Sommaire⌗

I. Fonctionnement du système⌗

II. Cas d'usage⌗

A - Pourquoi utiliser la cuisinière à caloducs ?
B - Définition du cas d'usage

III. L'économie et le marché autour de la cuisinière à caloducs⌗

A - Produits concurrents et produits de substitution
B - Commercialisation et viabilité économique

IV. Aspects techniques de la cuisinière solaire à caloducs⌗

A - Présentation des phénomènes et lois physiques
B - Présentation du rendement de l'installation et des facteurs qui l'influence
C - Différentes pistes pour optimiser le fonctionnement de la cuisinière solaire à caloducs

V. Construction de la cuisinière à caloducs⌗

A - Listes des différentes pièces
B - Conseils et précaution à prendre

VI. Retour sur le cas d'usage et Conclusion⌗

I. Fonctionnement du systeme⌗

Dans notre étude, nous nous sommes concentrés sur la stérilisation de fruits et légumes grâce à la cuisinière, et non pas sur la cuisson des aliments. La stérilisation alimentaire est un processus permettant la conservation des aliments et de leurs propriétés nutritionnelles. Elle consiste au chauffage des aliments à des températures supérieures à 100°C durant 1h à 3h, le but étant de détruire toute forme microbienne. Ce processus assure la stabilité à température ambiante des denrées et permet alors leur conservation pendant quelques mois, voire même plusieurs années. [Congélation, 2022]

Avant d'entrer dans des considérations techniques, voici ci-dessous des photographies de la cuisinière solaire à caloducs. La première image présente le système technique dans sa globalité tandis que la seconde image permet de voir une des pièces centrales, le tube démonté comportant le caloduc. Ce tube comporte plusieurs pièces : un tube en verre recouvert d'une partie sombre appelée absorbeur (visible à gauche), un tube en cuivre appelé caloduc qui est rempli d'eau (visible à droite) et des ailettes en aluminium qui permettent notamment de maintenir en place le caloduc, lui même contenu dans l'absorbeur.

Auteur : E. Laurent - Partagé sous licence CC-by-SA 4.0

Le schéma et le principe de fonctionnement de la cuisinière se présentent de la manière suivante :

Le stérilisateur comporte 18 caloducs (1) qui récupèrent la chaleur issue du rayonnement solaire et la transmettent vers le collecteur (3). Pour cela :

Chaque caloduc est placé à l'intérieur d'un tube en verre à double parois sous vide (2) permettant d’isoler thermiquement le caloduc, tout en laissant passer une grande partie du rayonnement solaire.
Par conduction, convection et rayonnement, la chaleur solaire est alors récupérée par l'absorbeur.
Ainsi chauffée, l’eau à l'intérieur du caloduc se vaporise (4) et monte. En arrivant au contact de la partie haute du caloduc, plus froide, l'eau se condense et redescend. Tant que la partie haute du caloduc a une température inférieure à 100°C, ce processus de vaporisation-condensation recommence.

En passant au contact des 18 caloducs, l'eau transitant dans le collecteur se réchauffe progressivement. Lorsque sa température atteint 100 °C, elle se vaporise, monte à travers un tuyau (7) et vient chauffer une plaque située sous le caisson (5). La plaque chauffe à son tour l’eau du caisson dans lequel se trouve le récipient (6) de l’aliment à stériliser. La vapeur contenue dans le tuyau et dans le collecteur se recondense au contact des parois, pour se retrouver à nouveau sous forme liquide dans le collecteur. Ce processus de vaporisation-condensation est effectué en circuit fermé, garantissant ainsi un fonctionnement permanent du système en présence de soleil.

II. Cas d'usage⌗

A - Pourquoi utiliser la cuisinière à caloducs ?⌗

Le stérilisateur solaire répond à différents enjeux socio-économiques.

