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GEnEPI 1 Version du 25/10/2022

Livrable 1 : Cuisinière solaire à caloducs

Sommaire

  • Introduction
  • Le fonctionnement du système
  • Les systèmes concurrents à la cuisinière solaire à caloducs étagés
  • Enjeux et fonctions
  • Organisation de l'équipe
  • Bibliographie
  • Membres du GEnEPI 1

I. Introduction

Créée en 2014, la cuisinière solaire à caloducs étagés est un système émergent destiné à la cuisson et à la stérilisation des aliments. Se nourrir est en effet un besoin primaire pour l’Homme et la cuisson joue un rôle important pour le satisfaire. A l’heure actuelle, la cuisinière pensée par Soleil-vapeur permet de cuire environ 12 kg de légumes lors d’une journée ensoleillée. Les caloducs du système forment un capteur capable de récupérer l’énergie solaire pour cuire les aliments. Notre étude se limitera à la cuisson. La stérilisation sera traitée par le groupe 2 du projet GEnEPI. Dans un premier temps, le fonctionnement du système sera développé avant de présenter les systèmes concurrents de ce mode de cuisson. Enfin, l'intérêt de la cuisinière solaire à caloducs sera évoqué en considérant le cadre de la crise énergétique actuelle et l’épuisement des ressources.

II. Le fonctionnement du système

Notre cuisinière est un dispositif basé sur un capteur solaire thermique à caloducs. Il se compose d’un capteur solaire, d’un collecteur et d’un caisson isolant.

En image, voici à quoi ressemble une cuisinière à caloducs :

Le fonctionnement d’un caloduc

Le but d’un caloduc est de transférer la chaleur captée, provenant du rayonnement solaire, vers un caisson isolant où les aliments seront cuits. Un caloduc est un tube étanche contenant un liquide en équilibre avec la vapeur. Installé verticalement ou incliné, le fluide va subir un cycle. L’ajout d’un tube en verre autour du caloduc permet de former un capteur solaire. Cette enveloppe sous vide permet d’éviter les pertes thermiques par convection avec l’air ambiant.

Le rayonnement solaire traverse le verre et chauffe le caloduc. Ce dernier conduit la chaleur ainsi reçue et la cède au liquide par convection. Le liquide chauffé se vaporise à la base du tube (évaporateur), la vapeur formée s’élève par convection jusqu’à la zone froide (condenseur). La vapeur se condense ensuite en cédant de la chaleur au haut du tube. Le liquide (condensat) ainsi formé tombe par gravité vers le bas du caloduc. C'est donc en circuit fermé. Un caloduc transmet donc la chaleur qu’il reçoit par rayonnement vers son point le plus haut.

Le fluide est choisi en fonction de la température du milieu dans lequel le caloduc est utilisé et également en fonction des performances souhaitées. Pour le tube, il faut s’assurer que son matériau résiste bien à la pression interne et aux conditions météorologiques extérieures, tout en évitant le phénomène de corrosion de l’enveloppe par le fluide. L’assemblage de plusieurs de ces caloducs forme un capteur solaire.

Le transfert de chaleur : le collecteur

Le transfert de chaleur jusqu’au récipient de cuisson est ensuite effectué par un autre caloduc, le collecteur, situé en haut du capteur. Ainsi, comme indiqué sur le schéma ci-dessus, la partie basse du collecteur correspond à la partie haute du capteur. La partie haute (“froide”) du collecteur est le tuyau souple, suivie de la plaque chauffante de la cuisinière.

Le collecteur est légèrement en pente de manière à laisser le condensat s’écouler jusqu’à sa base. Le caisson doit être légèrement plus haut afin que le transfert thermique puisse avoir lieu.

Le fontionnement du caisson isolant

Lorsqu’on cuisine de manière traditionnelle, on a accès à des niveaux de températures très élevés par rapport à ce dont on a besoin. Par exemple, une cuisson au feu de bois dégage tellement d’énergie qu’avoir d’importantes pertes thermiques a peu d’influence sur la cuisson. Cependant, avec le cuiseur solaire, on ne peut pas se permettre de perdre autant de chaleur. Comme la différence de température est faible (100°C pour l’eau et 140°C pour le cuiseur), la puissance du transfert thermique est plus faible. Le caisson isolant est donc indispensable pour éviter de perdre trop de chaleur, et rentabiliser au maximum la chaleur captée par les caloducs.

