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Transporter et stocker le froid avec des matériaux sans risque pour l’environnement

Coulis de glace en cours de décantation © G. Maisonneuve / Irstea

08/12/2017

Avec les changements climatiques, nos besoins en climatisation et en réfrigération risquent d’augmenter. Or, la production de froid est particulièrement énergivore, représentant 15% de la consommation électrique des pays industrialisés, et contribue à 8% des rejets de gaz à effet de serre (GES). À Irstea, les chercheurs évaluent le potentiel de coulis d’hydrates de CO2 pour remplacer une partie des fluides nocifs dans les systèmes de distribution de froid, et pour stocker et restituer le froid selon nos usages. À la clé : des économies d’énergie.

Climatisation de bureaux et commerces, réfrigération de produits alimentaires ou de médicaments… La production de froid est aujourd’hui confrontée à un double défi : réduire l’usage des fluides frigorigènes[1] au fort potentiel de réchauffement global, conformément à la loi F-Gaz 2015, et limiter ses dépenses en énergie. Et si la solution résidait dans l’utilisation de coulis d’hydrates (cristaux similaires à la glace mélangés avec du sel ou des gaz) dans un circuit secondaire du système pour transporter le froid jusqu’aux lieux d’utilisation ? Visant à réduire la quantité de fluides nocifs perdus sous forme de fuites, ce procédé de réfrigération secondaire[2] est appliqué dans une dizaine d’installations en France. Dans les cuisines d’hôpitaux pour climatiser les lieux et refroidir les produits, par exemple. Il peut toutefois entrainer des pertes énergétiques liées à la présence d’un échangeur intermédiaire ou d’une pompe de circulation. Dans le cadre du projet ANR Crisalhyd (2014-2018), Irstea et ses partenaires[3] travaillent sur un système de réfrigération secondaire par coulis d’hydrates de CO2, associé à un réservoir de stockage pour une meilleure efficacité énergétique.

Une « réserve de froid » disponible en cas de pics de consommation

« Les coulis d’hydrates de CO2 sont particulièrement intéressants car ce sont les matériaux à changement de phases solide/liquide (PCM) les plus énergétiques dans le domaine de la réfrigération et climatisation » explique Anthony Delahaye, directeur de recherche à Irstea. A l’aide d’un prototype expérimental composé d’un réservoir de stockage, applicable à de petites installations, les scientifiques simulent le fonctionnement d’un système complet (dynamiques d’écoulement, volumes de stockage, etc) pour en évaluer les performances.

 

L’utilisation de ces coulis comme fluides secondaires permet de limiter la quantité de fluides frigorigènes en les confinant au niveau de la salle des machines, mais aussi de réduire le diamètre des tuyaux grâce à leur haute densité énergétique, et d’optimiser ainsi la taille des installations.

 

Autre atout, il est possible de stocker du froid au moment où l’énergie est disponible, pendant la nuit notamment, puis de le restituer ultérieurement sous forme de coulis. Au Japon ce procédé est couramment utilisé pour alimenter des bureaux en journée. « Une solution pertinente pour ne pas consommer d’électricité pendant une certaine durée et répondre ainsi à la problématique d’effacement électrique en cas de forte demande sur le réseau » précise Anthony Delahaye.

Par exemple, des coulis d’hydrates de CO2 à 25% solide vont stocker 5 fois plus d’énergie par rapport à l’eau, pendant la même durée. Les volumes des réservoirs de stockage peuvent ainsi être réduits de près de 80%.[4] Afin d’accompagner la diffusion industrielle du concept de réfrigération secondaire par coulis d’hydrates de CO2 associé à un réservoir de stockage, les chercheurs d’Irstea étudient également ses impacts économiques. 

Du bilan énergétique à l’analyse économique 

Quelles sont alors les heures les plus avantageuses pour stocker le froid ? Un outil de simulation de l’évolution de la température extérieure et des heures d’utilisation, est en cours de développement dans le cadre de la thèse de Thomas Dufour, afin de tester plusieurs scénarios et optimiser la dynamique de stockage d’un système. Par ailleurs, des analyses menées sur les coûts économiques de systèmes de froid avec et sans stockage, selon différents paramètres (taille et coût du groupe froid, taille du réservoir, consommation énergétique…), ont mis en évidence un retour sur investissement de 2 ans en moyenne pour un système avec stockage. En parallèle de ces travaux, les chercheurs d’Irstea analysent les leviers et freins potentiels à l’appropriation de ce concept par les industriels, et sont particulièrement investis dans les commissions dédiées aux fluides frigoporteurs, en vue d’identifier des réponses concrètes.

Pour tout savoir sur les phénomènes et les applications technologiques liés au froid, rendez-vous à la Cité des sciences et de l’industrie à Paris pour découvrir l’exposition Froid, à laquelle les chercheurs de l’unité GPAN ont pleinement contribué, en particulier sur le volet « Défis pour la société ».

En savoir plus

[1] Réfrigérants

[2] Dans le procédé de réfrigération secondaire, le froid produit par une machine conventionnelle est transporté par un fluide frigoporteur neutre, comme les coulis d’hydrates de gaz, dans un circuit secondaire du système (en bleu sur le schéma)

[3] Partenaires du projet ANR Crisalhyd : ENSTA (Paris Tech), LIMSI (CNRS), Heat Craft

[4] Résultats issus de travaux de modélisation dans le cadre de la thèse de Thomas Dufour : Optimisation énergétique et environnementale de l’intégration de stockage dans les systèmes de réfrigération (2014 – 2017)