Tout d'abord, ce système est un outil d’indépendance énergétique. En effet, une région ensoleillée disposant de peu de ressources fossiles pourrait ainsi réduire ses importations en bois, gaz naturel ou pétrole. Par conséquent, le système permet de s’affranchir de la fluctuation des prix due aux crises économiques, politiques ou sociales. Cela pourrait constituer un outil important dans la transition vers un modèle économique moins globalisé et plus auto-suffisant en cohérence avec les enjeux environnementaux et géopolitiques actuels.[Utiliser l’énergie solaire pour stériliser le matériel médical dans des centres de santé au Bénin, Fondation Veolia]

Ensuite, la cuisinière solaire à caloducs fonctionne à l’énergie solaire, induisant ainsi l’utilisation d’une énergie gratuite après acquisition de la technologie. Par conséquent, en fournir à des communautés touchées par la pauvreté leur permettraient de stériliser leurs denrées et ce, sans subir les contraintes de prix et de disponibilité de l’énergie.

Enfin, au-delà de l’aspect sanitaire, la stérilisation solaire a aussi un rôle à jouer dans la sécurité alimentaire. En effet, la disponibilité de la nourriture dans un pays est dépendante des intempéries, des guerres, ainsi que des crises politiques, sociales et économiques. La stérilisation permet de lisser ces fluctuations du stock de nourriture.

B - Définition du cas d'usage⌗

Aux vues des enjeux présentés ci-haut, on pourrait penser à définir un cas d'usage tourné vers une population pauvre dans un pays en voie de développement. Néanmoins, une étude de cas dans le camp de Goudoubo au Burkina Faso dans le cadre d'implémentation de cuisinières solaires hybrides (fonctionnant à l'énergie solaire et à l'huile) a montré que cette technologie ne répondait pas, contre toute attente, aux besoins des populations locales. Cette étude de cas a mis en évidence l’abandon quasi total des cuisinières solaires pour différentes raisons : un aspect environnemental peu compris des populations, une promesse d'indépendance énergétique pas respectée, un usage peu adapté et dangereux, et des conditions météorologiques difficiles. (The Broken Promise of Solar Cooking. I.Troconis)

L’aboutissement de nos recherches a donc permis la définition du cas d’usage suivant. Les utilisateurs sont européens et issus de la classe moyenne. De par sa taille et son prix élevé, la cuisinière solaire est plus destinée à un usage collectif qu’à un usage individuel. Il a été défini pour un groupe de 5 à 20 personnes en fonction des situations. Son utilisation peut être située en ville (ou en dehors) dans un jardin (partagé ou non). Dans les deux cas, les utilisateurs souhaitent stériliser leurs fruits et légumes, notamment pendant l’été, par exemple des tomates, des courgettes ou des abricots. Le nombre de jours de fonctionnement du stérilisateur à caloducs a été fixé à 250 jours par an (l'ensoleillement n'est pas constant pendant l'année et diffère selon les régions) : on considère ici volontairement une estimation optimiste pour faciliter l’étude (le temps réel d’utilisation sera certainement inférieur !). Le stérilisateur serait une propriété commune au sein d’une collectivité. Par exemple, des entités telles qu’une commune, une association de lotissements, de quartier, d’immeubles, pourrait en être le propriétaire. Un financement public, provenant d’aides européennes, gouvernementales ou régionales dans le cadre de la décarbonation et la dépollution de la France, pourrait être moteur pour lancer le projet. Une partie des techniques et expériences est déjà acquise grâce aux projets de jardins et de composts partagés, permettant ainsi une meilleure implémentation du projet. Il est naturel que d’autres problématiques telles que la répartition de l’accès à une ressource qui ne fonctionne pas en continu surviendrait.

III. L'économie et le marché autour de la cuisinière à caloducs⌗

A - Produits concurrents et produits de substitution⌗

Le stérilisateur solaire à caloducs est loin d'être le seul objet technique présent sur le marché à proposer des techniques de stérilisation.

Après une comparaison de différents systèmes concurrents et produits de substitution à ce système, nous avons finalement convenu qu'il valait mieux mener une étude approfondie autour de 3 systèmes : (https://pad.lamyne.org/GENEPI_2022_GR2_Livrable2)

le stérilisateur électrique, qui propose une alternative directe au stérilisateur solaire,
la déshydratation qui permet également de conserver des aliments sur une longue période tout en assurant l'absence de microorganismes,
la casserole qui reste le procédé le plus simple pour stériliser de la nourriture chez des particuliers.

