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Livrable 1 : La cuisinière solaire à caloducs

Sommaire

I. Introduction

II. Système technique étudié

  • A) Principe du caloduc
  • B) Principe du système
  • C) Principe de la stérilisation
  • D) Systèmes concurrents

III. Enjeux locaux et globaux

  • A) Enjeux sanitaires et alimentaires
  • B) Enjeux sociaux et économiques
  • C) Enjeux techniques
  • D) Changement des mentalités et des modes de vie
  • E) Limites d'implémentation de la cuisinière solaire

IV. Organisation

  • A) Coordination
  • B) Rôles
  • C) Outils

V. Bibliographie

I. Introduction

Les conséquences du changement climatique deviennent de plus en plus visibles, et poussent à réduire les émissions de gaz à effet de serre d'origine anthropique. Les technologies dites low-tech (en opposition à high-tech), s'inscrivent dans une démarche en se concentrant sur des méthodes sobres et efficaces énergétiquement. La low-tech se présente comme une catégorie dans laquelle les produits, services, systèmes, répondent à des critères ayant pour but de développer un modèle de société plus durable et collectif [1]. La sobriété technologique, l'efficacité énergétique et de ressources, la pérennité sur différents cycles, la maintenabilité, l'accessibilité, l'autonomisation géographique, la simplification socio-économique sont notamment des critères pertinents à prendre en compte dans la démarche du développement des low-techs. [2] Vous trouverez dans ce document l'étude d'un produit tourné vers la sobriété énergétique et dont les caractéristiques semblent s'inscrire dans la low-tech. L'empreinte des différents critères décrits ci-dessus sera donc prise en compte lors de l'étude.\

II. Système technique étudié

A) Principe du caloduc

Un caloduc fonctionne en circuit fermé sur le principe de changement de phase (vaporisation-condensation) grâce à des phénomènes de gravité ou de capillarité. [3] Le caloduc est un très bon conducteur de chaleur. En effet, il permet de transmettre des flux de chaleur élevés, et ce, même si la température extérieure est dite faible. Il fonctionne en l'absence d'air ou de gaz. [4] Une source de chaleur vient chauffer un fluide caloporteur (généralement de l'eau). Celui-ci s'évapore ensuite et se recondense au contact de la paroi. Le transfert se fait alors par changement de phase et par gravité qui est facilité par une légère inclinaison du caloduc. Un caloduc a une durée de vie de 15 ans. [5]

B) Principe du système

La cuisinière solaire à caloducs a pour but de cuire et stériliser les aliments en chauffant un fluide à l'aide de l'énergie solaire. La cuisinière solaire est constituée de trois parties principales : - 18 caloducs de 180cm de long, entourés par des tubes en verre à double parois sous vide ; - Un collecteur : tuyau dans lequel l'eau est réchauffée au contact des caloducs ; - Un caisson dans lequel est posé un récipient contenant les aliments à stériliser.

Tout d'abord, le soleil (1), chauffe le caloduc (2). Ainsi, l'eau contenue dans celui-ci monte en température jusqu'à se vaporiser puis se condenser au contact de la partie haute du caloduc, plus froide. En effet, tant que la partie haute du caloduc a une température inférieure à 100°C, ce processus de vaporisation-condensation recommence. Le caloduc, entouré par un tube en verre à double parois sous vide, est appelé un capteur solaire (3). De ce fait, cet entourage en verre fonctionne comme un \"thermos\" permettant d'isoler thermiquement le caloduc. De plus, la partie haute du caloduc est de diamètre plus grand que la partie basse, ce qui permet d'augmenter la surface d'échange en contact avec le fluide qui passe dans le collecteur (4). Le stérilisateur étant composé de 18 caloducs, l'eau passant dans le collecteur se réchauffe progressivement au contact de ces derniers. Une fois la température de 100 °C atteinte, l'eau liquide se vaporise. Cette vapeur d'eau (5) est alors acheminée à travers un tuyau débouchant dans le caisson (6) du stérilisateur. La vapeur d'eau peut alors réchauffer le caisson dans lequel se trouve le récipient contenant l'aliment à stériliser. Une chaleur, supérieure à 100°C, est maintenue dans le caisson pendant 1h à 3h afin de stériliser les aliments contenus dans le récipient (7). Enfin, la vapeur provenant du tuyau se condense au contact des parois du récipient et du caisson. Elle s'écoule alors dans la seconde partie du tuyau (8) sous forme liquide jusqu'à atteindre le collecteur dans lequel l'eau liquide chauffe au contact des caloducs. Ce processus de vaporisation-condensation est effectué en circuit fermé, garantissant ainsi un fonctionnement permanent du système en présence de soleil.

