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Groupe 3 : Déshydrateur solaire

Membres

  • Claire HEBRARD
  • Solène CARON
  • Arthur GENIEYS
  • Alexandre LEROY
  • Samuel MASSE
  • Julien SALAS
  • Marie STINUS
  • Romain VAUDOIZET
  • Mar ALBIOL PEREZ
  • Elise BARBAULT
  • Carla BERTOIA

document de travail

Introduction

Obj2

Le rôle de l'ingénieur responsable ne se résume pas à la création de systèmes performants ou rentables, mais consiste avant tout à chercher des solutions allant vers le bien commun, réfléchies et durables. On peut ainsi imaginer des réponses au modèle économique différent, axées sur les low techs et accessibles au plus grand nombre, visant à répondre aux besoins fondamentaux que sont le logement, l'énergie ou encore l'alimentation. L'accès à une nourriture variée et durable est ainsi une des principales préoccupations de l'ONU (voir ODD[1], Objectifs de développement durable, "Zero Hunger"). La malnutrition touche en effet une personne sur trois[1], alors même que la population devrait atteindre 9,7 milliards d'humains en 2050[2]. Les enjeux touchent bien sûr à la répartition des richesses et aux habitudes alimentaires, mais la conservation est aussi un levier d'action, auquel se prêtent particulièrement bien les low techs. Les approches plus communes sont en effet difficilement appliquables sans accès à l'énergie, ou pour des populations aux plus faibles revenus, qui ont néanmoins ce même besoin. L'outil de conservation auquel nous nous intéresserons particulièrement dans cette étude est le séchoir ou déshydrateur solaire, une évolution low tech du séchage traditionnel.

Fonction

Un déshydrateur réduit l’humidité contenue dans un produit pour empêcher le développement de micro-organismes (moisissures, bactéries, levures…). Ainsi la déshydratation d’un aliment lui octroie une durée de conservation bien plus longue. Il est possible de sécher des fruits et légumes mais aussi des fleurs, des algues, de la viande etc. Différents systèmes permettent de sécher les aliments, dont le coût énergétique peut être endossé par des énergies de stock ou par du solaire. La plus ancienne méthode est le séchage solaire à l’air libre, qui consiste à exposer directement les aliments aux rayons solaires. Ce procédé a cependant des inconvénients: il est dépendant de la météo et les aliments peuvent être soumis à l’infestation d’animaux et insectes et donc à une possible contamination.

Différents types de déshydrateurs solaires ont donc été développés dans le but de surmonter ces incommodités. Avec les séchoirs solaires modernes, les aliments sont disposés dans un endroit clos et séchés par l’air qui y circule, lui-même réchauffé par l’énergie solaire captée. Ce système répond aux besoins de conservation et de protection du produit, tout en se montrant plus sobre en énergie. Ces séchoirs s’adressent principalement aux petits producteurs et agriculteurs.

Technique

Le déshydrateur solaire doit être capable de sécher les aliments sans les cuire afin de préserver leur qualité nutritionnelle. Ce dernier repose sur l'absorption de l'humidité présente dans les aliments par de l'air chaud qui passe entre ceux-ci. Bien qu'il existe plusieurs approches, il est toujours composé d’une enceinte de séchage où sont exposés les aliments, avec une entrée d’air (en bas le plus souvent) et une sortie d’air (en haut). La température de l’enceinte ne doit pas dépasser 50°C, sinon les aliments perdent leurs vitamines.

Le déshydrateur solaire utilise les rayonnements du soleil pour réchauffer l’air extérieur qui pénètre dans l’enceinte de séchage. Celui-ci voit sa pression de vapeur saturante augmenter avec la température et va alors avoir une humidité relative plus faible donc être plus sec et pourra absorber plus d’humidité. Lorsque l’air a atteint sa pression de vapeur saturante, il ne peut plus sécher les aliments et doit être renouvelé. Comme l’air chaud est moins dense que l’air froid, il va ressortir de l’enceinte (dont le toit est percé). La taille des trous nécessaires à l’aération a son importance: il faut que les insectes ne soient pas capables de rentrer.

