GFM Serre

Le Gap Filling Module Serre calcule les emissions de gaz a effet de serre de la culture de legumes sous serre chauffee. La production sous serre peut augmenter l'incidence climatique jusqu'a 10 fois par rapport aux equivalents cultives en plein champ, rendant ce module essentiel pour des evaluations environnementales precises des produits frais.

Reference rapide

Propriete	Description
S'execute sur	`ModeledActivityNode` avec parent `FoodProductFlowNode` contenant des termes de legumes correspondants
Dependances	`OriginGapFillingWorker`, `AttachFoodTagsGapFillingWorker`, `ConservationGapFillingWorker`
Entree cle	Date de production, pays d'origine, type de legume correspondant
Sortie	Emissions de chauffage, emissions d'infrastructure, emissions d'electricite
Declencheur	Produit correspondant a l'un des 7 legumes de serre

Quand il s'execute

Le module se declenche lorsque :

Un produit correspond a un terme de legume couvert
Le produit a un pays d'origine valide avec donnees climatiques Meteonorm
Le produit N'a PAS d'etiquette d'exclusion (congele, en conserve, seche)
Le chauffage est necessaire (base sur les calculs climatiques)

Sortie cle

Le module ajoute trois types d'emissions au graphe de calcul :

Chauffage : Base sur le climat du pays, les exigences du legume et la date de production
Infrastructure : Materiaux de serre en verre et plastique
Electricite : Consommation d'energie specifique au legume

Methodologie scientifique

Le modele de serre calcule les emissions selon la formule :

Emissions totales = Chauffage + Infrastructure + Electricite

Chaque composant est calcule par kilogramme de legume produit.

Modele de demande de chauffage

Le modele de demande de chauffage est base sur Stössel et al. (2012) et utilise une approche de bilan thermique :

Q_chauffage = (Q_trans + Q_air) * (T_int - T_ext) - Q_solaire * G

Ou :

Q_trans : Transmission de chaleur a travers l'enveloppe de la serre
Q_air : Perte de chaleur par echange d'air
T_int : Temperature interieure requise pour le legume (Kelvin)
T_ext : Temperature exterieure mensuelle moyenne (depuis Meteonorm)
Q_solaire : Facteur de gain de chaleur solaire
G : Rayonnement solaire mensuel moyen (depuis Meteonorm)

Facteur de transmission thermique (Q_trans)

VALEUR_U = 3.4  # W/m2/K - valeur d'isolation thermique
SURFACE_ENVELOPPE = 54_978.2  # m2 - surface d'enveloppe de la serre

FACTEUR_Q_TRANS = VALEUR_U * SURFACE_ENVELOPPE  # = 186 925,88 W/K

La valeur U de 3,4 W/m2/K represente une moyenne ponderee pour les serres conventionnelles selon Scharfy et al. (2017).

Facteur d'echange d'air (Q_air)

TAUX_RENOUVELLEMENT_AIR = 0.24  # changements d'air par heure
VOLUME_BATIMENT = 259_506.0  # m3
CONSTANTE_ENERGIE_VOLUMETRIQUE_AIR = 0.32  # Wh/m3/K

FACTEUR_Q_AIR = TAUX_RENOUVELLEMENT_AIR * VOLUME_BATIMENT * CONSTANTE_ENERGIE_VOLUMETRIQUE_AIR
# = 19 924,46 W/K

Facteur de gain de chaleur solaire (Q_solaire)

FACTEUR_Q_SOLAIRE = 0.609 * 46_800.0 * 0.99 * 0.9 * 0.7
# = 17 849,82 W/(W/m2)

Composants :

0,609 : Transmittance solaire de la couverture de serre
46 800 m2 : Surface au sol exposee au soleil
0,99 : Fraction du rayonnement solaire atteignant les plantes
0,9 : Facteur d'utilisation
0,7 : Efficacite de conversion

Calcul des emissions de chauffage

Chauffage [kg CO2eq/kg] = Demande de chauffage [MJ/kg] * Mix de chauffage [kg CO2eq/MJ]

Le mix de chauffage depend du pays et represente le melange moyen de gaz naturel, fioul de chauffage et energies renouvelables utilise pour le chauffage des serres.

