Intégration énergétique du procédé de blanchiment de légumes

Le plan d’action de la Commission Européenne visant à réduire la consommation d’énergie de 20 % à l’horizon 2020 se traduit, en partie, par l’amélioration de l’efficacité énergétique des procédés industriels. Dans l’industrie agroalimentaire, le blanchiment est une opération de traitement thermique indispensable pour la fabrication de conserves et de produits surgelés, et pour plusieurs types de légumes. L’objectif est de nettoyer les aliments, détruire des microorganismes et préserver des qualités nutritionnelles, organoleptiques et colorimétriques.

Pour cela, les produits sont chauffés à une température comprise entre 90 ◦C et 97◦C et refroidis pour éviter une sur-cuisson ou préparer une surgélation postérieure. Ces phases de chauffagerefroidissement sont aujourd’hui réalisées en continu et découplées énergétiquement. Pour traiter une tonne de légumes la consommation énergétique est évaluée à 250 kg de vapeur pour le chauffage, soit 162 kWh, et 13,2 kWh d’électricité pour le refroidissement. De part la nature et l’ampleur de ce traitement, concevoir un nouvel équipement industriel intégré représente une réelle opportunité d’économie d’énergie. En général, la mise en œuvre de l’analyse énergétique et exergétique des procédés aboutit sur la conception d’un réseau d’échangeurs de chaleur et sur l’intégration de cycles thermodynamiques et d’utilités adaptés. L’originalité de cette thèse est que la récupération de chaleur est réalisée sur des solides. Si le composant clef est l’échangeur thermique, comment le concevoir lorsque ses deux flux sont des débits de solides ? En outre, dans la réalité industrielle des exigences de qualité et d’opérabilité obligent les équipements et les utilités à être polyvalents et flexibles. Or, sur un procédé intégré, les composants et les utilités deviennent dépendants les uns des autres. Si une demande de puissance varie alors elle peut impacter l’ensemble de la chaîne énergétique. Comment alors concevoir simplement les équipements qui devront répondre à des besoins de puissance différents ?

Intégration énergétique du procédé de blanchiment de légumes

Bref aperçu du contexte mondial

Les deux révolutions industrielles ont ancré l’énergie au cœur du fonctionnement de nos sociétés. Depuis lors, les avancées techniques et technologiques ont conduit à un certain développement économique. Les conséquences réjouissantes peuvent être exprimées par plusieurs indicateurs comme l’accroissement de l’espérance de vie ou encore du produit intérieur brut. Parallèlement d’autres paramètres ont également augmentés : la température moyenne du globe et la quantité de gaz à effet de serre dans l’atmosphère. Les hypothèses d’hier se confirment aujourd’hui : le deuxième volume du rapport nO5 du GIEC affirme qu’il est “extrêmement probable” que le réchauffement climatique soit la conséquence d’activités humaines puisque la probabilité estimée est supérieure à 95 %. De plus, l’épuisement des réserves d’énergie fossile et l’augmentation de leur coût obligent les États à réduire leur dépendance en hydrocarbures. C’est particulièrement le cas pour les pays de l’Union Européenne qui n’en disposent pas sur leur propre sol et se voient obligés d’en importer au prix fort. C’est sur cette ligne de crête que l’industrie raisonne sa consommation d’énergie. À l’heure de l’énergie plus chère et de la volonté de réduire les émissions de carbone dans l’atmosphère, l’efficacité énergétique peut devenir une véritable chance et un avantage compétitif renforçant la viabilité de tout projet industriel.

L’efficacité énergétique dans l’industrie

L’efficacité énergétique est définie, en première approche, comme l’art de confectionner le même produit ou service en minimisant la consommation énergétique. Elle est un des trois piliers du plan Énergie-Climat proposé par la Commission Européenne en janvier 2008 [8], afin de réduire l’impact des activités de l’homme sur son environnement, et en particulier sur le climat. Ainsi ce plan, appelé également “plan des 3 fois 20” repose sur les trois objectifs suivants à tenir d’ici 2020 par rapport aux niveaux de 1990 :
– réduire de 20 % l’émission de gaz à effet de serre ;
– augmenter de 20 % l’efficacité énergétique ;
– introduire à hauteur de 20 % la part des énergies renouvelables dans le mix énergétique.

En 1973, l’industrie (sidérurgie comprise) pesait près de 36 % de la consommation d’énergie totale de la France, figure 1.1. En 2013, elle représente une part de 21 %. Il est à noter que cette baisse significative est en partie due à une diminution de la  consommation énergétique de l’industrie, 48 à 32 millions de tonnes d’équivalent pétrole (Mtep), mais surtout à une augmentation de la consommation dans le secteur du transport qui passe de 26 Mtep à 49 Mtep sur la même période [1].

Les entreprises publiques ou privées d’Europe sont, depuis les années 1990, entrainées à minimiser leurs dépenses énergétiques. Les raisons sont multiples : respect des cadres légaux de plus en plus contraignants, intérêt à s’affranchir d’un coût grandissant, volonté de véhiculer une image positive (particulièrement vrai pour les entreprises publiques). Ainsi les gains en efficacité énergétique dans les pays développés s’accroissent et viennent principalement de l’industrie [9].