Le caisson isolant est construit à base de bois et de métal. En plus des parois isolantes, il contient la plaque chauffante et le couvercle. La chaleur récupérée par les caloducs passe par le collecteur jusqu’à arriver à la plaque chauffante. Cette plaque va fournir la chaleur au récipient de cuisson qui va dégager de la vapeur. Le couvercle est percé pour permettre l’échappement de ces vapeurs.

Pour un meilleur fonctionnement du système au niveau du caisson (de manière à ce qu’à chaque étape, la vapeur monte et le condensat redescende par gravité), le tuyau souple doit être en pente vers le coll"jecteur. De plus, la plaque chauffante elle-même doit être légèrement en pente.

III. Les systèmes concurrents à la cuisinière solaire à caloducs étagés

Nous étudions uniquement des systèmes permettant la cuisson d’aliments, ainsi, on s'intéresse à des systèmes capables de monter à une température de l’ordre de la centaine de degrés Celsius.

Les principales méthodes de cuisson qui ont été et sont utilisées se basent sur la combustion (gaz, bois, charbon) ou utilisent l’électricité.

Le gaz est préféré par les cuisiniers puisqu’il peut être utilisé avec n’importe quel type de poêle ou casserole et offre une maîtrise de la température et de la cuisson optimale. Aujourd’hui, les fours électriques dominent le marché des particuliers car ils sont plus sûrs. Ils permettent aussi de limiter l’utilisation directe d’énergies fossiles. La cuisinière solaire a d'autres concurrents utilisant son mode de cuisson c’est-à-dire la vapeur. On peut penser au cuit-vapeur électrique mais aussi à la cuisson à la vapeur dans des marmites à double fond de plusieurs centaines de litres que l’on retrouve largement dans les chocolateries, les confiseries, et dans la restauration collective. On retrouve aussi les différents fours solaires, qui, comme le système étudié, utilisent l'énergie solaire pour fonctionner. Le principe de la majorité des fours solaires est de concentrer les rayons du soleil en un point à l’aide de réflecteurs tels qu'une parabole. On peut aussi trouver le four solaire fermé qui se compose d’une boîte fermée hermétiquement par une vitre qui laisse passer les rayons du soleil, ce qui a pour effet de faire monter progressivement la température de la boîte.

Les températures sont bien plus faibles dans la cuisinière étudiée (environ 140°C) tandis que la température d’un feu de bois varie entre 600 et 800°C, et la flamme du gaz est à 1850°C. Un tel niveau de température est totalement inutile, mais il n'y a pas vraiment d'alternative à une température moins élevée. 140°C est suffisant pour faire bouillir de l'eau à 100°, mais il faut faire attention à la maîtrise des pertes thermiques. La cuisson est donc forcément plus longue. Une des forces de ce système que nous ne développons pas ici est qu’il peut être utilisé pour de la stérilisation, ce que ne permettent pas tous les autres fours solaires. Cependant, il est également plus complexe à construire que d'autres fours solaires, ce qui incite à le mettre en commun.

IV. Enjeux et fonctions

Dans le contexte actuel de crise énergétique impliquant des pressions géopolitiques, la question de l’énergie prend une place centrale dans les problématiques du siècle. La cuisson représente 7,8% de la consommation finale pour le résidentiel en France en 2019 d'après EDF. La consommation résidentielle représente quant à elle 27% de la consommation finale d’électricité dans le monde. On peut estimer par un rapide calcul à 2% la part de la cuisson dans la consommation d’électricité finale en France.

C’est une part mince mais non négligeable pour autant, ce qui fait de la cuisson une problématique importante de la transition énergétique.

Pour s’inscrire dans la dynamique d’indépendance énergétique prisée dans le contexte géopolitique actuel, l’alternative d’une cuisson par l’énergie solaire offre une solution intéressante. Se nourrir est un besoin vital pour l’homme. Il est donc impossible d’imaginer une forte diminution de la consommation énergétique pour la cuisson. Un modèle plus réaliste serait un remaniement des sources énergétiques : passer des énergies fossiles aux énergies renouvelables. Celles-ci étant non périssables, disponibles sur l’ensemble de la planète et en général moins polluantes, elles seraient une solution à explorer pour répondre tant aux besoins de se nourrir et de gérer la crise énergétique. La gratuité apparente de l’énergie solaire contribue aussi à l’attractivité de la cuisinière solaire.