Listons les types de déshydrateurs solaires: Dans un premier temps on distingue les déshydrateurs actifs et passifs:

Séchoir actif (à convection forcée) Séchoir passif (à convection naturelle)
entraîne la convection forcée de l’air chauffé aux étages supérieurs où est stockée la nourriture. Ce système nécessite un ventilateur (qui peut être alimenté par des panneaux solaires) ne met pas en jeu de ventilateurs mais utilise une cheminée pour conduire l’air chaud vers l'extérieur

On distingue également les déshydrateurs directs et indirects.

Séchage direct Séchage indirect
Les aliments sont directement exposés au rayonnement du soleil sous une plaque transparente. Les parois du séchoir (peintes en noir pour favoriser l’absorption des rayonnements) chauffent par rayonnement et transmettent leur chaleur à l'air dans l’enceinte par convection. Selon les conditions météorologiques, les aliments se dessèchent en une ou deux journées. Le système est divisé en deux zones: le capteur solaire et la chambre de séchage qui est un caisson isolant. Le capteur chauffe sous l’effet du rayonnement solaire. Il a pour but d’optimiser la hausse de température de l’air. Lorsque l’air est fortement chauffé dans le capteur, il monte par convection (naturelle ou forcée selon la nature du séchoir) dans la chambre de séchage où il entre en contact avec les aliments qui se dessèchent. De même, il est nécessaire de mettre en place un système de renouvellement de l’air.

Il existe également des séchoirs qui mixent séchage direct et indirect, appellés déshydrateurs mixtes. La chambre de séchage est optimisée pour la hausse de température et agit comme un séchoir direct associé au capteur solaire.

Figure 2: Tableau récapitualitf présentant les 6 combinaisons de techniques de séchage. Les flêches épaisses représentent le rayonnement solaire et les flêches fines le flux d'air dans le déshydrateur. Source: Historical Review and Recent Trends in Solar Drying Systems de Anil Kumar

Le capteur solaire est un caisson muni d'un toit en verre et d’une tôle métallique noircie au fond permettant de transformer l'énergie solaire en chaleur. La surface de ce collecteur dépend du climat, plus il fait froid plus il faut une surface importante. Il faut également que les rayons du soleil arrivent perpendiculairement à la plaque en verre du collecteur pour récupérer le flux thermique le plus important possible. Ainsi plus l’utilisateur se trouve près de l’équateur plus la boîte en bois devra se positionner à l’horizontale.

C’est dans le caisson isolant que seront disposés les aliments à déshydrater.

La durée de séchage varie d'une dizaine d'heures à 2-3 jours en fonction du degré d'humidité et de la radiation solaire.

Systèmes concurrents

Il existe de nombreuses façons de conserver les aliments. Ces dernières modifient plus ou moins leurs propriétés.

Technologies concurrentes qui utilisent la déshydratation

Pour conserver des aliments, le principe du déshydrateur solaire est déjà utilisé notamment dans l’industrie. La méthode est la même, mais l’énergie utilisée n’est pas la même à plus grande échelle: au lieu de fonctionner grâce au soleil, les séchoirs doivent être alimentés en électricité pour mettre en place un système de ventilation à air chaud. A titre indicatif, l’ordre de grandeur de la puissance d’un séchoir industriel de 25 m² est de 9kW [3] sachant que la durée necessaire de séchage varie entre 5 et 30 heures selon les aliments. Des séchoirs individuels électriques existent aussi, pour une puissance autour de 450W [4]. Le procédé de la salaison quant à lui diminue l’activité de l’eau comme le déshydrateur grâce à un bain de saumure ou du sel sec.

Autres méthodes de conservation de la nourriture

La méthode la plus courante de conservation des aliments se fait par le froid.