1) Le stérilisateur électrique

La stérilisation électrique est une opération qui nécessite un temps de chauffage d'environ 45 min. Elle présente l'avantage, comme le stérilisateur solaire à caloducs, de produire des bocaux conservables entre 5 et 18 mois à température ambiante et ce, en détruisant les microorganismes. Malgré un coût énergétique important (319€), elle reste un concurrent sérieux au stérilisateur solaire à caloducs puisqu'elle peut s'opérer même en l'absence de soleil.[Clatronic EKA 3338 Stérilisateur 1800 W 25 L, Amazon]

2) La déshydratation

La déshydratation est une technique de conservation qui possède également des caractéristiques intéressantes.

En effet, elle garantit une conservation des aliments de 6 à 12 mois avec une absence de microorganismes, due à l'absence d'eau. Le coût dépend de l'apareillage et de l'électricité utilisée pour déshydrater. Elle présente également l'avantage de pouvoir produire par tous les temps, comme la stérilisation électrique.

[La déshydratation pour bien conserver, conso] [Déshydratation alimentaire : son principe et ses avantages] [Pourquoi déshydrater les aliments] [Le Guide Complet de la déshydratation alimentaire,WARMCOOK]

3) La casserole

La casserole présente l'avantage d'être pratique et utilisable facilement par un particulier. Elle semble cependant être plus coûteuse à l'usage (environ 10,4 €/L contre 5,2€/L). Cette méthode garantit également la stérilisation des aliments. [Comment stériliser ses conserves sans stérilisateur électrique ?, la cantine des cousins] [Quand remplacer ma casserole ?, Un coq dans un transat]

B - Commercialisation et viabilité économique⌗

Il n'existe, aujourd'hui, pas de réel marché pour notre stérilisateur low-tech. Les barrières à l'entrée du marché sont multiples : la concurrence des marques consolidées sur le marché, les brevets, l’économie d’échelle (coût de production plus faible en fonction de la quantité produite), le besoin en capitaux pour lancer l’activité, l’accès aux chaînes de distribution...

Afin d'envisager son entrée dans le marché, nous pouvons souligner les points d’amélioration du produit pour faciliter son introduction sur le marché. Bien définir le cas d'usage et la cible de la stratégie marketing sont essentiels afin de répondre au mieux aux besoins des consommateurs. Les aspects économiques et ergonomiques sont également importants. En effet, plus les cuisinières solaires seront abordables et faciles à construire et à utiliser, plus celles-ci entreront facilement sur le marché, d'où l'intérêt d'étudier les systèmes concurrents (voir partie précédente).

De plus, il est indispensable que les méthodes de production et de marketing soient cohérentes avec la démarche low-tech et donc respectueuses de l'environnement, durables. Cela applique donc des contraintes conséquentes pour le prix de conception et de donc de vente, mais une bonne cohérence (de la conception à la fin de vie du produit, en passant par la vente) présente aussi un bon argument de vente dans une logique éco-responsable. Il s'agit de questionner nos modes de consommation et non pas de tomber dans le green-washing.

Pour une étude de marché plus détaillée, voir les Livrables 1 et 2.

IV. Aspect technique de la cuisinière à caloducs⌗

A - Présentation des phénomènes et lois physiques⌗

Les phénomènes physiques régissant le fonctionnement de la cuisinière à caloducs sont notamment des phénomènes dits thermiques. Il existe trois grands types de transferts thermiques: la conduction, le rayonnement et la convection.

La conduction correspond à la propagation de chaleur à l'interface entre deux corps à des températures différentes. Ce transfert se fait de proche en proche entre les atomes. [Frédéric Levfèvre. Introduction aux transferts thermiques couplés (2022)]
Le rayonnement est un transfert qui se fait à distance. Il exprime le fait que tout corps émet et absorbe des ondes électromagnétiques qui transportent de l'énergie, cette énergie provenant des particules émettrices. Ce rayonnement dépend de la température, des propriétés radiatives du corps ainsi que de la longueur d'onde des ondes émises. [ROGER, Maxime, and Mathieu GALTIER. TRANSFERT DE CHALEUR PAR RAYONNEMENT]
La convection est un transfert entre un solide et un fluide ou entre deux fluides. [Rulliere, Romuald. FONDAMENTAUX DU TRANSFERT DE CHALEUR CONVECTION]

Selon la partie de la cuisinière étudiée, les transferts ne seront donc pas les mêmes. Connaître les lois principales régissant ces transferts permet de savoir comment la chaleur est transmise du soleil aux bocaux, de quantifier les pertes d'énergie, et enfin d'obtenir un rendement de l'installation et le temps nécessaire à la stériliser les bocaux.

