Pour comprendre le fonctionnement d’une machine revenons aux bases. Un espresso doit être extrait selon les caractéristiques suivantes :
- Une pression d’extraction de 9 bar
- Une stabilité thermique tout au long des 30 secondes d’extraction
- De la vapeur puissante pour faire mousser du lait afin de réaliser des boisson type Latte ou Cappucino
La pression d’extraction est facilement atteinte avec la technologie actuelle en utilisant des pompes à vibration ou rotative et les seules innovations de ce coté se situent dans l’ajustement de la pression en cours d’extraction selon un profil défini (pressure profiling) afin d’optimiser l’extraction.
La stabilité thermique est par contre plus difficile à atteindre car les machines sont des systèmes thermodynamique complexe ayant beaucoup d’inertie et cette stabilité est recherchée en cours d’extraction mais aussi d’une extraction à l’autre, la machine doit être capable de fournir des résultats constants et précis.
La fourniture de vapeur entre deux extractions d’espresso complexifie d’autant plus la conception technique de la machine.
Voici les différente technologie qui permettent d’atteindre ces objectifs (pression et stabilité thermique) :
Fourniture de la pression
- Pompe à vibration : Ce sont les plus commune et les moins chère à fabriquer, le principe est celui d’un piston qui vibre rapidement sous l’effet d’un champ electromagnétique. La pression de sortie est de 15 bar et une soupape de surpression est toujours placée à la suite afin de réduire la pression aux alentours de 9 bars. Dans certaines machine cette soupape est réglable ce qui est un plus pour ceux qui souhaitent pouvoir modifier la pression afin optimiser l’extraction.
La pompe à vibration la plus commune est de marque ULKA Serie E5
Vidéo qui montre le fonctionnement de la pompe - Pompe rotative : Le principe de fonctionnement est celui d’un moteur qui fait tourner un rotor à aube afin de fournir la pression nécessaire. Le moteur qui enraine le rotor tourne à environ 1500 tours par minute pour 16 bar de pression maximum. Certaines pompe rotative sont équipée d’une soupape de surpression réglable intégrée.
La pompe rotative commune est de marque Fluid-o-tech - Pompe manuelle : C’était le seul moyen de fournir de la pression avant les pompe électrique sur le principe du levier. Il faut distinguer deux type de pompe manuelle, celles qui ont un système de ressort qui permet de multiplier l’effort et d’appliquer une pression plus constante (on compresse le ressort avec le levier et c’est la détente de ce dernier qui fourni la pression) et celles qui n’en n’ont pas et ou l’effort à fournir est plus important.
Il n’y a aucune différence en tasse entre une machine avec pompe à vibration ou pompe rotative. La pompe rotative est juste plus robuste dans le temps, un peu plus silencieuse et peut être branchée sur un réseau d’eau domestique. C’est pour cela qu’on retrouve ces pompe rotative sur les machines de type professionnelles.
En coût de composants, la pompe à vibration est à environ 20€ et une pompe rotative dans les 150€
La pompe manuelle propose une autre expérience que les pompes électriques et elles nécessitent un certain temps d’apprentissage avant de pouvoir bien s’en servir. Elles sont plus adaptée pour des extraction de type ristretto.
Stabilité thermique
C’est le coeur des innovations technique dans la conception des machines espresso !
Les enjeux de la stabilité thermique sont de produite une eau chaude à température stable et d’emmener cette eau au contact du café moulu via ce que l’on appelle un groupe d’extraction.
Tout d’abord la production d’eau chaude peut se faire selon deux principes :
- Avec un élément chauffant immergé dans l’eau à l’intérieur d’une chaudière un peu comme une bouilloire électrique. La chaudière peut être en aluminium, acier inoxydable ou laiton. Le meilleur matériaux étant le laiton qui offre une plus grande inertie thermique et est plus résistant à la corrosion.
- Avec un échangeur thermique où l’eau fraîche passe dans un tube à l’intérieur d’une masse métallique (thermoblock) chauffée électriquement ou bien dans un grand volume d’eau en ébullition (principe du bain marie).