C) Principe de la stérilisation

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. Il existe deux méthodes de stérilisation alimentaire : la première est la stérilisation simultanée du contenant et du contenu, et la deuxième est la stérilisation séparée suivie d'un conditionnement aseptique. [6]

Le principe de la stérilisation médicale est le même que celui de la stérilisation alimentaire. Ce processus suit une réglementation stricte disponible sur le site l'Omedit [7]. Il est également précédé d'un protocole sanitaire bien défini : une pré-désinfection et nettoyage des dispositifs suivi d'un premier rinçage permettant l'élimination des produits désinfectants, puis un nettoyage du dispositif dans un bain de détergent suivi d'un rinçage et d'un séchage. Tout appareil de stérilisation doit respecter les conditions de sécurité suivantes : présence d'un système d'élimination d'air (à l'aide d'une pompe) et avoir un système de maintien de température allant de 120 à 140 °C et pendant une durée de 18 à 20 minutes.

D) Systèmes concurrents

La stérilisation des bocaux alimentaires se réalise à l'aide d'un procédé simple : il suffit de faire bouillir de l'eau salée dans une casserole puis d'y ajouter les bocaux afin d'éliminer un maximum la présence de microorganismes. Une fois les bocaux désinfectés, on place la nourriture dans les différents bocaux en prenant soin de les protéger des chocs dans la casserole ou la cocotte-minute. On remonte ensuite le récipient à haute température pendant environ 1h30. [8]

Ce dispositif est d'autant plus efficace avec un autoclave, qui est une marmite à pression conçue spécialement pour la confection de conserves. Il permet d'atteindre des températures beaucoup plus élevées (>116°C), et est très utilisé en Amérique du Nord. Cependant, ce produit est peu répandu en France, à cause de nombreuses obligations légales. [9]

D'autre part la stérilisation des bocaux vides peut s'effectuer dans un four à micro-ondes ou électrique. Un usage alimentaire est également possible grâce à la méthode du bain marie dans un four électrique. [10][11]

Des systèmes low tech de stérilisation se développent actuellement tels que les tubes solaires et les fours solaires que nous analyserons dans le livrable 2.

III. Enjeux locaux et globaux

A) Enjeux sanitaires et alimentaires

Le stérilisateur à caloducs fonctionne à l'énergie solaire, induisant ainsi l'utilisation d'une énergie gratuite après acquisition de la technologie. Par conséquent, en fournir a des communautés touchées par la pauvreté leur permettrait de stériliser leurs denrées et ce, sans subir les contraintes de prix et de disponibilité de l'énergie. A titre d'exemple, à Nikki au Bénin, de nombreuses coupures d'électricité complexifient la stérilisation des équipements médicaux. Une organisation internationale a donc dû mettre en place des autoclaves solaires dans deux centres de santé de Nikki pour pallier à cela. [12]

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. Durant les pics de production par exemple, le système permet de faire des conserves de l'excédent de nourriture, évitant ainsi son gaspillage et permettant aux populations d'en disposer au cours des 12 à 18 mois suivants, notamment pendant les périodes où la nourriture est moins abondante.

B) Enjeux sociaux et économiques

Le stérilisateur solaire est également 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.

C) Enjeux techniques

Ce système utilise l'énergie solaire, non stockable contrairement au bois, ou au pétrole par exemple. Pourtant, l'énergie solaire est particulièrement adaptée à la cuisinière à caloducs. En effet, le stérilisateur solaire utilise des capteurs thermiques : il réalise donc peu de conversions énergétiques puisqu'on passe de l'énergie solaire à l'énergie thermique sans passer par l'énergie électrique, contrairement à un système utilisant des capteurs photovoltaïques [13].Le rendement est donc meilleur.

