Comment extraire la chaleur des installations frigorifiques?

La récupération de chaleur est l’avenir de la technique du froid

Une installation de froid libère aussi pas mal de chaleur. Une chaleur qui peut encore se révéler utile à condition qu’il existe une application possible et que le rendement reste bon. L’AP Hogeschool Anvers travaille depuis plus longtemps sur ce thème. Là, ils ont conçu une installation d’essai qui fournit de la chaleur en fonc­tion de la demande. CoolTechnics s’est entretenu avec le coordinateur du projet et professeur en Electromécanique Climatisation – Gestion de l’Energie, Bert Ver­hasselt, à propos des possibilités de la récupération de chaleur pour les instal­lations de refroidissement de congélation.

Chaleur dans une installation
de refroidissement? Comment cela?

Le refroidissement s’opère de plusieurs façons: par le biais de la compression, de l’absorption ou de façon thermo-électrique. La technique la plus appliquée est la compression. Un com­presseur aspirera le réfrigérant sous forme gazeuse hors de l’évaporateur, le mettra sous haute pression et l’évacuera ensuite vers un condensateur. Là, le réfrigérant restitue sa chaleur et redevient liquide. Le réfrigérant se rend vers un détendeur, où la pression est soudain réduite, avec comme conséquence que le liquide se met à bouillir et s’évapore. Cette évaporation se produit dans l’évaporateur. En fait, la chaleur extraite crée l’effet de refroidissement. De là, il retourne vers le com­presseur. En d’autres termes, il est question d’un circuit fermé. A chaque étape de ce processus où se produit un étage de compression, il se crée un travail ou une chaleur. Traditionnellement, la plupart de la chaleur est libérée après la compression et c’est l’endroit le plus indiqué pour la récupération de la chaleur, mais en principe, cela peut se produire partout où il y a une différence de température entre la chaleur disponible et la chaleur utile utilisable. Dans la pratique, la récupération de chaleur se produit surtout après le compresseur.

A quelles applications peut servir la chaleur?

En principe, toute la chaleur libérée peut être récupérée. Dans la pratique, le pourcentage de chaleur utilisé par la suite dépendra surtout du niveau de chaleur. En d’autres termes, ceci dépendra énormément de la valeur calorique de la chaleur. Plus la température est élevée, plus le processus de suivi possible est intéressant. Mais tenez surtout compte des demandes de chaleur qui existent dans l’environnement direct et de leurs exigences en termes de niveau de température. Y a-t-il par exemple un réseau de chaleur à proximité? Ou cela doit-il uniquement servir pour l’eau sanitaire? Moins la chaleur libérée qui doit être transformée ou transportée, est importante, plus le rendement sera bon. Outre la chaleur, on peut récupérer du froid d’une installation de refroidissement. En fait, ceci revient à faire s’accumuler le froid résiduel dans des batteries d’eau glacée. Ceci permet de répondre à une plus grande demande de refroidissement à des moments crêtes. Mais ceci est peu appliqué.

A quelles conditions doit satisfaire le compresseur?

Pour atteindre la température souhaitée, la pression devra être créée. Pour une application avec l’eau chaude sanitaire, il faut, par exemple, une température de 60 °C. Le com­presseur pourra créer la pression de telle sorte que le milieu atteint une température de plus de 60 °C, afin de compenser un peu les pertes éventuelles. Dans une installation de refroidissement usuelle, le compresseur délivrera une chaleur insuffisante.

Le compresseur devra être capable de continuer d’augmenter la pression pour atteindre la bonne température d’une façon énergétiquement justifiée. Et pouvoir le faire quand la température extérieure baisse. En effet, la récupération de chaleur peut nécessiter tellement d’énergie que cela n’a plus de sens. La puissance joue un rôle, mais le débit massique est plus déterminant. Cela déter­minera la quantité de chaleur récupérable. Une nouvelle technologie de compresseur avec palier magnétique semble prometteuse pour obtenir un meilleur résultat énergétique, mais autorise une moins bonne récupération de chaleur. Il faut donc toujours chercher un équilibre justifié pour optimiser le compresseur en fonction de la demande de chaleur. C’est pourquoi on examine aujourd’hui dès la phase de conception d’une installation de refroidissement où se situent les possibilités de récupération de chaleur en vue d’un bon dimensionnement. Toutefois, la récupération de chaleur peut aussi être intégrée aisément dans des installations existantes.