Le thermoblock est réputé pour être la solution low-cost et peu fiable car l’eau passe dans un serpentin entre deux masses métallique vissées entre elles et le tout peut s’entartrer rapidement.
Les paramètres les plus importants sont la stabilité et la précision thermique tout au long de l’extraction
L’avantage de la chaudière est de chauffer l’eau directement de manière stable et précise si elle est équipée d’un contrôle électronique de température (le fameux PID) l’inconvénient est le temps de convergence à la température voulue à cause de l’inertie thermique du système.
L’avantage de l’échangeur thermique est de fournir de l’eau fraîche chauffée à la demande et une convergence thermique rapide, son inconvénient est de ne pas être précis dans la température car l’eau est chauffée indirectement en fonction du temps de contact avec l’autre masse de chaleur et de sa température de départ.
La production de vapeur est une autre différence majeure entre les systèmes à chaudière ou à échange thermique. Dans le cas de l’échangeur thermique, le plus grand volume d’eau est toujours en ébullition et fourni donc de la vapeur en continu, il est donc possible d’avoir de la vapeur et de faire une extraction d’espresso en même temps. Pour la chaudière il faut attendre quelques minutes que la température monte l’eau en ébullition puis attendre de nouveau qu’elle redescende pour enchaîner sur une extraction d’espresso. Le meilleur des deux mondes c’est donc les machines double chaudières : une pour l’espresso et l’autre pour la vapeur !
La production d’eau chaude stable et précise n’est que la première étape, il faut que cette eau reste stable au moment du contact avec le café dans le porte filtre. L’enjeux est de maintenir le groupe (qui est une grande pièce de métal) à une température stable. Pour cela il existe principalement 3 méthodes :
- Visser le groupe directement sous la chaudière, c’est la conductivité thermique du métal qui assure la stabilité : groupe accouplé
- Remplir le groupe avec l’eau chaude provenant directement de la chaudière : groupe saturé
- Utiliser le phénomène de thermosiphon qui consiste à faire circuler continuellement l’eau dans le groupe : groupe E61
On peut aussi trouver une 4ème méthode qui consiste à chauffer le groupe avec une résistance électrique mais ce procédé n’est pas très utilisé, on le trouve surtout dans quelques machines Bezzera.
La méthode la plus simple et d’accoupler le groupe mais cela limite la taille de la chaudière car étant vissée sur le groupe elle ne peut être trop haute avec en général environ 250mL de contenance. Pilotés par un contrôleur de température électronique (PID), ces groupe sont d’une redoutable efficacité.
Les groupes saturés sont présents dans les machines haut de gamme comme les Marzocco GS/3 (GS pour Gruppo Saturo), il offrent une très grande stabilité et répétabilité et peuvent être donc reliés à des chaudière de très grande capacité.
Le fameux groupe E61 est un des seuls à utiliser le principe du thermosiphon pour garantir la stabilité thermique et sa masse (4kg) contribue aussi a l’inertie thermique. On le retrouve souvent sur les machines à échangeur thermique mais il fonctionne tout aussi bien sur des machine à chaudière simple. Le groupe E61 fourni une mise en pression graduelle qui a pour effet de faire une pré-infusion manuelle du café pendant quelques secondes avant son extraction. Son grand inconvénient est sa relative instabilité thermique ce qui nécessite de faire un « flush » afin de faire retomber la température de l’eau à un niveau correct avant de lancer l’extraction. La durée du flush permet de cibler la température voulue d’extraction.
Dernier point technique à mentionner : le mécanisme de « valve à 3 voies » qui permet de choisir le chemin que va emprunter l’eau depuis le groupe d’extraction, soit vers la chaudière sous pression ou bien vers le bac de récupération d’eau à atmosphère ambiante. Cela permet de dépressuriser rapidement le portefiltre en fin d’extraction et expulser l’eau résiduelle ce qui fait une galette de café plus sèche. Ce mécanisme est réalisé par une valve à solénoide 3 voies commandée électriquement ou bien par un système mécanique comme dans le groupe E61: le levier en position basse active une soupape qui met le groupe à pression atmosphérique vers le bac à récupération et le levier en position haute active la soupape vers la chaudière.
