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Install Magazine 1000 – octobre 2024
Cylces de pompe à chaleur transcritique pour applications industrielles
Une étude gantoise cartographie les fluides de travail potentiels
La décarbonation de la chaleur industrielle reste un défi important pour la transition énergétique. Si on devait remplacer les combustibles fossiles par des pompes à chaleur, cela se traduirait par une réduction considérable des émissions, y compris avec le mix énergétique actuel. C’est pourquoi les recherches relatives à des cycles de pompe à chaleur pour des températures d’émission allant jusqu’à 200°C battent leur plein. Ce niveau de température représente en effet environ un quart de la demande de chaleur industrielle en Europe. Les systèmes transcritiques affichent un grand potentiel en la matière. Une équipe de chercheurs de l’UGent a développé un modèle d’optimisation qui permet la sélection de fluides actifs (ou de travail) pour des cycles de pompe à chaleur transcritique, et ce pour divers processus industriels à hautes températures.
Le potentiel des systèmes transcritiques
Dans un cycle subcritique classique, la majeure partie de l’énergie est fournie à la température de condensation du fluide actif. Les cycles transcritiques affichent par contre une évolution de la température graduelle dans le refroidisseur. Cela correspond mieux aux besoins des applications industrielles, qui nécessitent souvent une grande différence de température. La plupart des systèmes transcritiques actuels fonctionnent au CO2. Ce dernier possède toutefois une plage de températures qui convient moins aux applications industrielles. La température d’émission reste effectivement limitée à environ 120°C. Diverses expériences ont toutefois démontré que des températures plus élevées pouvaient être atteintes avec d’autres fluides de travail.
Modèle de calcul avec optimisation
Afin d’évaluer le potentiel des divers fluides actifs, l’équipe de chercheurs de l’UGent dirigée par Elias Vieren a développé un modèle de calcul avec fonction d’optimisation. Ce modèle permet de comparer les performances de différentes matières pour trois applications industrielles courantes : réchauffement de l’huile thermique, séchage avec de la vapeur surchauffée et séchage par pulvérisation. La différence de température au niveau des émissions est respectivement de 60 K, 81 K et 105 K. Le modèle a été utilisé sur les fluides dans la base de données REFROP 10.0, dont la fonction d’optimisation adapte les paramètres de fonctionnement (au sein des limites de l’application en question) afin d’atteindre un COP aussi élevé que possible.
Il en ressort qu’une différence de température de minimum 60 K est exigée pour obtenir un meilleur COP avec un fonctionnement transcritique, par rapport à un système subcritique. L’effet est de plus en plus marqué au fur et à mesure que la différence de température augmente : à 81 K, en fonctionnement transcritique, le COP s’améliore de 4,6%, et à 105 K, l’augmentation s’élève à 7,3%. Inconvénient : on a besoin ici de compresseurs qui soient protégés contre les pressions élevées. De tels appareils ne sont toutefois pas encore disponibles.
Solutions potentielles
Pour le réchauffement de l’huile thermique, il est apparu qu’un cycle subcritique classsique avec de l’acétone, du benzène ou de l’éthanol possède un COP légèrement supérieur aux fluides les plus efficaces avec un cycle transcritique (3,30). En fonctionnement transcritique, ce sont le cyclobutène, ainsi que les R1336mzz(Z) et R1223zd(E) qui obtiennent les meilleurs résultats. Pour le séchage à l’aide de vapeur surchauffée, la différence de température est plus grande, à savoir 81 K. Dans ce cas, les cycles transcritiques performent mieux que les subcritiques (COP de 4,32 contre 4,13). Les fluides les plus efficaces sont les HFO suivants : R1336mzz(Z), R1234ze(Z) et R1223zd(E). Dans la troisième application, à savoir le séchage par pulvérisation, la différence de température était encore plus élevée, et l’avantage du fonctionnement transcritique encore plus marqué (COP de 4.25 contre 3.96). Les meilleurs résultats ont à nouveau été atteint avec le R1336mzz(Z), le R1223zd(E) et l’isopentane.
Cette analyse est purement basée sur le comportement thermodynamique. Mais dans le cas d’une application pratique éventuelle, d’autres paramètres entrent également en ligne compte, comme l’inflammabilité. Un usage en milieu industriel ne devrait normalement pas présenter de difficultés insurmontables en termes de sécurité. Dans le cas des fluides frigorigènes naturels, certains sont néanmoins très légèrement inflammables, ce qui entraîne des risques supplémentaires en termes de sécurité.
L’étude a été publiée dans la revue Applied Thermal Engineering, et la version complète peut être consultée via le lien suivant :
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1359431123012267?via%3Dihub
Par Alex Baumans