Un autre axe important est l’utilisation des matières premières dans la fabrication et la réparation de ces appareils. Un four solaire à caloducs peut être construit à partir de matériaux simples, facilement renouvelables. Comme l’utilisation des matières premières n’est ni coûteuse ni trop importante pour réduire considérablement les stocks mondiaux de ces matières, on peut parler de matières renouvelables. À la différence des appareils numériques d’aujourd’hui qui sont les principaux utilisateurs de métaux rares, le four solaire à caloducs utilise des ressources présentes en grande quantité sur le globe et facilement accessibles. Un outil fiable, utile et simple permet de faciliter l’accès à la cuisson et la stérilisation à de nombreuses populations.

Alors que la crise énergétique commence à peine à se faire sentir en France, certaines populations ont déjà du mal à cuire leurs aliments. C’est particulièrement le cas dans de nombreux pays en voie de développement : les cuissons sont réalisées dans des foyers ouverts, avec des rendements énergétiques extrêmement faibles. Ces cuissons mobilisent donc énormément de biomasse et rejettent de grandes quantités de fumées nocives proche des habitations.

L’utilisation de la chaleur reçue du Soleil apparaît donc comme une des alternatives à la biomasse, notamment en termes de pollution. Les rendements, a priori plus importants que ceux du feu de bois, vont également dans ce sens.

Il s’agirait alors de rendre accessibles ces installations, et c’est là l’un des enjeux d’une cuisinière solaire à caloducs. La sobriété et la simplicité du dispositif s’inscrivent à l’opposé de ce qui se fait aujourd’hui en matière d’installations solaires domestiques, plutôt de haute technologie. En effet, ce système qui ne nécessite pas d'électricité pour fonctionner, est, même avec des outils assez rudimentaires, plus facile à installer et à utiliser que les cuisinières électriques. L’énergie étant utilisée sous sa forme naturelle, il n’y a pas besoin de la transformer.

En revanche, cette low-tech amène aussi des contraintes dont il est essentiel d’avoir conscience et avec lesquelles il va falloir composer. Tout d’abord, l’énergie solaire ne se pilote pas : il faut être en extérieur, avoir une certaine exposition, faire varier l’orientation au cours du temps, et son abondance diffère dans la journée et dans l’année. Ces caractéristiques géographiques et météorologiques sont cruciales à prendre en compte. On ne cuit pas quand et où on veut. De plus, l’utilisateur n’a pas accès aux aliments lorsqu’ils sont dans le caisson isolé ce qui n’est pas dans les habitudes de la cuisine occidentale.

Par ailleurs, les installations de petite taille ne sont pas extrêmement intéressantes, l’idée d’une collectivisation semble plus adéquate puisqu’elle pourrait permettre d’avoir de meilleurs rendements à moindre coûts. Il s’agirait là véritablement de changer de modèle domestique (au moins le modèle occidental moyen). Cependant elle exigerait une entente au sein de la collectivité concernée afin d’en garantir l’accès équitable à tous les membres. Ainsi les enjeux de cette cuisinière solaire sont certes techniques mais également sociaux.

V. Organisation de l'équipe

Outils

Nous avons utilisé différentes plateformes interactives de rédaction comme Google Drive et HedgeDoc pour la rédaction du livrable. Notre communication est passée en grande partie par Messenger et par les commentaires sur le Drive ainsi que par mail (Zimbra, Gmail). Pour échanger avec les responsables de GEnEPI nous avons programmé un zoom à mi-projet afin de clarifier les attentes du livrable 1. Par ailleurs, nous avons illustré nos propos via des schémas réalisés sur Paint. En ce qui concerne les sources nous avons utilisé l’outil de mise en forme Zotero. Étant en GEn, nous avons effectué nos recherches sur Ecosia et Lilo.