La consommation d’énergie dans l’industrie agroalimentaire

En France, l’industrie agroalimentaire (IAA) représente, en 2009, 14 % de la consommation énergétique totale de l’industrie (figure 1.2). Elle est ainsi le troisième secteur le plus consommateur après la chimie (26 %) et la sidérurgie (16 %).

Il existe une grande disparité dans les consommations d’énergie en fonction des secteurs des IAA.À titre d’exemple on constate que la fabrication de produits amylacées (malt, farine, boulangerie etc.) consomme jusqu’à 60 000 tep par établissement, tandis que l’industrie du poisson va consommer 300 tep par établissement [10]. Outre les aspects transports et distribution, l’IAA a besoin d’énergie pour transformer ses produits dans ses procédés. Une grande part de sa consommation est également due à la nécessité de préserver ses produits dans des chambres froides et autres réfrigérateurs. Les procédés de transformation des légumes, se prêtent bien à l’objectif de la haute efficacité énergétique. La figure 1.3 montre un schéma simplifié de l’évolution en température de légumes traversant plusieurs équipements. Les légumes sont soumis à des traitements thermiques de chauffage et de refroidissement successifs dans la même plage de températures. Ces opérations, effectuées dans une même usine, permettent l’implémentation de réseaux d’échangeurs de chaleur et de cycles thermodynamiques.

Le procédé de blanchiment aujourd’hui 

Objectifs du blanchiment

Le blanchiment est une opération de traitement thermique indispensable dans certains procédés de transformation des fruits et légumes. Elle consiste à chauffer les produits jusqu’à une température généralement comprise entre 90◦C et 97◦C et à les y maintenir pendant un certain temps. Ce traitement a pour objectifs :

– la destruction de certaines enzymes comme la peroxydase [11] ;
– la préservation de qualités nutritionelles, organoleptiques et de colorimétrie [12] ;
– l’élimination de gaz occlus dans les tissus alimentaires ;
– l’élimination de traces d’engrais et de produits chimiques ;
– l’attendrissement de la texture du légume [13].

On peut observer sa place dans le procédé de mise en conserve des haricots verts [14] sur la figure 1.4. Elle est, en général, le premier traitement thermique considérable que subit le légume. Représentant 30 % à 40 % de la consommation énergétique du procédé, elle est, avec la stérilisation, l’opération unitaire la plus consommatrice. Suivant les procédés considérés le blanchiment peut être suivi d’un refroidissement afin d’éviter une sur-cuisson détériorant certaines qualités du produit et/ou pour préparer une éventuelle surgélation. Aujourd’hui, dans les procédés traditionnels, cette phase de refroidissement est découplée de celle du chauffage. Ainsi de l’énergie est consommée pour :
– préchauffer le produit initialement à température ambiante jusqu’à la température de blanchiment (90◦C – 97◦C) ;
– maintenir le produit à cette température ;
– refroidir le produit à des températures pouvant varier de 5◦C à 55◦C.

Les contraintes et difficultés

L’amélioration de la performance énergétique d’un procédé de blanchiment est confrontée à plusieurs contraintes imposées par le légume lui-même. En effet, les exigences de qualité du produit imposent au minimum :
– un débit d’eau ajusté pour nettoyer suffisamment le produit tout en le préservant d’un phénomène de lessivage ;
– un temps de blanchiment contrôlé qui va permettre la destruction des microorganismes sans sur-cuire le produit [15] ;
– une maîtrise de l’encrassement des organes traversés par de l’eau chargée. En effet, l’eau entrant en contact avec les légumes se charge en impuretés et en matières organiques, cette eau peut générer du biofilm dans les équipements [16]. L’illustration 1.5 montre une eau chargée de matière organique circulant dans un blancheur. En plus de provoquer une diminution des performances des échangeurs voire leur colmatage, l’encrassement biologique peut engendrer une contamination des légumes.

D’autre part, comme tout procédé où les entrées sont des matières premières, les légumes ont une certaine hétérogénéité. Ainsi un même lot de légumes est composé de produits qui auront différentes dimensions et propriétés thermophysiques. D’autre part, les procédés de transformation des légumes sont globalement continus mais les équipements peuvent être approvisionnés par un débit de produits fluctuant. La figure 1.6 montre le débit massique de légumes d’un blancheur pendant une journée de production. Pour ces raisons, les solutions énergétiques adoptées doivent avoir une certaine flexibilité pour s’adapter à des besoins énergétiques variables.

