Psychrométrie en agriculture : serres, stockage du grain et séchage

Toute décision agricole touchant à l’air, qu’il s’agisse de la ventilation d’une serre, du moment de la récolte, du réglage d’un séchoir ou des conditions dans un silo à grain, a un fondement psychrométrique. Un air trop humide provoque des moisissures, trop sec nuit aux plantes ou fait fissurer le produit. La différence avec l’industrie tient au comportement sorptif des matériaux biologiques, car grain, fruits ou bois captent et cèdent activement l’humidité selon leur équilibre avec l’air ambiant.

Transpiration des plantes et humidité de la serre

Les plantes libèrent de la vapeur d’eau par leurs feuilles via la transpiration. Son intensité dépend du déficit de pression de vapeur (VPD — Vapour Pressure Deficit), c’est-à-dire de l’écart entre la pression de vapeur saturante à la température de la feuille et la pression partielle réelle de vapeur dans l’air :

$$\text{VPD} = p_{ws}(T_{\text{feuille}}) - p_w(\text{air})$$

Un VPD élevé (air sec) provoque une transpiration intense, la fermeture des stomates et un stress de la plante. Un VPD faible (air humide) limite la transpiration, mais favorise les maladies fongiques (pourriture grise). L’optimum de VPD pour la plupart des légumes et des fleurs est d’environ 0,5–1,3 kPa, soit approximativement 20–26 °C / 60–75 % HR. À chaque valeur de VPD correspond, dans le diagramme h-x, une combinaison spécifique de température et d’humidité relative.

L’humidité d’équilibre (EMC) et le moment où le grain cesse de sécher

Un produit agricole échange de l’humidité avec l’air jusqu’à atteindre son humidité d’équilibre (EMC — Equilibrium Moisture Content) — l’humidité du matériau à laquelle la pression partielle de vapeur dans le matériau égale celle de l’air, et où l’échange s’arrête. L’EMC dépend de la température et de l’humidité relative, et se décrit par des isothermes de sorption. La norme ASABE D245.6 contient les isothermes de 40 produits. Exemple pour le blé : à 20 °C et 65 % HR, l’EMC est d’environ 13 % (base humide), ce qui correspond à une humidité de stockage sûre.

Humidité de stockage sûre du grain

Un grain stocké plus humide que l’humidité d’équilibre sûre vis-à-vis de la croissance microbienne se dégrade rapidement :

• Stockage court (jusqu’à 6 mois) : blé < 14 %, maïs < 14 %, tournesol < 9 % (bh)
• Stockage long (sur l’hiver) : blé < 13 %, maïs < 13 % (bh)

Ces valeurs correspondent à une HR de l’air d’environ 60–65 % à 15–20 °C. Les silos modernes sont donc équipés d’une ventilation régulée et on ne ventile que lorsque l’air est plus sec que le grain, une décision qui ne peut se prendre qu’avec des données psychrométriques.

Séchage post-récolte du grain dans le diagramme h-x

Le maïs récolté a une humidité de 25–30 % (bh) et doit, pour un stockage sûr, descendre à 13–14 %. Air de séchage : typiquement 80–100 °C, HR à l’entrée < 5 %.

Quantité d’eau à évaporer par tonne de maïs (de 27 % à 14 % bh) :

$$m_{\text{eau}} = 1000 \cdot \frac{0{,}27 - 0{,}14}{1 - 0{,}14} \approx 151\ \text{kg d'eau/t}$$

Quantité d’air nécessaire pour $\Delta x = 18 - 2 = 16\ \text{g/kg}$ :

$$m_{\text{air}} = \frac{151}{0{,}016} \approx 9\,440\ \text{kg d'air/t}$$

Puissance de la batterie chaude pour un séchage de 8 heures et $\Delta h \approx 80\ \text{kJ/kg}$ : $P \approx 26\ \text{kW}$ par tonne de maïs et par heure. (Les valeurs précises d’EMC et de $\Delta h$ dépendent de la variété, vérifiez-les donc dans l’ASABE D245.6 ou auprès du fabricant du séchoir.) Les principes sont les mêmes que pour le séchage industriel.

Les systèmes de serre et leur ventilation vs. rafraîchissement

Sous serre, le soleil génère d’énormes apports thermiques, si bien qu’en été, sans rafraîchissement, la température peut monter à 50–60 °C. La ventilation naturelle (ouvrants latéraux et de toiture) est la solution la moins chère, mais elle ne suffit plus au-dessus de 30 °C extérieurs. Le refroidissement adiabatique (panneau poreux et ventilateur) est répandu en serre. Dans son principe, l’eau s’évapore sur un panneau cellulosique, l’air se refroidit et s’humidifie le long de l’isenthalpe. Efficace en climat sec, il l’est moins dans l’été d’Europe de l’Ouest, à HR d’entrée plus élevée. Détails dans l’article Refroidissement adiabatique.

Questions fréquentes

Qu’est-ce que le VPD et pourquoi est-il plus important pour le producteur que l’humidité relative ? Le VPD est l’écart entre la pression de vapeur saturante et la pression réelle — la « force d’aspiration » de l’air pour l’eau des feuilles. Il pilote directement la transpiration, alors que l’humidité relative est ambiguë sans la température de la feuille.

Comment savoir quand il est sûr de ventiler un silo à grain ? Quand l’air extérieur (ou insufflé) est en équilibre avec une humidité plus basse que celle du grain — c’est-à-dire quand son EMC est inférieure à l’humidité actuelle du grain. Cela se détermine à partir de la température et de l’humidité relative de l’air, à l’aide des isothermes de sorption.

Le séchage du grain diffère-t-il du séchage industriel du bois ? Physiquement, non — ce sont les mêmes relations psychrométriques. Ce qui diffère, ce sont les températures, la vitesse de séchage et la sensibilité du produit aux fissures ou à la perte de germination.