Fermes verticales, pour une culture urbaine Agriculture, ville, architecture, densité, soutenabilité.

Anthony Besson – M2 Aédification, Grands territoires, Villes - Article de Colloque - 2010

Agriculture urbaine, vers la verticalité

L’étalement urbain, la densification de l’urbanisation et les coûts des transports posent

aujourd’hui la question de la place d’une agriculture en ville. Une agriculture produite au plus près des consommateurs, soutenable et répondant aux impératifs de la cohabitation avec la ville.

Le concept de ferme verticale évoque l’idée de cultiver des produits alimentaires dans

la verticalité. Que ce soit contre des parois, dans des tours ou dans des structures verticale, ce type de culture présente l’avantage d’avoir une faible emprise au sol, c’est donc le candidat idéal pour permettre la réintroduction de l’agriculture en milieu urbain. Le concept d’agriculture verticale est ancien. On peut en voir une illustration dans, une des sept merveilles du monde, les jardins suspendus de Babylone. Mais c’est à l’aube du 21ème siècle que les bases de la version moderne utilisant des techniques innovantes sont posées. Cette version contemporaine est développé par Dickson Despommier, professeur en santé environnementale et microbiologie à l'université Columbia à New York qui estime qu’en 2050, la quantité de terres arable ne sera pas suffisante pour nourrir la planète1. Depuis, les projets qui en émergent de ce concept sont de véritables projets architecturaux à la pointe de l’innovation.

Mais chaque partie du monde voit dans ce genre de projet des intérêts bien différents.

Les pays en voie de développement y recherchent une solution au manque de nourriture, les pays émergeants y trouve un remède à la réduction des surfaces cultivables, enfin ils pourraient permettre aux pays développés d’évoluer vers une plus grande qualité de vie et vers des villes plus soutenables.

1 Christelle Giroud, Stéphane Deperois « Fermes verticales, l’agriculture dans une tour » 20h de TF1, 5/0709

Les techniques Une des similarités dans tous les projets de fermes verticale est la culture en étage.

L’obligation d’atteindre une densité des cultures compatible avec une implantation urbaine permet de créer une architecture sur plusieurs étages et d’imaginer une agriculture innovante. En effet, lorsqu’on multiplie le nombre d’étages, le poids de la terre sur la structure devient très problématique, d’autre part, l’apport de lumière aux cultures développé dans les étages inférieurs est gêné par les étages supérieurs. L’hydroponie :

Pour remédier aux contraintes structurelles que font peser les étages d’agriculture, l’évolution récente de l’hydroponie apporte de très intéressantes alternatives de cultures hors sol.

La culture hydroponique est l’art de cultiver des plantes dans l’eau. Le mot vient du grec « hydro=Eau» et de « ponos=travail » ce qui signifie « l’eau au travail ». L’idée est de replacer la terre par un substrat neutre et d’apporter les nutriments nécessaires à la plante directement par l’eau. Contrairement à l’hydro-culture, la culture hydroponique est active et la répartition des nutriments et de l’oxygène est bien meilleure car l’eau circule dans un substrat chimiquement inerte. Ce substrat peut être constitué de billes d’argiles, de laine de roche ou encore de fibre de coco, plus écologique.

L’hydroponie n’est pas une invention moderne, Cette

technique d’agriculture hors-sol existe en fait depuis des millénaires. Les habitants du Pérou la pratiquaient déjà sur les bords du lac Titicaca2, on la retrouve aussi dans l’ancienne Chine ou encore chez les Aztèques3. Enfin, les jardins suspendus de Babylone donne la plus belle représentation de l’hydroponie antique. Apres des expérimentations par des chercheurs allemands en 1860, c’est dans les années 30 que la technologie actuelle à été développé industriellement en Californie par W.F.Gerike. La première utilisation concrète de ce type de culture à été durant la seconde guerre mondiale pour alimenter en légumes l’armée américaine basée dans les iles du pacifique.4

L’aéroponie est une évolution de l’hydroponie, les

racines ne trempent plus directement dans la solution nutritive à travers un substrat mais c’est la solution qui est vaporisée sur les racines. Cette technique permet de créer l’équilibre idéal entre la circulation de la solution nutritive et l’oxygénation, les racines se développent plus densément et la croissance de la plante est optimisée. Cette technique s’effectue en circuit fermé ce qui permet de faire des économies d’importantes économies d’eau (environs 90%), de n’avoir ni déchets ni rejet et elle ne nécessite plus de traitement contre les parasites. Enfin les rendements sont bien meilleurs et tout type de culture peut être fait, cette technique est actuellement utilisé dans certaines cultures industrielles sous serre.