Pour obtenir un rendement de l'installation et le dimensionner, il est nécessaire de modéliser le système. Il nous faut donc établir un modèle de fonctionnement (ou schéma nodal) : il s'agit d'une manière de schématiser le transport de la chaleur du soleil jusqu'aux bocaux. Il prend en compte les pertes thermiques, les différents types de transferts thermiques, les propriétés des matériaux composant la cuisinière (verre...). Chaque noeud représente une température d'un endroit précis du système (paroi extérieure par exemple), et les blocs représentent des résistances thermiques. Par analogie avec les résistances électriques, les résistances thermiques interviennent dans l'expression de la puissance thermique qui se propage à travers un élément de résistance R, dont les extrémités sont à des températures différentes (T1 et T2 par exemple): on a P= (T2 - T1)/R. La résistance représente la capacité du corps ou non à laisser passer la chaleur.

Schéma nodal de la cuisinière à caloducs

On peut décrire succintement la manière dont la chaleur se propage le long du système.

Auteur : E. Laurent - Partagé sous licence CC-by-SA 4.0

Pour commencer, le soleil frappe le verre entourant les dix-huit tubes en verre: il y a donc un flux solaire reçu par ces tubes. Avant de parvenir jusqu'au caloduc, au niveau de la paroi de verre extérieure du tube, il y a plusieurs types de pertes:

Pertes par rayonnement : le verre va rayonner vers le ciel dans le domaine des infrarouges.
Pertes convectives entre l'air ambiant et le verre.

Le verre absorbe ensuite une petite partie du rayonnement solaire incident et laisse passer la majeure partie ce rayonnement reçu (car il est transparent). Cette chaleur transite ensuite vers l'absorbeur : le transfert thermique se fait par rayonnement entre le verre et l'absorbeur, et par conduction dans la couche d’air présente entre le verre et l’absorbeur.

Ensuite, dans l’absorbeur se trouvent quatre plaques en aluminium dont la fonction est de jouer le rôle d’ailettes, c'est à dire qu'elles facilitent l’échange de chaleur avec le caloduc, qui est un tube de cuivre rempli d’un fluide. Ce caloduc est disposé au creux des plaques d’aluminium. On néglige la résistance convective (dûe à la présence d’air entre les ailettes) car l’espace dans lequel l’air circule est suffisamment petit pour être négligé. Ainsi, seul le phénomène de conduction est pris en compte.

Entre le bout des 18 caloducs et le collecteur, il existe une résistance de contact. Ces résistances de contact ne peuvent être obtenues qu’expérimentalement. Pour la suite de nos calculs, des résistances de contact de référence seront prises en compte. Ces résistances de contact aparaissent lors du contact imparfait (dû à la rugosité des parois par exemple) entre deux solides, ce qui se traduit par une baisse de température locale.

En bout de collecteur se trouve un tuyau qui relie celui-ci à la plaque chauffante sur laquelle est posé le caisson. En bout de tuyau se trouve la plaque chauffante, en contact direct avec le caisson. La résistance de contact prise en compte dans les calculs est une résistance de référence (faute d’expérience).

Enfin, en assimilant les aliments à de l’eau (la plupart sont composés majoritairement d’eau), nous estimons le temps nécessaire pour monter à 100 °C dans le caisson de la manière suivante (passage du régime instationnaire en stationnaire):

Ensuite, selon le type d'aliments, le temps de stérilisation des bocaux(et donc le temps dans le caisson) va différer. Ce temps peut varier de quelques dizaines de minutes à une heure selon les légumes/fruits stérilisés.

Pour tout information supplémentaire (notamment les théories et formules physiques utilisées), n'hésitez pas à consulter le livrable 3 [https://pad.lamyne.org/GENEPI_2022_GR_2_L3].