Quel réfrigérant doit être utilisé?

En principe, chaque réfrigérant permet de récupérer la chaleur. Il s’agit d’examiner quelle est la demande de chaleur et quel en est le niveau. Les applications les plus intéressantes sont, comme relevé, celles qui peuvent satisfaire à une demande de chaleur calorique élevée. Des réfrigérants naturels tels que le CO2 et l’ammoniaque s’y prêtent par excellence. Dans le cas de l’ammoniaque, on peut examiner des applications jusqu’à 170 °C. Les HFC classiques serviront plutôt à une demande de chaleur plus faible.

LA RECUPERATION DE LA CHALEUR A LA DEMANDE EST-ELLE POSSIBLE?

La récupération de chaleur sur les instal­lations de refroidissement n’est pas neuve. Aujourd’hui, l’industrie en explore à fond les possibilités. L’équipe de Bert a toutefois voulu franchir une étape en faisant livrer la chaleur en fonction de la demande, ce qui peut apporter une valeur ajoutée dans des processus industriels. Mais de la façon la plus énergétique possible. “Les applications industrielles demandent une chaleur résiduelle de minimum 80 à 85 °C”, entame Bert Verhasselt. “En utilisant le CO2 comme réfrigérant, il est possible d’atteindre une valeur d’évaporation plus élevée. Ceci, parce que le CO2 peut se situer dans une zone transcritique à partir de 30 °C. Si tout le gaz se situe dans la phase gazeuse, on ne peut plus ajouter du gaz. En augmentant la pression, cela sera par contre plus brûlant, avec des températures allant jusqu’à 140 °C dans le condenseur. En d’autres termes, lorsque la demande de chaleur est plus grande, nous augmentons la pression, et lorsqu’elle baisse, la pression baisse aussi. Par ailleurs, on peut jouer avec la température extérieure, la demande de refroidissement, la demande de congélation et la vitesse du ventilateur. Ceci permet de proposer la configuration qui délivre le COP le plus économique.” Dans un projet de suivi, on veut encore inclure le facteur de production d’énergie en utilisant la technologie d’expanseur.

Comment récupérer la chaleur résiduelle?

Transmission par échangeur de chaleur

Traditionnellement, ceci se fait avec un échangeur de chaleur. Le milieu restituera sa chaleur dans l’échangeur de chaleur. Une méthode particulièrement fiable qui connaît une longue durée de vie. Les échangeurs de chaleur existent dans divers principes (courant croisé, cocourant, contre-courant, …), formats et matériaux, afin de couvrir quasi toutes les applications. Deux facteurs déterminants dans le choix de l’échangeur de chaleur sont la hauteur d’encastrement et sa puissance. Il s’agit de garder la différence de pression la plus petite possible dans l’échangeur de chaleur en vue d’une efficacité maximale. Le milieu déterminera quel est le meilleur choix de matériau pour l’échangeur de chaleur. L’eau de l’Escaut demande évidemment un autre matériau qu’une substance agressive dans un processus chimique. Une étape intermédiaire peut parfois être nécessaire.

Stockage dans un tampon

Comme la demande de chaleur ne correspond jamais entièrement au moment de la récupération et qu’une installation frigorifique ne tourne pas en continu, la chaleur résiduelle sera stockée dans la plupart des cas. La taille du tampon dépend de la demande de chaleur. La possibilité la plus évidente est un réservoir tampon, constitué du même milieu que l’échangeur de chaleur. L’eau et l’huile thermique sont des choix populaires, mais les phase-changing materials (PCM) sont aussi une option. Leur changement de phase de solide à liquide et inversement est utilisé pour stocker et restituer la chaleur. Si les PCM sont stockés dans un tampon bien isolé, la chaleur latente peut être conservée, En théorie, toute la chaleur peut être stockée, mais tenez compte des pertes dans les conduites (en fonction de la capacité isolante) et des pertes d’arrêt. 