Calcul de l'infrastructure

Les emissions d'infrastructure prennent en compte les materiaux de construction de la serre sur leur duree de vie de 30 ans :

FRACTION_VERRE_MATERIAUX = 0.604  # 60,4%
FRACTION_PLASTIQUE_MATERIAUX = 0.396  # 39,6%
SURFACE_FENETRES_EXPOSEES_SOLEIL = 46_800  # m2

Le mix d'infrastructure (60,4% verre, 39,6% tunnel plastique) est base sur les statistiques des serres suisses de Scharfy et al. (2017).

Calcul :

# m2*annee de serre necessaire par kg de legume
materiau_construction_par_kg = surface_serre / rendement_total_par_an * quantite_production

# Repartition entre verre et plastique
materiau_verre = materiau_construction_par_kg * 0.604
materiau_plastique = materiau_construction_par_kg * 0.396

Calcul de l'electricite

La consommation d'electricite est specifique au legume et multipliee par le mix electrique du pays :

Electricite [kg CO2eq/kg] = Apport energetique [kWh/kg] * Mix electrique [kg CO2eq/kWh]

Le mix electrique utilise le "marche de l'electricite, basse tension" d'Ecoinvent pour chaque pays.

Details d'implementation

Produits couverts

Le module s'execute lorsqu'un produit correspond a l'un de ces termes FoodEx2 :

Code FoodEx2	Legume	Type de modele	Description
`B1458`	aubergine	aubergine	Aubergine
`A00JD`	aubergine	aubergine	Aubergines
`A00JM`	concombre	concombre	Concombres
`A00JR`	concombre	concombre	Courgettes
`A00KY`	laitue	laitue	Laitue pommee
`A00MJ`	laitue	laitue	Epinards
`B4946`	laitue	laitue	Laitue batavia
`A00KX`	laitue	laitue	Laitues generique
`A1563`	laitue	laitue	Laitue iceberg
`A0DLB`	laitue	laitue	Laitues et similaires
`A1612`	laitue	laitue	Laitue feuille de chene
`A00LB`	laitue	laitue	Lollo rosso
`A00JA`	poivron	poivron	Poivrons doux
`A00QV`	radis	radis	Radis
`A00LM`	radis	radis	Roquette romaine et similaires
`B2474`	radis	radis	Roquette
`A0DMX`	tomate	tomate	Tomates
`A00HY`	tomate grappe	tomate grappe	Tomates cerises

Parametres des legumes

Chaque type de legume a des parametres de culture specifiques :

Legume	Jours de culture	Temp. interieure (K)	Rendement (kg/m2/mois)	Electricite (kWh/kg)
aubergine	50	291,15 (18°C)	3,15	0,5492
concombre	32	291,15 (18°C)	4,36	0,1982
laitue	60	281,15 (8°C)	1,74	0,4636
poivron	41	293,15 (20°C)	1,97	0,5746
radis	51	279,15 (6°C)	1,36	0,33798
tomate	127	291,15 (18°C)	4,66	0,2207
tomate grappe	127	291,15 (18°C)	4,72	0,2099

Sources de donnees : ProfiCost-Tool (Chollet et al., 2012), manuel technique de l'Association suisse des producteurs de legumes.

Pays couverts

Le module dispose de donnees climatiques Meteonorm pour 28 pays europeens :

Code	Pays	Code	Pays
AT	Autriche	IT	Italie
BE	Belgique	LT	Lituanie
BG	Bulgarie	LU	Luxembourg
CH	Suisse	LV	Lettonie
CZ	Republique tcheque	NL	Pays-Bas
DE	Allemagne	PL	Pologne
DK	Danemark	PT	Portugal
EE	Estonie	RO	Roumanie
ES	Espagne	SE	Suede
FI	Finlande	SI	Slovenie
FR	France	SK	Slovaquie
GB	Grande-Bretagne	TR	Turquie
GR	Grece	HR	Croatie
HU	Hongrie	IE	Irlande

Pays de l'UE manquants : Chypre, Malte

Regles d'exclusion

Le modele de serre NE s'execute PAS si le produit a l'une de ces etiquettes de conservation :

XID du terme	Description
`J0001`	Conserve generique
`J0136`	Congele
`J0111`	En conserve
`J0116`	Seche

Ces produits sont exclus car les produits conserves ne necessitent pas de production sous serre au moment de la consommation - ils ont probablement ete produits pendant la saison de culture normale.