2 Noucetta Kehdi « L’hydroponique » http://www.biohydrocultures.fr 3 G.Taksir « Culture hydroponique », Les echos du chanvre, n°4 4 G.Taksir « Culture hydroponique », Les echos du chanvre, n°4

L’ultraponie est une amélioration de l’aéroponie. Le brouillard nutritif est créé grâce à des brumisateurs à ultrasons puis dirigé vers les racines. Il est fait de très fines gouttelettes formant un milieu composé d’eau et d’oxygène directement assimilable par les pores des racines. La circulation de la brume accélère énormément le processus d’absorption des racines. Le "chevelu" est plus dense, augmentant exponentiellement les échanges entre la plante et le milieu nutritif. L’ultraponie permet des rendements jusqu’à 8 fois supérieurs, consomme très peu d’eau, d’engrais et d’électricité et il peut être totalement contrôlé par informatique. C’est pourquoi c’est le système qui a été choisi pas la NASA dans ses recherches pour nourrir les astronautes durant les voyages lointains dans l’espace.

L’hydroponie biologique (ou bioponie5) peut être aéroponique ou ultraponique. En réalité ce n’est pas l’hydroponie en elle même qui est biologique car ce n’est qu’une technique. Mais cette technique est idéale pour faire de la culture biologique en utilisant des engrais adéquats car son environnement contrôlé la protège des nuisibles et des aléas climatiques, il n’est donc pas nécessaire de traiter chimiquement la production ou de développer des espèces génétiquement modifiés. Le développement d’engrais biologique est en cours depuis des années mais les premiers engrais biologiques liquides n’ont été mis sur le marché que très récemment.

La bioponie nécessite un entretien différent de l’hydroponie à base d’engrais minéral mais d’après les créateurs il n’est pas plus compliqué qu’en aéroponie classique.6

Certaines critiques juge les fruits et légumes ainsi cultivés « sans goût » mais cette

constatation viens du fait qu’actuellement la majorité des produits issue de l’aéroponie sont par soucis d’économie alimentés avec des solutions nutritives de faible qualité qui repassent un nombre trop important de fois dans le circuit pour utiliser le maximum de nutriments. Ces pratiques « noient » les produits qui sont alors de médiocre qualité. Il est donc facilement possible d’obtenir une production de très bonne qualité. La culture en aéroponie nécessite une alimentation électrique pour faire fonctionner les pompes et le matériel de contrôle. Néanmoins, l’efficacité de l’ultraponie réduit fortement l’énergie nécessaire. Ces techniques nécessitent un investissement assez important mais la productivité et la qualité de la production permettent de l’amortir assez rapidement. L’attention et la surveillance de telles culture doit être bien plus importante qu’en culture traditionnelle, température, composition nutritive, humidité, etc. Cependant il est possible d’automatiser l’installation et de la rendre totalement autonome. A la différence de la terre où la quantité et la qualité des nutriments présent est difficilement maitrisable, la composition du liquide nutritif peut être idéalement dosé et surveillé. Ainsi les rendements sont optimaux et la qualité de la culture excellente. Ce type de culture se fait en environnement contrôlé, il peut donc être fait en intérieur, en ville, sur sol artificiel et quelque soit la saison, la météo ou l’heure de la journée. Les économies d’eau, l’absence de rejets polluants font de ces techniques les solutions de demain pour l’implantation de tours agricoles en ville. De plus si on ajoute les apports en termes d’emploi, de qualité de l’air urbain et les apports paysagers, la symbiose entre ville et agriculture devient possible.

5 Bioponie est un terme déposé par William Texier (Brevet N° 05.11569), 6 Noucetta Kehdi « La bioponie, une nouvelle vision de la culture hydroponique », Général Hydroponics Europe

Les énergies renouvelables : Cette nouvelle forme d’agriculture nécessite un apport d’énergie pour réguler l’environnement

de culture. Pour maximiser les rendements de la culture hors-sol et profiter de l’avantage qu’offre un environnement artificiel, l’apport de lumière aux cultures se fait jour et nuit. De plus dans le cas de ferme verticale en ville, l’apport de lumière naturelle est souvent insuffisant même le jour. L’éclairage doit donc être constant et consomme une quantité non négligeable d’électricité. A celle-ci il faut ajouter la consommation des pompes, des brumisateurs, des systèmes de filtrages et de gestion informatisés, voir éventuellement des habitations, commerces, services ou autres systèmes pour l’élevage suivant le programme du bâtiment.