La congélation contribue à prolonger la conservation des aliments sur le long terme. Cette technique maintient également les qualités nutritionnelles et organoleptiques des aliments et permet de conserver. Cependant, lors de la décongélation d’un aliment, la hausse de température va provoquer l’accélération de la prolifération de bactéries qui ont résisté. Il y a donc un danger pour les aliments qui ne seront pas suivis d’une cuisson.

La réfrigération consiste à abaisser la température entre 0 et 4ºC pour prolonger la durée des aliments à court et moyen terme. Un frigo domestique a une puissance d'environ 200W [5] mais doit être constamment branché tout comme le congélateur ce qui représente un important coût énergétique.

La surgélation est très énergivore afin de rapidement abaisser la température des aliments à -18°C [6]. Il est également possible de conserver les aliments par le chaud. La stérilisation et la pasteurisation consistent à chauffer les aliments entre 85-100°C pour détruire les micro-organismes. L’appertisation (la mise en conserve), permet une conservation de longue durée conditionnée dans un récipient étanche et stérilisé. Les fortes températures ont toutefois tendance à dégrader les vitamines, goût ou aspect.

Les agents conservateurs et additifs représentent également une alternative efficace à la conservation des aliments. Ces substances sont ajoutées aux aliments pour améliorer leur conservation, réduire les phénomènes d'oxydation, colorer les denrées, renforcer leur goût. Leur emploi est cependant très réglementé pour prévenir les effets néfastes sur la santé.

Mise en perspective de tous les moyens de conservation

Même au niveau industriel et de la grande distribution la consommation d’aliments séchés n’est pas très répandue.

Figure 1: Part des fruits les plus consommés avec leurs moyens de conservation en 2014 aux Etats-Unis [7]

Figure 2: Part des légumes les plus consommés avec leurs moyens de conservation en 2015 aux Etats-Unis [8]

Sur ce graphique on peut voir qu’au niveau des légumes, les modes de conservation les plus répandus restent les boites ou la congélation. Même constat pour les fruits même si on peut remarquer qu’à chaque fois la consommation des aliments frais est la plus répandue.

La pluralité des techniques laisse peu de place pour les déshydrateurs solaires. En effet, le marché de la conservation des aliments est déjà saturé. L’insertion de la déshydratation solaire des aliments impliquerait un changement des comportements dans la façon de stocker ses aliments.

Enjeux

Pourquoi sécher les aliments?

Les aliments séchés peuvent se conserver six mois à un an dans un endroit sec et frais comme un garde-manger, ce qui est suffisant pour tenir jusqu’à la récolte suivante. En effet bon nombre de fruits arrivent à maturité de manière simultanée; sécher les aliments est donc un bon moyen d’éviter le développement de parasites et de garder pour plus tard ce que l’on ne peut ou ne souhaite pas consommer tout de suite. La conservation des qualités nutritives est aussi un enjeu majeur du stockage : la congélation, l’appertisation et la pasteurisation impactent les vitamines et l'aspect. Pour rappel, à haute température, les nutriments et plus particulièrement la vitamine C se dégradent à un rythme accéléré. Le séchage quant à lui permet de conserver une grande partie des vitamines et nutriments (sans être parfait sur la vitamine C).

Cependant tout n'est pas joué après séchage. La durée de conservation varie selon les conditions : la lumière, la présence d’oxygène, la température et l’humidité de l’air influent sur la dégradation des nutriments et le développement des bactéries ou autres organismes. Le temps de conservation peut ainsi dépasser dix ans dans des sachets sous vide. Reste aussi l'impact de l'import : même s'il est possible en toute saison de retrouver tous types de fruits et légumes en grande surface, cela repose entièrement sur l’importation de produits venant de très loin et parfois par avion. Ces importations représentent 70% des fruits et 30 % des légumes [9] consommés en France. Or, le fait de déshydrater les aliments pourrait permettre de conserver les fruits et légumes qui ne sont plus de saison et donc de garder une alimentation riche et variée toute l'année tout en consommant local.