Note : J0003 (Non conserve) et J0131 (Refrigere) N'excluent PAS les produits du modele de serre.

Gestion de la date de production

La date de production determine quelles donnees climatiques mensuelles sont utilisees pour les calculs de chauffage :

Si activity_date est specifiee sur le produit ou tout noeud parent, elle est utilisee
La date de recolte est calculee comme date_production - 3 jours
Les jours de culture sont retrocedes depuis la date de recolte en fonction du type de legume
Les besoins de chauffage mensuels sont calcules pour chaque mois de la periode de culture

Exemple : Tomates avec date de production 15 mars :

Date de recolte : 12 mars
Periode de culture : 127 jours (6 octobre au 12 mars)
Mois avec jours de culture : Octobre (partiel), Novembre, Decembre, Janvier, Fevrier, Mars (partiel)

Reference de code complete

Calcul du chauffage

La methode compute_required_heating calcule la demande de chauffage en MJ par kg de legume :

def compute_required_heating(
    self,
    flow_country_code: str,
    flow_processing_date: datetime,
    vegetable_name: str,
) -> float:
    """Calcule la quantite de chauffage necessaire."""
    days_between_harvest_and_production_date = 3

    harvest_date = flow_processing_date - timedelta(days=days_between_harvest_and_production_date)

    # Obtenir les jours de culture par mois bases sur la date de recolte et la duree de croissance du legume
    monthly_growing_days = np.array(days_in_each_month(NUMBER_OF_GROWING_DAYS[vegetable_name], harvest_date))

    # Charger les donnees climatiques specifiques au pays
    monthly_avg_outside_temp = np.array(
        self.gfm_factory.aggregated_meteonorm_data[flow_country_code]["average_temperature"]
    )
    monthly_avg_solar_radiation = np.array(
        self.gfm_factory.aggregated_meteonorm_data[flow_country_code]["average_solar_radiation"]
    )

    # Calculer le bilan thermique
    monthly_temp_difference = REQUIRED_INSIDE_TEMPERATURE[vegetable_name] - monthly_avg_outside_temp
    monthly_required_heating_power_watts = (
        Q_TRANS_FACTOR + Q_AIR_FACTOR
    ) * monthly_temp_difference - Q_SOLAR_FACTOR * monthly_avg_solar_radiation

    # Pas de chauffage negatif (pas de refroidissement modelise)
    monthly_required_heating_power_watts = np.array(
        [val if val >= 0.0 else 0.0 for val in monthly_required_heating_power_watts]
    )

    # Convertir la puissance en energie
    monthly_required_heating_energy_wh = monthly_required_heating_power_watts * monthly_growing_days * 24
    monthly_required_heating_energy_kwh = monthly_required_heating_energy_wh / 1000

    # Calculer le rendement pendant la periode de culture
    average_yield_kg_per_day = (
        AVG_YIELD_PER_M2_PER_MONTH[vegetable_name] * AREA_OF_THE_WINDOWS_EXPOSED_TO_THE_SUN * 12 / 365
    )
    yield_in_growing_days_kg = average_yield_kg_per_day * sum(monthly_growing_days)

    # Convertir en MJ par kg
    mj_in_kwh = 3.6
    monthly_required_heating_energy_mj = monthly_required_heating_energy_kwh * mj_in_kwh

    required_heating_energy_mj_for_kg_of_vegetable = (
        np.sum(monthly_required_heating_energy_mj) / yield_in_growing_days_kg
    )

    return required_heating_energy_mj_for_kg_of_vegetable

Comptabilisation de l'infrastructure

async def account_for_infrastructure(
    self, calc_graph: CalcGraph, greenhouse_activity: FoodProcessingActivityNode, vegetable_name: str
) -> None:
    """Comptabilise l'infrastructure de la serre."""
    size_of_greenhouse_in_m2 = AREA_OF_THE_WINDOWS_EXPOSED_TO_THE_SUN
    average_yield_in_kg_per_m2_and_month = AVG_YIELD_PER_M2_PER_MONTH[vegetable_name]
    total_yield_per_year = average_yield_in_kg_per_m2_and_month * 12 * size_of_greenhouse_in_m2