Dans une logique de développement durable, la construction se doit d’être énergiquement indépendant voir même productrice d’énergies propres. La solution la plus simple est l’utilisation de cellules photovoltaïques mais celles-ci sont encore onéreuses et leur rendement est limité. Certains projet envisagent l’utilisation de systèmes éoliens sur toitures ou intégrés à la structure même du bâtiment7. Enfin il existe la possibilité de produire de l’énergie grâce à la récupération et à la combustion des déchets agricoles et urbains.

  Pour permettre une culture optimale, la température doit être constante quelque soit la saison ou la météo. Un système de chauffage doit apporte de la chaleur l’hiver, et une climatisation est nécessaire en été. Pour la climatisation, l’ingénierie climatique permet de créer une ventilation naturelle efficace et la présence d’une atmosphère humide simplifie cette climatisation. Pour le chauffage, un grand nombre de solution existe du chauffe-eau solaire à la bio-génération. Enfin certaines techniques peuvent faire office de chauffage et de climatisation. L’emploi de masse thermique dans la construction peut limiter les variations de températures entre le jour et la nuit, ensuite une double façade avec des panneaux mobiles permettent de réguler plus finement chauffage et ventilation. Enfin le système de puits canadien créer une ventilation avec de l’air à température constante en allant chercher la chaleur du sol en hiver et sa fraicheur en été.

7 David Fisher « Rotating Tower » www.dynamicarchitecture.net

Les projets de fermes verticales à travers le monde : Fermes verticales à bas coût pour nourrir le monde

Dans les pays en voie de développement, la principale préoccupation en ce qui concerne l’agriculture est l’approvisionnement de la population en nourriture et les moyens financiers de ces pays sont très faibles.

Jean-Claude Rey, ancien agriculteur savoyard, médaillé d’or au 37ème salon international des inventions de Genève pour sa structure autoportante permettant le jardinage en étage8, propose un modèle de tour de culture à bas prix pour lequel il a déposé un brevet. Bientôt construit pour la ville de Toussiana au Burkina Faso (Afrique), le bâtiment sera construit en matériaux recyclés, utilisera des techniques accessibles et sa construction coûtera environ 350€/m². La structure cubique de 12m de côté et d’une surface au sol de 400m² produira autant qu’un jardin traditionnel de 1500m² 9, l’investissement de 100€ par mètre carré de surface productive est très faible. Permettant d’utiliser la lumière naturelle, la toiture transparente récupère l’eau de pluie dans une citerne souterraine, elle est ensuite pompée pour l’arrosage grâce à l’énergie solaire puis récupérée en partie pour une réutilisation ultérieure. Ainsi alors qu’au Burkina Faso, l’eau d’arrosage est perdue pour 50%, grâce à ce système non seulement il n’y a pas de perte mais 60 à 80% de l’eau est réutilisée après filtrage10. Le système Courtirey intéresse déjà d’autres pays comme le Niger11, la Palestine, l’Algérie mais aussi la ville de Paris12

8 Jean-Claude Rey, Site officiel de son entreprise www.courtirey.com 9 « Des tours agricoles de Haute-Savoie en Afrique », Le Monde, 25 mai 2009 10 « Des fermes verticales », Reportage Radio Suisse Romande, 29 mai 2009 11 « Des jardins en étage pour le Niger », Le dauphiné libéré (Ed. Haute-Savoie), 27 mai 2009, p13 12 « Courtirey : l’aventure continue et s’annonce de plus en plus forte », Le dauphiné libéré (Ed. Haute-Savoie), 8 Aout 2009, p12

Farmscrapers ou l’utopie du building campagne Dans les pays dit « riches », les projets se veulent futuristes et à la pointe de l’innovation, au

risque de parfois être utopique. La première grande différence réside dans l’utilisation de la culture aéroponique. En effet, les contraintes structurelles qu’engendre l’utilisation de terre ou de bacs d’eau sont trop grandes pour être appliquée dans un building contemporain de plusieurs dizaines d’étages. Ensuite ces tours sont équipés d’une gestion informatisée qui permet un fonctionnement autonome et optimale du bâtiment. Enfin les farmscrapers sont conçus pour être des bâtiments à énergie positive, c'est-à-dire qu’ils produisent plus d’électricité à base d’énergie renouvelable qu’ils n’en consomment. Ainsi ils réduisent l’impact écologique global des villes dans lesquelles elles s’implantent.