Au delà de la conservation, le séchage est aussi un moyen de valoriser des rebuts, des produits invendables. C'est ainsi 10% [10] de la production annuelle d'un agriculteur qui pourraient être sauvés. Cela permettrait de limiter le gaspillage et les pertes alimentaires (un tiers des aliments destinés aux humains selon l'ONU [11]) et occasionnerait plus de bénéfices pour les agriculteurs.

Dans les pays émergents, la majorité des pertes alimentaires se font au stade post-récolte et de transformation des aliments, et elles sont en partie liées à un manque d'infrastructures de transport et de stockage. Or ces pertes seraient minimisées avec des aliments déshydratés, se conservant mieux et étant plus denses donc plus aptes au transport. En effet, sécher un fruit permet de réduire sa taille et donc d'en stocker une grande quantité plus facilement.

Pourquoi le séchage solaire?

Les principaux risques pour les nutriments lors du séchage sont l'exposition aux UV et les fortes températures. Les techniques modernes de séchage indirect permettent de maîtriser ces paramètres sans pour autant recourir à l'électricité. En effet, cette technique vise à capter l'énergie diffuse du soleil et la valoriser, elle est parfaitement renouvelable. A l'inverse, la plupart des méthodes de conservation des aliments utilisent de l'électricité ou d'autres énergies de stock.

Le séchage solaire est par essence une approche peu énergivore et peu coûteuse qui s'inscrit dans la lignée des “low techs”. Le principe est simple et le système à taille humaine. Il peut être installé par tout individu dans son jardin. Ainsi, il s'inscrit dans une démarche d'autosuffisance ce qui renforce la consommation locale. Les séchoirs se prêtent particulièrement au partage et à la réplication de par leur simplicité (pas d’électronique, aucune pièce spécifique, pas de pièces mobiles) et leur faible coût (3€ selon le lowtechlab). Ils sont robustes et réparables. Les communautés libres et lowtech mettent ainsi à disposition toutes les informations nécessaires à n’importe qui pour réaliser ce projet personnellement et le faire évoluer en apportant ses propres améliorations. C’est un modèle basé sur l’entraide et l'évolution. Ne nécessitant qu’un équipement de base, un séchoir peut être mis en place n’importe où dans le monde, et a fortiori dans des lieux reculés ou pour des populations ne disposant pas d’un accès à l’énergie.

Il est bon de nuancer en rappelant que l'incidence et le flux d'énergie solaire varient avec le temps, l'emplacement géographique et les conditions climatiques, ce qui entraîne une certaine intermittence dommageable en usage industriel. Un séchoir électrique, lui, peut pallier à ces désavantages. Pour surmonter cela, des systèmes de stockage d'énergie ou d'orientation du capteur peuvent être envisagés.

Organisation

Rôles

Au cours de la première séance, nous avons identifié les premiers rôles à attribuer pour le bon fonctionnement du projet (de nouveaux rôles vont sûrement être affectés au fur et à mesure des nouveaux besoins au cours du projet). Nous avons donc des responsables au niveau communication (interne pour le forum et externe pour la recherche de contacts/intervenants), bibliographique et de la gestion du Pad.

Coordination

Avant la première séance en autonomie, nous avons chacun effectué des recherches sur la low-tech étudiée. De cette manière, nous avons pu nous répartir en sous-groupes dès la première séance pour couvrir les thématiques du livrable, suivant les domaines qui nous avaient le plus intéressés pendant nos recherches individuelles (fonctions, techniques, concurrents et enjeux du système). Au cours de la deuxième séance, nous avons mis en commun les écrits de chacun et de chaque partie, et procédé à une relecture commune.

Outils

Nous avons créé pour chaque thématique du livrable 1 des « sous pad », dans lesquels nous avons rédigé nos parties respectives. Nous avons utilisé le logiciel Zotero ainsi que son extension pour la bibliographie.