B - Présentation du rendement de l'installation et des facteurs qui l'influence⌗

Après différents calculs détaillés dans notre précédent livrable, nous avons obtenu un rendement théorique (maximal) de 80%. Le rendement réel de l'installation se situe réellement aux alentours de 62,1%

Un excel des calculs effectués est disponible avec lien suivant:

(https://cloud.lamyne.org/apps/files/?dir=/GENEPI%202&fileid=366068) (https://drive.google.com/drive/folders/1TRx7H4IMyQ4p6V9KXdnmTGGYB9ksM9zm?usp=sharing)

Les facteurs influençant l'évolution de ce rendement sont notamment la longueur du tube ainsi que le coefficient d'échange convectif de l'air. Cela signifie qu'une météo particulièrement venteuse peut le faire baisser de manière significative.

Schéma 5a - Influence de la longueur du tuyau

Schéma 5b - Influence du coefficient d'échange convectif

C - Différentes pistes pour optimiser le fonctionnement de la cuisinière solaire à caloducs⌗

Jouer sur les propriétés radiatives du verre. En effet, en choisissant un verre le plus transparent possible (taux transmission =1, émissivité faible dans l'infrarouge), un maximum d'énergie solaire parvient aux caloducs.
Variation de l'orientation du caloduc par rapport à la position du soleil. En effet, plus les rayons arrivent perpendiculairement à la surface considérée, plus la puissance reçue est élevée.
Minimiser au maximum la longueur du tuyau pour minimiser les pertes thermiques.
Une isolation du tuyau reliant le deuxième caloduc et la plaque chauffante : comme on peut le voir sur la photographie de l’installation (voir I), ce tuyau n’est pas isolé thermiquement : cela entraine donc des pertes thermiques importantes, et fait baisser le rendement.

Auteur : E. Laurent - Partagé sous licence CC-by-SA 4.0

V. Construction de la cuisinière à caloducs⌗

A - Listes des différentes pièces⌗

B - Conseils et précaution à prendre⌗

On vous invite à regarder la vidéo explicative de la construction du support en bois en suivant le lien suivant: (https://cloud.lamyne.org/apps/files/?dir=/GENEPI%202&fileid=366068) (https://drive.google.com/drive/folders/1TRx7H4IMyQ4p6V9KXdnmTGGYB9ksM9zm?usp=sharing)

La production de la cuisinière solaire ne nécessite pas de grands moyens en général. Les pièces sont disponibles sur le marché, avec les bonnes dimensions. Un tutoriel de la construction du support de la cuisinière est disponible en annexe. Cependant, des notions de base de menuiserie sont tout de même indispensables, ainsi que la possession de quelques outils. Par ailleurs, l’isolation du couvercle doit être prise en compte et assurée. Des matières d’isolation faciles et accessibles peuvent être utilisées : de la laine de verre ou de la roche par exemple, disponibles sur le marché à des prix abordables.

Cependant, un point délicat doit être assuré : l’étanchéité du système. Etant donné que l’eau circule dans plusieurs pièces du système, elle doit être réalisée dans ces pièces. Ainsi, des compétences en plomberie sont également indispensables. Les méthodes et outils sont spécifiques aux matériaux et à la position des pièces. Dans certains cas, du Filetfix ou du Teflon (respectivement un ruban et un tube assurant l’étanchéité) disponibles sur le marché suffisent, mais dès que l'eau circule sous forme de vapeur, l'étanchéité est plus difficile à assurer. Dans ce cas, plusieurs solutions sont envisageables, notamment renforcer les pièces en matériau souple avec un tube en tôle ou en acier inoxydable. Ainsi, les compétences nécessaires à la production de la cuisinière solaire se résument à des compétences de menuiserie et de plomberie.

VI. Retour sur le cas d'usage et Conclusion⌗

D'après l'analyse complète de la cuisinière à caloducs, cette dernière correspond bien au cas d'usage déterminé, à savoir une utilisation collective d'un public européen de classe moyenne possédant un jardin (collectif ou non).
Bien que son installation et sa réparation puissent être complexes (puisqu'elle nécessite plusieurs compétences détaillées dans le livrable 2), il est plus facile de l'utiliser de manière partagée, où les savoir-faire de chacun sont complémentaires. Ce cas d'usage induit également une utilisation plutôt occasionnelle que quotidienne de la cuisinière solaire à caloducs : au delà des conditions météorologiques favorables, son bon fonctionnement nécessite une bonne organisation à l'avance. Ce serait donc un objet qui ne remplacerait pas complètement les autres types de stérilisateur, mais apporterait un complément permettant tout de même d'économiser de l'énergie issue de ressources fossiles.