Depuis moins d’un an, beaucoup de projet du genre font leur apparition un peu partout, parmis lesquels on peut citer :  The living skyscraper de Blake kurasek, Harvest green project, Vertical farm par Chris Jacobs, Vertical farm type « O » par Oliver Foster, Sky farm par Gordon Graff, Toronto13 ou encore Farming in Z-Axis par Andrew Kranis pour Brooklin

13 Lloyd Alter « Sky farm proposed for downtown Toronto », treehugger.com 14 juin 2007 http://www.treehugger.com/files/2007/06/sky_farm_propos.php

La tour vivante de l’agence SOA Architectes14

commandité par Lafarge Cimbéton en 2006 est une tour de 30 étages qui vise à associer production agricole, habitation et activités tertiaires dans un système unique. Conçu pour le climat parisien, elle pourrait produire chaque année 9 tonnes de fraises, 63 tonnes de tomates et 37 tonnes de salade. Equipée de 2 grandes éoliennes sur le toit et de 4500m² de cellules photovoltaïques sur les façades la tour est énergiquement positive. Des systèmes de récupération des eaux de pluie et des eaux grises alimentent les serres. La régulation thermique quand à elle est assurée par un puits canadien au centre de la tour qui maintien une température optimale été comme hiver et fait office de ventilation naturelle. Le cœur de la tour en béton permet le stockage thermique alors que la périphérie est une structure légère privilégiant les matériaux recyclés et recyclable. La double peau lui procure une isolation équivalente à un bâtiment basse consommation. Le coût estimatif de cette construction est de 98 100 000 euros HT, ce qui ramené à la surface Shon fait presque 2000€HT/m².

14 http://www.ateliersoa.fr/verticalfarm_fr/urban_farm.htm

Le projet Dragonfly15 de l’architecte franco-belge Vincent Callebaut pour l’ile de Manhattan est une tour de verre et d’acier qui reprend la forme d’une aile de libellule et qui serait construite sur une presqu’ile artificielle accroché à Manhattan (New York City). Proposant 350.000m² d’appartements, de bureaux, de laboratoires, de culture et même d’élevage, cette tour dit « bionique » pourrait accueillir 50.000 personnes, mais aussi nourrir et fournir de l’énergie à 100.000 citadins supplémentaires. Cette construction d’architecture contemporaine est complexe et doit supporter le poids d’élevages, ajouté à la récupération du compost et des eaux de pluies ainsi que la gestion totalement automatisé du bâtiment ces contraintes font de ce projet une trop coûteuse utopie.

15 H.B. «Dragonfly : Le building vole vers la ferme bio verticale » SeLoger Neuf, 25 mai 2009 http://www.selogerneuf.com/157661/211660/article.htm

Certains projets sont encore plus utopiques comme le projet seawater du cabinet d’architecture italien Studio mobile16 pour la ville de Dubaï ou encore le Zabeel Park17 de U.G.Thesis toujours à Dubaï. Mais aussi le projet Pyramid Farm d’Eric Ellingsen18.

Mais tout ces projets ne sont pas destiné à être construits, ce sont des visions d’architectes qui certes sont utiles pour sensibiliser le public à la problématique de l’agriculture urbaine et aux solutions qui sont à notre disposition mais qui restent dans le domaine du rêve et du phantasme, totalement déconnectés des réalités économiques et sociale.

16 « Fermes agricoles verticales : Projet futuriste aux Emirats » Retour en Algerie, 10 mars 2009 http://retourenalgerie.wordpress.com/2009/03/10/fermes-agricoles-verticales-projets-futuristes-aux-emirats/ 17 http://verticalfarm-dubai.blogspot.com/ le 4 juin 2009 18 « L’agriculture vue à travers la ferme pyramidale » Enerzine.com, 4 juin 2009

Une ferme verticale d’aujourd’hui ?

Comment proposer un projet qui serait aujourd’hui réalisable, rentable et acceptable ? Comment trouver un compromis entre la simplicité du système Courtirey et l’utopie des projets de Dubaï ? Quels sont les éléments essentiels de chaque projet ?

Pour être acceptable en ville un tel projet doit correspondre à certains critères d’intégration comme l’aspect visuel, l’accessibilité ou la non-accessibilité, la consommation réduite de ressources ou encore la sécurité.

Pour être réalisable, l’investissement doit être raisonnable, l’usage doit être rentable et il faut que la demande des citadins suffise pour justifier la production. La présence de mixité au sein du projet (habitations, activités tertiaires, production d’énergie, agriculture, etc. en augmente sa complexité et donc son coût il est donc important de ne garder que l’essentiel.

L’enjeu est donc de justifier la taille de l’installation, le type de production, les techniques à mettre en œuvre dans un contexte particulier. Mais c’est aussi de trouver un modèle standard applicable dans la plupart des villes actuelles afin de réduire les coûts et de diffuser les fermes verticales à travers le monde.