Quel milieu?

En raison de ces propriétés physiques et de sa grande chaleur spécifique, on utilisera dans la mesure du possible l’eau pour récupérer la chaleur. Mais quand on travaille avec des températures au-dessus du point d’ébullition, l’eau ne sera plus une option et un autre milieu est préférable. L’huile thermique, par exemple. Pour des applications sous le point de congé­lation, on peut ajouter des additifs. 

Limiter les pertes de chaleur

Pour limiter autant que possible les pertes de chaleur, il vaut mieux tenir compte de quatre facteurs dans la conception d’une installation de refroidissement pour la récupération de chaleur.

• Distance: plus la distance à parcourir vers l’application avec la demande de chaleur est longue, plus les pertes éventuelles dans les conduites sont nombreuses.

• L’espace: tenez aussi compte des espaces que le milieu devra traverser sur le trajet vers sa destination finale. De quels espaces s’agit-il et quelles conditions y dominent? Des cel­lules de refroidissement ou de congélation sont-elles présentes?

• Isolation: dans quelle mesure les réservoirs tampon et les conduites sont-ils bien isolés? Cela peut faire la différence pour récupérer quelques pour cent de chaleur en plus.

• Qualité: la qualité de l’échangeur de cha­leur,surtout, déterminera l’ampleur de la perte de pression et de température.

L’avenir de la recuperation de chaleur

On peut aussi valoriser la chaleur pour en faire de l’énergie. Cependant, le plus simple reste de satisfaire à une demande de chaleur. Si elle est présente, il vaut mieux l’utiliser, parce que les pertes seront les plus fiables. Si cette demande de chaleur fait défaut, il peut être intéressant d’examiner si un accroissement d’échelle vaut la peine. Les installations de cogénération sont par exemple une option populaire dans l’industrie aujourd’hui, parce que les entreprises entrent en considération pour des certificats de cogénération. Des subsides, donc. Par ailleurs, les systèmes de stockage froid-chaleur progressent. La chaleur est stockée dans le sol en été pour chauffer le bâtiment industriel en hiver. A l’inverse, le froid stocké en hiver est utilisé en été pour le refroidissement. Mais la technologie ne s’arrête pas. De nouvelles pistes qui tentent de limiter encore davantage les pertes de rendement pour que l’électricité soit une meilleure option, pointent à l’horizon.

Technologie ORC

ORC signifie Organic Ranking Cyclus. On utilise un solvant organique tel que le propane, l’isobutane, l’isopentane ou l’ammoniaque au lieu de la vapeur. Ceci a un point d’ébullition plus bas que l’eau. La différence de pression fait tourner une turbine, ce qui permet d’extraire de l’énergie à une température plus basse. Ceci est actuellement bien mis en place dans l’industrie.

Technologie d’expanseur

La technologie d’expanseur, par contre, est davantage dans la phase de recherche. On utilise le CO2. Au lieu du détendeur, une turbine à expansion est logée dans le circuit de refroidissement. Celle-ci convertira l’énergie du gaz à haute pression, dans ce cas-ci le CO2, en énergie mécanique. L’AP Hogeschool a achevé le développement de la turbine. La recherche se concentre désormais sur le développement du bon algorithme de réglage pour une utilisation efficace. Cette technologie devrait atteindre sa maturité industrielle dans deux ans.

Conclusion

La récupération de la chaleur résiduelle des installations de refroidissement est un sujet brûlant, pour des considérations de durabilité, mais aussi en raison des coûts pouvant être économisés. Mais on doit toujours garder à l’esprit que chaque kW d’énergie que l’on doit ajouter pour récupérer la chaleur, fera baisser le rendement de l’investissement. Ceci est certainement important pour celui qui veut convertir l’énergie. Mais l’arrivée du stockage en batterie peut aussi ouvrir des portes. La technologie pro­gresse à grands pas pour limiter les pertes et augmenter le rendement. En tout cas, la récupération de chaleur sera l’avenir de la technique du froid.