pas montré une augmentation significative de la longueur des hampes, mais le gain est tout de même de 21 % par rapport au témoin non éclairé.

Une optimisation du potentiel de production du rendement précoce avec l'éclairage photosynthétique

Depuis la mise en place de l'essai en 2017, l'éclairage photosynthétique a permis un gain moyen de 42 % du rendement précoce lors du premier mois de production par rapport à la modalité non éclairée. Ce gain varie en fonction des variétés. Il est en moyenne de 20 % pour Ciflorette, 62 % pour Cléry et 39 % pour Charlotte. Pour cette dernière variété, le recul n'est que d'un an. Au niveau économique, le rendement précoce, produit entre février et fin mars, est celui qui est le plus intéressant car sur cette période de production, les prix de vente sont en moyenne 25 % plus élevés que pour le reste de la saison.

Un gain de rendement précoce variable selon le dispositif d'éclairage

Contre toute attente, ce n'est pas la modalité qui apporte le meilleur gain de DLI qui entraîne le plus gros gain de rendement précoce. En effet, l'éclairage Valoya a permis une augmentation moyenne de 35 % du rendement précoce par rapport au témoin non éclairé pour un gain moyen de DLI de 75 % sur les deux saisons de production (Figure 6). L'éclairage Colasse a présenté une augmentation de 60 % de rendement commercial précoce par rapport au témoin non éclairé, le plus gros gain observé, soit en moyenne 45 % de DLI supplémentaire. Enfin, le dispositif VGD Leds a permis une augmentation moyenne du rendement commercial de 25 % pour un gain de DLI de 13 % et le dispositif Philips Green Power une augmentation moyenne du rendement commercial 30,5 % pour un gain de DLI de 34 %.

Une modification de la dynamique de production

Au cours des essais d'évaluation de l'intérêt d'un éclairage photosynthétique complémentaire, une modification de la dynamique de production, variable selon les modalités d'éclairage, est observée. L'exemple de la figure 7 avec la variété Cléry montre une plus forte proportion de production sur le premier jet par rapport à la remontée dans les modalités éclairées. Dans le témoin non éclairé, 57 % de la production est réalisée sur le premier jet, pour 68 % en moyenne dans les modalités éclairées. Pour rappel, le protocole d'éclairage a fonctionné de la plantation jusqu'aux environs de la mi-récolte du premier jet (Figure 8).

Des résultats étroitement liés au choix variétal

En moyenne, 17 % de rendement supplémentaire sur le premier jet

Mis à part la variété Charlotte pour laquelle le recul n'est que d'un an, sous éclairage photosynthétique, toutes les variétés ont un gain de rendement sur le premier jet par rapport au témoin non éclairé qui varie selon les variétés (Figure 9). Malgré des rendements faibles ( 250 g/plant), la variété Magnum, évaluée en 2017 et en 2021, montre un gain de rendement sur le premier jet de 36 % sous éclairage photosynthétique. Pour la variété Cléry, l'éclairage photosynthétique, évalué durant six ans, a permis un gain de rendement commercial sur le premier jet de 25 % par rapport au témoin non éclairé. En ce qui concerne les variétés Dream avec 4 ans d'évaluation, Gariguette avec 5 ans d'évaluation et Ciflorette avec 7 ans d'évaluation, sous éclairage photosynthétique, les gains de rendements commerciaux sur le premier jet de production sont compris entre 12 % et 18 % par rapport au témoin non éclairé.

Une réduction moyenne de 7 % du rendement de la remontée

Sur la remontée, les tendances observées sur le premier jet s'inversent. En effet, à l'exception de la variété Magnum, toutes les autres variétés ayant été éclairées au cours du premier jet mettent en évidence une perte de rendement par rapport au témoin non éclairé. Cette perte de rendement est variable en fonction des variétés. Gariguette est la plus impactée avec une réduction de 22 % du rendement commercial par rapport au témoin. Une perte moyenne de 9 % est observée pour Dream, Magnum, Ciflorette, Charlotte et Cléry.

Un gain de rendement total de 5 % en moyenne

En additionnant le premier jet et la remontée, le gain moyen de rendement toutes variétés confondues est de 5 % . Magnum est la variété qui a la mieux valorisé le supplément d'éclairage photosynthétique, avec, sur deux ans d'essais, 25 % de rendement commercial en plus par rapport au témoin non éclairé. Pour Cléry, l'augmentation des rendements commerciaux est de 8 %. Enfin, les variétés Gariguette, Dream, Ciflorette et Charlotte n'ont pas mis en évidence de gain de rendement commercial supérieur à la moyenne globale des six variétés évaluées.

Pas d'impact sur les paramètres physico-chimiques de la qualité

Tout au long des essais, des mesures de taux de sucre et d'acidité titrable sont réalisées afin d'évaluer si la qualité des fruits est impactée par l'éclairage photosynthétique. Sur la période d'étude, le taux de sucre de la modalité éclairée est de 8,0 contre 7,9 pour la modalité témoin (Figure 10). L'acidité titrable moyenne de la modalité éclairée et du témoin est de 13,6.

Globalement, les résultats observés depuis 2017 montrent que, quelle que soit la variété, rares sont les dates où des différences significatives de taux de sucre et d'acidité titrable sont observées. Sur environ un quart des dates de mesure, lorsqu'une différence significative est décelée, cela indique une augmentation du taux de sucre et une diminution de l'acidité titrable pour la modalité éclairée.