Bibliographie / Sources

Technique: * [1] NA. « THE 17 GOALS | Sustainable Development ». Département des Affaires Économiques et Sociales, 25 octobre 2022, lien

  • [2] NA. « Deux milliards de personnes de plus sur la Terre en 2050, selon l’ONU | ONU DAES ». Département des affaires économiques et sociales, 17 juin 2019, lien

  • Joseph Chauffrey. Permaculture Design. 18 mai 2022, lien

  • NA. « Intra-science - Pourquoi les vitres sont-elles transparentes ? » Intra-science, 25 octobre 2022, lien

  • Spence, Nick. « 10 Best Solar Dehydrators in 2022 ». Spheral Solar, 17 décembre 2020, lien

  • Tristan Lebleu, Lebleu. « Séchoir solaire en serre, améliorant la vie des agriculteurs tout en réduisant le gaspillage de nourriture ». SOLARIMPULSE foundation, 25 octobre 2022, lien

  • Solar dehydrator — Appropedia. 25 octobre 2022, lien

  • Drying of foods (Practical Action Brief) — Appropedia. 25 octobre 2022, lien

  • « La déshydratation # 1 : les usages | Technique | 61°Degrés ». 61°Degrés - cuisine ordinaire, 25 octobre 2022, lien

  • Khaldi Souheyla Yahiaoui. Etude numérique du comportement thermique d’un séchoir solaire utilisant un lit thermique pour le stockage d’énergie. UBFC, 23 juin 2018, lien

  • « Humidité relative ». Wikipédia, 17 mai 2022, lien

Enjeux:

  • [9] LANDRIEU Julia. « Fruits et légumes, quelle place pour plus de « made in France » ? » Audanis, 18 novembre 2021, lien

  • [10] Jean Baptiste de la Torre. « Fruits et légumes moches: pourquoi la vente en supermarché a toujours été un échec ». LEFIGARO, 16 octobre 2019, lien

  • [11] Ishangulyyev, Rovshen, et al. « Understanding Food Loss and Waste—Why Are We Losing and Wasting Food? » Foods, vol. 8, no 8, juillet 2019, p. 297, lien

  • Patchimaporn Udomkun, et al. « Review of solar dryers for agricultural products in Asia and Africa: An innovation landscape approach - ScienceDirect ». Journal of Environmental Management, vol. 268, août 2020, p. (n° de pages non indiqué, mais article de 13 pages), lien

  • Chand, T., et al. « An Overview of Solar Energy and its Application in Solar Dryers with Brief Concept of Energy and Energy Analysis ». International Journal of Research, vol. 2, janvier 2015, p. 870‑77, lien

Systèmes concurrants:

  • [3] « Séchoir industriel alimentaire ST6-100 pour industrie agroalimentaire et coopérative agricole ». POLITEC technologies gourmandes, lien Consulté le 25 octobre 2022.

  • [4] « déshydrateur fruits et légumes 5 plateaux 450w - secco5ix - kitchen chef - inox ». ManoMano, lien Consulté le 25 octobre 2022

  • [5] Eloïse Chanvry. « [Guide] Comprendre la consommation électrique d’un frigo ». Hello Watt, 15 février 2022, lien

  • [6] Conservation des aliments : toutes les techniques. 7 décembre 2021, lien

  • [7] Marion Nestle. « What Fruits and Vegetables Do Americans Eat? More Charts from USDA ». Food Politics by Marion Nestle, 15 mai 2017, lien

  • [8] Potatoes and Tomatoes Are America’s Top Vegetable Choices. 6 mai 2018, http://www.ers.usda.gov/data-products/chart-gallery/gallery/chart-detail/?chartId=89173)

  • « Dried Fruit Market Size, Share | Global Industry Report, 2027 ». Grand View Research, 2018, lien

  • Rachael Link. « How to Dehydrate Food: Methods, Benefits, Tips, and More ». Healthline, 21 avril 2022, lien