    # Calculer m2*annee de materiau de construction par kg de culture
    area_and_time_of_greenhouse_building_material = (
        size_of_greenhouse_in_m2 / total_yield_per_year * self.node.production_amount.value
    )

    # Repartir entre verre (60,4%) et plastique (39,6%)
    glass_building_material = (
        area_and_time_of_greenhouse_building_material * FRACTION_OF_GLASS_IN_BUILDING_MATERIAL
    )
    plastic_building_material = (
        area_and_time_of_greenhouse_building_material * FRACTION_OF_PLASTIC_IN_BUILDING_MATERIAL
    )

    # Ajouter les noeuds de flux de verre et plastique au graphe
    # Connectes aux processus Ecoinvent pour l'infrastructure de serre

Comptabilisation de l'electricite

async def account_for_electrical_energy(
    self,
    calc_graph: CalcGraph,
    greenhouse_activity: FoodProcessingActivityNode,
    country_code: str,
    vegetable_name: str,
) -> None:
    """Comptabilise la consommation d'energie electrique de la serre."""
    energy_needed_per_kg = REQUIRED_ELECTRICITY_KWH_PER_KG[vegetable_name]

    # Creer le flux de consommation d'electricite
    electricity_consumption_flow = FlowNode(
        uid=UuidStr(uuid4()),
        amount=QuantityProp(
            value=energy_needed_per_kg * self.node.production_amount.value,
            unit_term_uid=self.gfm_factory.kWh_term.uid,
        ),
    )

    # Connecter au marche electrique specifique au pays depuis le cache
    electrical_energy_node = self.gfm_factory.electricity_markets_cache.get(country_code)

Sources de donnees

Donnees climatiques Meteonorm

Les donnees climatiques proviennent du logiciel Meteonorm (donnees 2016) :

Temperature : Temperature exterieure mensuelle moyenne en Kelvin
Rayonnement solaire : Irradiation solaire globale mensuelle moyenne en W/m2

Les donnees sont stockees dans le cache du GFM et chargees au demarrage du service :

meteonorm_average_temperature_{country_code} : Tableau de 12 valeurs mensuelles
meteonorm_average_solar_radiation_{country_code} : Tableau de 12 valeurs mensuelles

Mix de chauffage

Mix de chauffage specifiques par pays pour le chauffage des serres :

Pays	XID Brightway	Composition
CH (Suisse)	`EDB_4220cbaabca343c09b19415d5ab4079f_copy1`	41,3% gaz naturel, 35,2% fioul, 23,5% renouvelables
DE (Allemagne)	`EDB_4220cbaabca343c09b19415d5ab4079f_copy2`	28% charbon, 21% gaz naturel, 15% fioul, 20% renouvelables, 16% autre
NL (Pays-Bas)	`EDB_4220cbaabca343c09b19415d5ab4079f`	86,2% gaz naturel, 0,1% fioul, 13,7% renouvelables
UE autre	`EDB_4220cbaabca343c09b19415d5ab4079f_copy3`	54% gaz naturel, 46% fioul

Materiaux d'infrastructure

Processus Ecoinvent pour les materiaux de construction de serre :

Materiau	ID Ecoinvent	Unite
Serre en verre	`ecoinvent 3.6 cutoff_0ce659c3cfd443a38761058ee62e3f10`	m2*annee
Tunnel plastique	`ecoinvent 3.6 cutoff_fddfe51c6959f41ac044089c3a892af7`	m2*annee

Exemple de calcul

Scenario : 1 kg de tomates, produites en Suede le 15 mars

Etape 1 : Determiner la periode de culture

Date de production : 15 mars
Date de recolte : 12 mars (3 jours avant la production)
Duree de culture : 127 jours
Date de debut : 5 novembre (annee precedente)

Etape 2 : Calculer les jours de culture mensuels

Mois	Jours
Novembre	25
Decembre	31
Janvier	31
Fevrier	28
Mars	12
Total	127

Etape 3 : Calculer la demande de chauffage

En utilisant les donnees climatiques suedoises et les exigences des tomates (18°C temperature interieure) :