Une rentabilité brute précaire dans le contexte de production du sud de la France

Au-delà de l'impact sur la production, il est indispensable d'évaluer l'impact des différents dispositifs d'éclairage sur la rentabilité brute de l'itinéraire technique. Pour cela, trois paramètres économiques sont pris en considération : le coût d'investissement du dispositif, amortissable sur sept ans, le coût de fonctionnement du dispositif et les recettes liées à la commercialisation des volumes produits. Ce dernier paramètre est fluctuant selon la variété et la période de production.

Le coût d'investissement d'un dispositif d'éclairage varie avec le matériel sélectionné (Figure 11). Il est indispensable de noter que, dans les cas des données présentées dans cet article, le coût d'investissement des matériels d'éclairage Valoya et Philips Green Power ne tiennent pas compte des économies d'échelle qui pourraient être réalisées en cas d'installation sur toute une exploitation. Dans l'essai, ces investissements ont été réalisés pour une densité de cinq gouttières pour une chapelle de huit mètres au lieu de sept à huit gouttières par chapelle habituellement. À la différence des matériels de Colasse et VGD LEDs, ces matériels nécessitent une rampe d'éclairage par gouttière. Ainsi, plus la densité de gouttière est importante, plus le coût d'investissement augmente. Les deux dispositifs les moins coûteux sont VDG LEDs (hors spectroradiomètre utile pour le pilotage de l'éclairage) et Colasse, qui est tout de même 10 % plus cher. Les éclairages Philips Green Power et Valoya sont en moyenne plus de deux fois plus cher que les deux modèles précédents.

En ce qui concerne les coûts de fonctionnement, ils varient en fonction de plusieurs paramètres : la période d'éclairage, l'utilisation d'un système de pilotage, le rayonnement extérieur et le coût de la consommation électrique (€/Mwh). Au cours des trois dernières années, le coût de l'électricité a augmenté d'environ 40 % dans plusieurs pays européens, impactant fortement les exploitations agricoles comme les productions de fraises précoces qui utilisent généralement des systèmes de chauffage. Par exemple, en France, le prix moyen de l'électricité est passé de 0,14 €/kWh en 2020 à 0,21 €/kWh en 2023, avec des périodes où le montant du kWh était même à 0,25 €/kWh selon les données de la Commission de Régulation de l'Énergie.

Le pilotage de l'éclairage permet d'apporter un rayonnement supplémentaire uniquement lorsque la plante en a besoin, par exemple lorsque le rayonnement extérieur n'est pas suffisant lors d'une journée nuageuse, et/ou lorsque la photopériode naturelle n'est pas assez importante pour atteindre un quota de lumière fixé. Le rayonnement extérieur est un facteur qui impacte directement la consommation. En effet, si la saison est faiblement ensoleillée, l'éclairage sera plus utilisé que si la saison est lumineuse, influant alors négativement les coûts de fonctionnement. Par exemple, les essais réalisés en 2024 ont mis en évidence qu'une augmentation de 5 % du rayonnement extérieur et l'ajout d'un spectroradiomètre pour piloter l'éclairage réduisent les coûts de fonctionnement du dispositif VGD LEDs de 61 % comparé à 2023. Par ailleurs, la mise en place, à partir de 2021, de règles de décision pour le pilotage de l'éclairage de la modalité Philips Green Power a mis en évidence une réduction de la consommation de l'ordre de 36 % à 50 % en fonction des années par rapport à un éclairage en continu sur une photopériode de 12 heures.

Pour les différents matériels, le coût de fonctionnement de l'éclairage varie entre 2,9 €/m2 pour Philips Green Power et 15,2 €/m2 pour Colasse (Figure 12). Cette forte différence du coût de fonctionnement du matériel Colasse est principalement due à l'absence de pilotage en fonction du rayonnement.

La moitié des recettes obtenue les 40 premiers jours de production

La dynamique des recettes est différente dans les modalités éclairées que dans les témoins. Sous éclairage photosynthétique, l'augmentation des recettes est exponentielle le premier mois de récolte, puisque la production précoce est plus importante au moment où les prix de vente sont les plus hauts. Par exemple, dans la modalité Colasse, 55 % des recettes de la saison de production sont obtenues au 31 mars, contre 30 % dans le témoin (Figure 13). À la fin du cycle de production, seules les modalités Philips Green Power et Colasse ont des recettes supérieures au témoin, avec un gain de 0,46 ct/m2 pour Philips Green Power et 1,35 ct/m2 pour Colasse. Ces marges générées ne permettent pas de couvrir les charges de fonctionnement et d'investissement liées à l'utilisation de l'éclairage photosynthétique (Figure 14), puisque tous les systèmes évalués ont une rentabilité inférieure au témoin.

Attention, il est nécessaire de rappeler que ces résultats sont obtenus dans des conditions de production où le rayonnement est peu limitant. En effet, ces essais sont réalisés dans le contexte climatique du Sud-Est de la France, dans une serre F-Clean dont la particularité est de transmettre 90 % du rayonnement et de limiter les ombres portées par rapport à une serre classique.

Une dernière année d'essai sur la variété Charlotte sera mise en place en 2025 afin de conclure sur l'intérêt des différentes modalités évaluées en fonction des matériels évalués.