Chauffage ohmique

La conductivité électrique d'un produit augmente, de manière générale, linéairement avec la température. Cela s'explique par l'augmentation de la mobilité des ions en solution, et s'observe toujours pour des solutions salines. Il est donc important de toujours prendre en compte la température d'une solution lors de la mesure de sa conductivité électrique. Un facteur de correction est à appliquer si la température de mesure diffère de la température de référence (généralement 25 °C), comme par exemple dans le cas du chlorure de sodium (KCl) dont les valeurs du coefficient de correction sont données par la norme AFNOR NF EN 2788[5].

Pour tout produit ne subissant pas de changement d'état ou de changement de texture, la relation linéaire de la conductivité électrique avec la température peut s'écrire sous la forme ${\displaystyle \sigma (T)=\sigma _{ref}[1+m_{ref}(T-T_{ref})]}$[6], avec

• ${\displaystyle \sigma _{ref}}$ la conductivité électrique du produit à une température de référence,
• ${\displaystyle m_{ref}}$ une constante (°C^-1) dépendante de la température et pouvant s'écrire sous la forme ${\displaystyle {\frac {a}{1+aT_{ref}}}}$,
• et ${\displaystyle T_{ref}}$ la température de référence (°C).

Il est possible de modifier la conductivité électrique d'un produit alimentaire par sa formulation, dans le but d'obtenir une montée en température précise. Par exemple, l'ajout de composés ioniques (sels tels que NaCl ou acides par exemple) permettront d'augmenter la conductivité électrique d'un produit, et donc la vitesse de montée en température. À l'inverse, l'ajout de lipides ou de sucre diminueront sa conductivité électrique et réduiront sa vitesse de montée en température.

La montée en température en chauffage ohmique est dépendante de la conductivité électrique du produit, et en l'absence de transferts de chaleur vers l'extérieur et sous une tension constante, elle peut s'écrire sous la forme ${\displaystyle {\frac {dT}{dt}}={\frac {\sigma (\nabla V)^{2}}{\rho C_{p}}}}$, avec

• ${\displaystyle {\frac {dT}{dt}}}$ la dérivée de la température par rapport au temps,
• ${\displaystyle \nabla V}$ l'intensité du champ électrique (V/m),
• ${\displaystyle \rho }$ la masse volumique (kg/m³),
• et ${\displaystyle C_{p}}$ la capacité thermique (J⋅kg⁻¹⋅K⁻¹).

Par intégration, on se rend alors compte que la température au cours du temps augmente de façon exponentielle pour une tension constante.

Les avantages du chauffage ohmique sont nombreux.

Tout d'abord, c'est une technologie de chauffage volumique, à l'image du chauffage par micro-onde ou radiofréquences, ce qui signifie que la génération de chaleur se fait au sein du produit lui-même et n'est pas apportée par un média extérieur, limitant les gradients de température. L'homogénéité de la température au sein du produit ne dépend donc que de l'homogénéité de sa conductivité électrique, et de la qualité de l'isolation thermique.

En raison de ce chauffage volumique, les phénomènes d’encrassement dus à une surchauffe ponctuelle sont limités. Ces encrassements se rencontrent souvent en traitement thermique, à proximité des parois lors d'utilisation d'échangeurs, et sont généralement le résultat des réactions de Maillard.

L’installation fonctionne dans le silence, l'énergie étant apportée par le courant électrique au-travers d'électrodes.

La puissance de chauffage est entièrement contrôlable, en régulant la tension utilisée. De même, l’inertie thermique est nulle : sitôt l'alimentation électrique coupée, la génération de chaleur stoppe[9]. Ainsi, il est possible d'atteindre des vitesses de montée en température importantes, en théorie non limitées, mais généralement de l'ordre de 1 à 10 °C/s.

L’efficacité énergétique est plus élevée que la plupart des autres procédés : on considère généralement que le rendement de conversion de l'électricité en énergie thermique est supérieur à 90 %, et une bonne isolation thermique pour limiter les pertes de chaleur permet donc d'obtenir des rendements élevés[10].

Enfin, il existerait des effets non thermiques encore peu étudiés dus au champ électrique, qui favoriseraient l’élimination de bactéries/spores ou la désactivation d’enzymes. Ces effets ne seraient pas seulement dus à la chaleur engendrée mais également au phénomène d’électroperméabilisation, qui correspond à une perméabilisation temporaire de la membrane plasmique de cellules vivantes.

Les inconvénients principaux sont la grande variabilité au sein des propriétés électriques de différents aliments, voire au sein du même produit. Ces différences de conductivité électrique peuvent alors mener à un chauffage hétérogène (au sein d'un même produit), ou à une difficulté à standardiser un protocole de chauffage pour différents produits. Au sein d'un même produit, une hétérogénéité de la conductivité électrique (un produit poreux par exemple) soumis à un champ électrique important peut mener à une déformation des champs électriques autour des zones de moindre conductivité et à l'apparition de gradients de température importants. A très haute tension, des arcs électriques peuvent se former.

Le suivi du chauffage nécessite également un monitoring complexe, en raison des paramètres à contrôler (tension, intensité, conductivité électrique, distance entre les électrodes, épaisseur des électrodes et surface des électrodes, matériau utilisé, électrolyse/réactions faradiques...).