Coordination

Nous avons effectué des réunions hebdomadaires les mardi de 14h à 18h avec l’ensemble du groupe GEnEPI en réservant des salles à la BMC. La rédaction du livrable a été répartie équitablement entre différents sous-groupes. Une fois la rédaction terminée, tous les membres du groupe ont relu individuellement le livrable avant d’effectuer une dernière relecture collective. Pour initier la rédaction chaque sous-groupe s’est réunit en amont des réunions communes. Nous avons, en dehors de la rédaction du livrable, distribué certains rôles afin d’améliorer l’efficacité de notre travail: responsable HedgeDoc, Communication, Organisation, Zotero et Illustration.

Bibliographie

  • « APTE-ASSO.ORG - Le solaire thermique ». Consulté le 25 octobre 2022. https://www.apte-asso.org/a-voir-ou-telecharger/consulter-nos-documents/solaire-thermique.

  • Techniques de l’Ingénieur. « Caloducs ». Consulté le 25 octobre 2022. https://www-techniques-ingenieur-fr.docelec.insa-lyon.fr/base-documentaire/tiabed-archives-froid-industriel/download/b9545/1/caloducs.html.

  • « Cuiseur micro gazéificateur — Low-tech Lab ». Consulté le 25 octobre 2022. https://wiki.lowtechlab.org/wiki/Cuiseur_micro_gaz%C3%A9ificateur/fr#Description.

  • « Fonctionnement et caractéristiques d’un four solaire | Atlas de la cuisine solaire ». Consulté le 18 octobre 2022. https://www.atlascuisinesolaire.com/fr/fonctionnement-et-caracteristiques-dun-four-solaire/.

  • « Four solaire : fonctionnement, avantages et inconvénients », 18 août 2019. https://www.econo-ecolo.org/fours-solaires/.

  • « GEDAE 2018 | CEFREPADE ». Consulté le 2 octobre 2022. https://www.cefrepade.org/gedae-2018/.

  • « La consommation d’électricité en chiffres | EDF FR », 31 août 2021. https://www.edf.fr/groupe-edf/espaces-dedies/l-energie-de-a-a-z/tout-sur-l-energie/l-electricite-au-quotidien/la-consommation-d-electricite-en-chiffres.

  • Solar Brother. « Les différents types de four solaire ». Consulté le 18 octobre 2022. https://www.solarbrother.com/bien-choisir-son-four-solaire/tout-savoir-sur-les-fours-solaires/.

  • Blog GEG, Gaz et électricité de Grenoble. « Quelle énergie choisir pour sa cuisson? », 28 mai 2019. https://vivonslenergieautrement.fr/quelle-energie-choisir-pour-sa-cuisson/.

  • Soleil-vapeur.org. « Capteur solaire thermique à vapeur à caloducs étagés », janvier 2016. https://soleil-vapeur.org/5-sommaires-et-pdf/caloducs.pdf.

  • « Cuisson et anthropologie ». Soleil-vapeur.org. Consulté le 25 octobre 2022. https://soleil-vapeur.org/5-sommaires-et-pdf/anthropologie.pdf.

  • « Cuisson : solaire quelques aspects humains ». PDF, février 2016. https://soleil-vapeur.org/5-sommaires-et-pdf/cuisson%20solaire%20-%20quelques%20aspects%20humains.pdf.

  • « L’effet d’échelle et ses ravages ». Soleil-vapeur.org. Consulté le 25 octobre 2022. https://soleil-vapeur.org/5-sommaires-et-pdf/effet%20echelle%20et%20ses%20ravages.pdf.

  • « Proposition de chauffage solaire d’appoint du type “à caloducs étagés” adapté aux hautes latitudes ». Soleil-vapeur.org. Consulté le 25 octobre 2022. https://soleil-vapeur.org/5-sommaires-et-pdf/proposition%20de%20chauffage%20solaire%20a%20caloducs%20pour%20hautes%20latitudes.pdf.

Membres du GEnEPI 1

  • Alekos Anastassiou
  • Reewa Andraos
  • Julien Biancucci
  • Thomas Breysse
  • Camille Cecchi
  • Joséphine Combe
  • Lucie Dumas
  • Savine Erler
  • Augustin Grandvaux
  • Damien Kraeutler
  • Antoine Meille