D) Changement des mentalités et des modes de vies

Utiliser des stérilisateurs solaires revient à utiliser l'énergie quand celle-ci est disponible, et non pas quand nous en avons besoin. Il faudrait donc s'adapter au rythme du soleil, en prévoyant à l'avance de commencer la stérilisation des aliments aux heures les plus ensoleillées de la journée par exemple.

De plus, de par sa taille, la cuisinière solaire est plus destinée à un usage collectif qu'à un usage individuel. La question de la propriété se pose alors. On pourrait imaginer que ce dispositif soit une propriété privée et que son utilisation devienne un service payant. La cuisinière pourrait également être une propriété commune et donc utilisée de façon partagée. La problématique réside alors dans la gestion de l'accès au dispositif. Qui serait prioritaire ? Comment se répartir l'accès à une ressource qui ne fonctionne pas en continu ? [13]

E) Limites d'implémentation de la cuisinière solaire : étude de cas dans le camp de Goudoubo au Burkina Faso

Dans le cadre de programmes d'aides aux réfugiés maliens et burkinabés, le Haut Commissariat des Nations Unies pour les réfugiés (UNHCR) a fait envoyer 500 cuisinières à caloduc dans le camp de Goudoubo au Burkina Faso. Cette technologie hybride, fonctionnant à l'énergie solaire et à l'huile, a été conçue pour répondre à la détresse énergétique de ces populations vivants dans une région n'ayant pas accès à l'électricité. En 2017, une étude a été menée sur place sur le suivi d'utilisation de cette technologie. Elle a pu mettre en évidence l'abandon quasi total des cuisinières solaires. Dans son rapport, Isabella Troconis Zampaloni met en exergue les différentes raisons [14], que nous détaillerons dans le prochain livrable, qui expliquent cet échec. Cet exemple met en évidence un problème récurrent où l'écart entre les besoins auxquels le produit a été conçu pour répondre, et les besoins réels des populations ciblées est trop importante. Les études prévisionnelles pour ce genre de projet sont donc primordiales pour assurer son efficacité.

IV. Organisation

Avoir une organisation claire au sein de l'équipe permet une meilleure répartition du travail et une meilleure efficacité.

A) Coordination

Afin d'avoir un suivi régulier de l'avancée du projet, nous nous retrouvons sur le créneau du mardi après-midi. La fréquence et durée des séances sont adaptées en fonction de la charge de travail. Pour préparer la séance, Serine se charge de réserver le matériel nécessaire (salles de travail, feutres, écrans...).

Pour que les objectifs soient clairs et que chacun sache ce qu'il a à faire, chaque séance commence avec une réunion rassemblant toute l'équipe. Florent fait un bilan de la séance précédente et rappelle les objectifs de celle qui suit. Chaque séance se termine par un bilan de l'avancée du projet. Ghita retranscrit par écrit les points essentiels abordés lors de chaque séance et liste les tâches réalisées au cours de celle-ci.

Après concertation avec le groupe 1, nous avons décidé de nous concentrer sur la fonction stérilisation de la cuisinière solaire à caloducs.

B) Rôles

Autant que possible, les tâches se font par binômes. Au fur et à mesure des recherches, Florent et Chloé sont chargés de faire le lien entre les différents binômes : ils ont une vision globale du projet et s'assurent de la cohérence de l'ensemble.

Chaque binôme rédige ensuite une partie du rapport en suivant les règles communes de rédaction et de présentation. Mathilda et Ghita relisent ensemble le rapport en s'assurant que les paragraphes s'enchaînent correctement et que le tout est écrit dans un français fluide et correct. Elles n'ont en aucun cas la responsabilité de corriger les autres membres du groupe, mais peuvent laisser des commentaires à l'avis des rédacteurs. Enfin, Serine s'assure que la mise en page globale soit bien respectée et Esteban vérifie que la bibliographie sur Zotero est à jour.

Esteban est également notre interlocuteur privilégié pour les échanges avec les autres groupes et les professeurs, que ce soit par mail ou par le biais du forum, et nous informe dès que possible.