Differences de temperature mensuelles calculees
Compensation du rayonnement solaire appliquee
Valeurs negatives ramenees a zero

Resultat : ~32,3 MJ/kg de demande de chauffage

Etape 4 : Calculer l'infrastructure

Rendement total/an = 4,66 kg/m2/mois * 12 * 46 800 m2 = 2 616 576 kg/an
Materiau de construction par kg = 46 800 / 2 616 576 = 0,0179 m2*annee/kg

Verre : 0,0179 * 0,604 = 0,0108 m2*annee
Plastique : 0,0179 * 0,396 = 0,0071 m2*annee

Etape 5 : Calculer l'electricite

Electricite = 0,2207 kWh/kg * emissions du mix electrique suedois

Sortie finale

Le module ajoute trois noeuds de flux au graphe de calcul :

Flux de chauffage (32,3 MJ) connecte au processus de mix de chauffage suedois
Flux d'infrastructure en verre (0,0108 m2*annee) connecte au processus de verre Ecoinvent
Flux d'infrastructure en plastique (0,0071 m2*annee) connecte au processus de plastique Ecoinvent
Flux d'electricite (0,2207 kWh) connecte au marche electrique suedois

Limitations connues

Couverture geographique

Seuls 28 pays europeens ont des donnees Meteonorm
Pas de couverture pour les Etats-Unis, le Canada ou d'autres grandes regions productrices
Pas de differenciation regionale sous-nationale (importante pour les grands pays)

Couverture des cultures

Seuls 7 types de legumes sont modelises (tomate, concombre, laitue, poivron, aubergine, radis, tomate grappe)
Les herbes aromatiques, piments, fraises et autres cultures de serre ne sont pas couverts
Certaines cultures comme la mache ont des donnees disponibles mais ne sont pas implementees

Hypotheses du modele

Pas de chauffage necessaire = pas de serre supposee (peut sous-estimer les emissions pour les serres non chauffees)
Meme mix d'infrastructure utilise pour tous les pays (base sur les donnees suisses)
Production biologique non differenciee (difference d'incidence minimale trouvee)
Pas de saisons de culture en serre specifiques par pays appliquees

Anciennete des donnees

Les donnees climatiques Meteonorm datent de 2016
Les mix de chauffage peuvent ne pas refleter les transitions energetiques actuelles

References

Stössel, F., Juraske, R., Pfister, S., & Hellweg, S. (2012). Life cycle inventory and carbon and water footprint of fruits and vegetables: application to a Swiss retailer. The International Journal of Life Cycle Assessment, 17(9), 1191-1202.
Eymann, L., et al. (2014). Gewächshausmodell v1.0. Rapport ZHAW pour Eaternity.
Scharfy, D., et al. (2017). OFP Report - New Data ZHAW v1.3. Rapport du projet Organic Food Print.
Chollet, D., et al. (2012). ProfiCost-Tool. Association suisse des producteurs de legumes.
Logiciel Meteonorm. https://meteonorm.com/

Reference rapide​

Quand il s'execute​

Sortie cle​

Methodologie scientifique​

Modele de demande de chauffage​

Facteur de transmission thermique (Q_trans)​

Facteur d'echange d'air (Q_air)​

Facteur de gain de chaleur solaire (Q_solaire)​

Calcul des emissions de chauffage​

Calcul de l'infrastructure​

Calcul de l'electricite​

Details d'implementation​

Produits couverts​

Parametres des legumes​

Pays couverts​

Regles d'exclusion​

Gestion de la date de production​

Reference de code complete​

Calcul du chauffage​

Comptabilisation de l'infrastructure​

Comptabilisation de l'electricite​

Sources de donnees​

Donnees climatiques Meteonorm​

Mix de chauffage​

Materiaux d'infrastructure​

Exemple de calcul​

Etape 1 : Determiner la periode de culture​

Etape 2 : Calculer les jours de culture mensuels​

Etape 3 : Calculer la demande de chauffage​

Etape 4 : Calculer l'infrastructure​

Etape 5 : Calculer l'electricite​

Sortie finale​

Limitations connues​

Couverture geographique​

Couverture des cultures​

Hypotheses du modele​

Anciennete des donnees​

References​