Modélisation et valorisation des rejets (thermique et CO2) d’une production de champignons

Meilleur, Marc-Antoine (2026). Modélisation et valorisation des rejets (thermique et CO2) d’une production de champignons. Mémoire de maîtrise électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

Prévisualisation

PDF Télécharger (4MB) | Prévisualisation

Résumé

La production agricole en environnement contrôlé, qu’il s’agisse de serres ou de Plant Factories with Artificial Lighting (PFAL), exige d’importants apports en énergie et en CO₂. Dans un climat froid comme celui du Québec, ces besoins accentuent la dépendance aux intrants externes. Ce mémoire propose une approche circulaire fondée sur une synergie d’échanges de CO₂ et de flux thermiques entre une ferme de champignons (Mushroom Farm, MF) et une PFAL de légumes-feuilles. Les MF rejettent du CO₂ par la respiration des champignons et requièrent du chauffage, tandis que les PFAL consomment du CO₂ lors de la photosynthèse et engendrent généralement des excès de chaleur. L’interconnexion de ces deux productions vise à réduire simultanément la consommation d’énergie et la dépendance au CO₂ de source externe. Ce mémoire explore expérimentalement et numériquement cette synergie afin d’en évaluer les économies liées à l’injection de CO₂ et à la consommation d’énergie.

Dans un premier volet, deux études expérimentales ont été menées afin de combler des lacunes de la littérature. La première, à petite échelle en chambre climatique, mesure le taux de respiration et les flux thermiques du substrat de shiitake durant l’incubation. La seconde, en chambre d’incubation à grande échelle, modélise le taux de respiration d’une production mixte pleurote-shiitake en fonction de la température intérieure. La comparaison des résultats de ces deux études avec la littérature démontre que le pleurote émet environ deux fois plus de CO₂ que le shiitake en incubation et jusqu’à cinq fois plus en fructification, tout en générant des flux thermiques significatifs. Ces essais ont permis d’élaborer un modèle prédictif des émissions de CO₂ en fonction de la température, du type de champignon et du stade de culture.

Le second volet intègre ces résultats à des modules numériques de simulation d’un complexe de production agricole comprenant des conteneurs de champignons et de légumes-feuilles. Trois scénarios de production sont comparés, soit une culture de shiitake (scénario S), de pleurote (scénario O) et une culture mixte des deux (scénario M). Deux configurations sont analysées : un cas de référence (BC), où les conteneurs fonctionnent de manière indépendante, et un cas circulaire (CC), où les boucles d’air sont interconnectées pour permettre l’échange d’air entre les conteneurs. En configuration CC pour les scénarios pleurote et mixte, l’injection de CO2 n’est plus nécessaire, la consommation d’énergie des systèmes de chauffage, de ventilation et de conditionnement de l’air (CVCA) est réduite jusqu’à 32 % et l’appel de puissance est jusqu’à 47 % moindre. La synergie est particulièrement bénéfique lorsque les champignons produisent plus de CO₂ que les plantes n’en consomment, ce qui permet le refroidissement du PFAL grâce à l’air extérieur (free cooling) et réduit la consommation d’énergie du système CVCA du PFAL tout en maintenant le taux de CO₂ souhaité.

Titre traduit

Modelling and valorization of by-products (thermal and CO₂) from mushroom production

Résumé traduit

Controlled environment agriculture, whether in greenhouses or Plant Factories with Artificial Lighting (PFAL), requires substantial inputs of energy and CO₂. In cold climates such as Quebec’s, these needs increase dependence on external resources. This study proposes a circular approach based on a CO₂–thermal exchange synergy between a mushroom farm (MF) and a PFAL for leafy greens. MF release CO₂ through mushroom respiration and require heating, while leafy greens consume CO₂ during photosynthesis and generate excess heat. The interconnection of these two production systems aims to reduce energy consumption and dependence on supplemental CO₂ sources simultaneously.

The first part of the research characterizes the CO₂ and heat exchanges of mushrooms to fill gaps in the literature. Two experimental studies were conducted. The first one measured respiration rates and thermal fluxes of shiitake substrate during incubation of a small-scale production in a climatic chamber. The second modelled the respiration rate of a mixed oyster shiitake substrate as a function of indoor temperature during incubation of a full-scale production. Comparing the results of these two studies with existing literature showed that oyster mushrooms emit about twice as much CO₂ as shiitake during incubation and up to five times more during fruiting, while generating significant thermal heat. These experiments enabled the development of a predictive model linking CO₂ emissions to temperature, species, and growth stage.

The second part integrates these results into numerical simulation modules of a container-based production complex combining mushrooms and leafy greens, comparing three farming scenarios, a shiitake (scenario S), an oyster (scenario O) and a mixed shiitake-oyster production (scenario M) where air loops between the containers are interconnected to enable CO2 and thermal exchanges. In the CC configuration, the Oyster and Mixed scenarios eliminated the need for external CO2 injection, reduced the heating, ventilation and air conditioning (HVAC) energy use by up to 32% and the peak demand by up to 47%. The analysis highlights a paradigm shift: when mushrooms produce more CO₂ than what crops consume, the PFAL can be cooled with outside air (a process called free cooling), lowering the HVAC energy demand while maintaining the CO₂ setpoint.

Type de document:	Mémoire ou thèse (Mémoire de maîtrise électronique)
Renseignements supplémentaires:	"Mémoire par articles présenté à l'École de technologie supérieure comme exigence partielle l'obtention de la maîtrise avec mémoire en génie, énergies renouvelables et efficacité énergétique". Comprend des références bibliographiques (pages 120-129).
Mots-clés libres:	synergie agro-industrielle, modélisation énergétique du bâtiment, BEM, récupération de CO₂, valorisation de chaleur résiduelle, agriculture durable
Directeur de mémoire/thèse:	Directeur de mémoire/thèse Monfet, Danielle
Codirecteur:	Codirecteur Bastien, Diane
Programme:	Maîtrise en ingénierie > Génie
Date de dépôt:	10 mars 2026 13:25
Dernière modification:	10 mars 2026 13:25
URI:	https://espace.etsmtl.ca/id/eprint/3855

Gestion Actions (Identification requise)

Dernière vérification avant le dépôt