C) Outils

Toutes les recherches, compte rendus de séances et brouillons de rédaction sont rédigés sur des pads recensés sur la gare centrale du groupe. Pour que chacun dispose de toutes les références utilisées, nous avons privilégié la création d'un compte Zotero commun. Enfin, le Nextcloud de LaMyne nous permet de partager des fichiers volumineux (images, enregistrements audios...) et de déposer les livrables. Esteban, ayant l'habitude de manipuler ces logiciels et de coder en HTML, aide toute l'équipe à se familiariser avec ces outils.

V. Bibliographie

  • [1] « Low-tech Lab -- Le manifeste du Low-tech Lab : pour un avenir low-tech ! » https://lowtechlab.org/fr/actualites-blog/le-manifeste-du-low-tech-lab (consulté le 18 octobre 2022).

  • [2] « Low-tech », Wikipédia. 10 octobre 2022. Consulté le: 18 octobre 2022. [En ligne]. Disponible sur: https://fr.wikipedia.org/w/index.php?title=Low-tech&oldid=197627058#cite_note-:1-14

  • [3] H. Ritchie, M. Roser, et P. Rosado, « CO₂ and Greenhouse Gas Emissions », Our World in Data, mai 2020, Consulté le: 18 octobre 2022. [En ligne]. Disponible sur: https://ourworldindata.org/emissions-by-sector

  • [4] « Caloducs : Dossier complet | Techniques de l'Ingénieur ». https://www-techniques-ingenieur-fr.docelec.insa-lyon.fr/base-documentaire/archives-th12/archives-froid-industriel-tiabed/archive-1/caloducs-b9545/ (consulté le 25 octobre 2022).

  • [5] « Échangeur à caloduc - Energie Plus Le Site ». https://energieplus-lesite.be/techniques/ventilation8/ventilation-hygienique/composants-de-la-ventilation/recuperateurs-de-chaleur/echangeur-a-caloduc/ (consulté le 25 octobre 2022).

  • [6]« Désinfection et stérilisation des instruments médicaux - Conseil santé ». https://www.pharma-gdd.com/fr/desinfection-et-sterilisation-des-instruments-medicaux (consulté le 25 octobre 2022).

  • [7]« Stérilisation ». https://www.omedit-grand-est.ars.sante.fr/sterilisation-0 (consulté le 25 octobre 2022).

  • [8] « Destruction des micro-organismes : stérilisation, pasteurisation - Équipements de stérilisation, pasteurisation ». https://tech-alim.univ-lille.fr/sterilisation/co/001_module_sterilisation_2.html (consulté le 18 octobre 2022).

  • [9] « Stérilisation des bocaux : comment faire ? », https://www.passeportsante.net/, 6 octobre 2022. https://www.passeportsante.net/nutrition/conseils-astuces?doc=steriliser-bocaux (consulté le 18 octobre 2022).

  • [10] « Conservation : comment stériliser / pasteuriser les fruits et légumes ? », écoconso, 7 août

  • https://www.ecoconso.be/fr/content/conservation-comment-steriliser-pasteuriser-les-fruits-et-legumes (consulté le 18 octobre 2022).

  • [11] « Les bocaux : mode d'emploi », Régal, 24 juin 2020. https://www.regal.fr/produits/placard/les-bocaux-mode-demploi-17567 (consulté le 18 octobre 2022).

  • [12] « Utiliser l'énergie solaire pour stériliser le matériel médical dans des centres de santé au Bénin », Fondation Veolia. https://www.fondation.veolia.com/fr/utiliser-l-energie-solaire-pour-steriliser-le-materiel-medical-dans-des-centres-de-sante-au-benin (consulté le 25 octobre 2022).

  • [13] « caloducs.pdf ». https://soleil-vapeur.org/5-sommaires-et-pdf/caloducs.pdf (consulté le 18 octobre 2022).

  • [14] I. Troconis, « The Broken Promise of Solar Cooking. The Case of Goudoubo Refugee Camp in Burkina Faso », Consulté le: 25 octobre 2022. [En ligne]. Disponible sur: https://www.academia.edu/35676803/The_Broken_Promise_of_Solar_Cooking_The_Case_of_Goudoubo_Refugee_Camp_in_Burkina_Faso


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