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Table des matières

Introduction générale
1 Intégration énergétique du procédé de blanchiment de légumes
1.1 Objectifs et enjeux
1.1.1 Bref aperçu du contexte mondial
1.1.2 L’efficacité énergétique dans l’industrie
1.1.3 La consommation d’énergie dans l’industrie agroalimentaire
1.2 Le procédé de blanchiment aujourd’hui
1.2.1 Objectifs du blanchiment
1.2.2 Les contraintes et difficultés
1.3 Analyse de la technologie existante
1.3.1 La technologie de référence : blancheurs-refroidisseurs à aspersion
1.3.1.1 Présentation de la technologie
1.3.1.2 Consommation énergétique d’un blancheur actuel
1.3.1.3 Consommation exergétique d’un blancheur actuel
1.3.2 Autres techniques et technologies existantes
1.3.2.1 Blanchiment par immersion
1.3.2.2 Blanchiment par utilisation de vapeur d’eau
1.3.2.3 Blanchiment par résistance ohmique
1.3.2.4 Blanchiment par micro-ondes
1.3.2.5 Conclusions des différentes techniques et technologies existantes
1.3.3 Blancheur-refroidisseur intégré
1.4 Intégration énergétique et exergétique des procédés
1.4.1 Énergie et exergie minimales requises
1.4.1.1 L’énergie minimale requise
1.4.1.2 L’exergie minimale requise
1.4.2 La méthode du pincement (Pinch analysis)
1.4.3 Récupération de chaleur
1.5 Conception du schéma de procédé de blanchiment intégré
1.5.1 Étude théorique à partir des besoins des légumes
1.5.2 Conception d’un schéma de procédé efficace
1.5.2.1 Courbes composites et solution idéale
1.5.2.2 Échange légumes/légumes interdit
1.5.2.3 Le circuit d’eau doit être ouvert
1.5.2.4 Le débit d’eau est imposé
1.5.2.5 Toute puissance transférée au légume est réalisée par contact avec l’eau
1.5.3 Choix des utilités
1.6 Conclusion du chapitre
2 Représentation des échangeurs légumes/eau
2.1 Introduction
2.2 Les transferts thermiques légumes/eau
2.2.1 Comment modélise-t-on un légume ?
2.2.2 Éléments de thermique
2.2.2.1 Équation de la chaleur
2.2.2.2 Le nombre de Biot
2.2.2.3 La solution de l’équation de la chaleur
2.2.3 Coefficient d’échange
2.2.3.1 Paramètres influençant le coefficient d’échange thermique
2.2.3.2 Corrélations
2.2.3.3 Techniques expérimentales usuelles
2.2.3.4 Estimation de paramètres par méthode inverse
2.2.4 Modélisation d’échangeurs avec des légumes
2.2.4.1 Modèles très globaux
2.2.4.2 Milieux poreux
2.2.4.3 Modèles CFD
2.2.4.4 Modèles mixtes
2.3 Modélisation des échangeurs
2.3.1 Hypothèses génériques
2.3.2 Légume seul
2.3.3 Lit fixe
2.3.4 Contre-courant
2.3.5 Courants croisés
2.4 Utilisation des modèles
2.4.1 Correspondance entre le temps et l’espace
2.4.2 Contre-courant
2.4.3 Courants croisés
2.5 Expérimentations
2.5.1 Description des expériences
2.5.2 Méthodologie d’exploitation
2.5.3 Résultats
2.5.3.1 Le haricot rouge en immersion
2.5.3.2 Résultats sur l’ensemble des légumes et des modalités
2.6 Conclusion du chapitre
3 Flexibilisation de la thermo-frigo-pompe initiale pour répondre à des demandes de puissance variables
3.1 Position du problème et théorie
3.1.1 Problématique
3.1.2 Augmenter la flexibilité d’une solution intégrée
3.1.3 Degrés de liberté
3.1.3.1 Notions de degré de liberté
3.1.3.2 Méthodes systématiques
3.2 Méthodologie et limites de l’étude
3.2.1 Méthodologie
3.2.2 Points de fonctionnement nominaux
3.2.3 Les quatre solutions étudiées
3.2.3.1 Solution couplée : TFP
3.2.3.2 Solution découplée : PAC + GF
3.2.3.3 Solution couplée partiellement : système de refroidissement puis système de chauffage
3.2.3.4 Solution couplée partiellement : système de chauffage puis système de refroidissement
3.3 Modélisation globale des systèmes
3.3.1 Pompe à chaleur mono-étagée
3.3.2 Pompe à chaleur en cascade à deux étages de compression
3.3.3 Les quatre solutions
3.4 Calcul d’une pompe à chaleur en utilisant des modèles de composants
3.4.1 Modèle d’une PAC
3.4.1.1 Compresseur
3.4.1.2 Détendeur
3.4.1.3 Échangeur de chaleur
3.4.1.4 Réservoir de liquide
3.4.1.5 Discussion sur le système
3.4.2 Pompe à chaleur en cascade à deux étages de compression
3.4.3 Variables de dimensionnement
3.4.4 Optimisation d’une PAC
3.5 Choix de la meilleure solution grâce aux modèles globaux des pompes à chaleur
3.6 Variation des puissances calorifique et frigorifique sur des solutions déjà dimensionnées
3.6.1 Procédure générale de l’étude
3.6.1.1 Objectifs
3.6.1.2 Dimensionnement initial par optimisation de chacune des solutions étudiées
3.6.1.3 Hypothèses pour simuler des variations de puissance
3.6.1.4 Critères de comparaison : faisabilité et performances exergétiques
3.6.2 Variation de la demande de puissance calorifique
3.6.3 Variation de la demande de puissance frigorifique
3.7 Conclusion du chapitre
Conclusion générale

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