TECHNIQUE  
Cool and Comfort 73 – mai 2017

Récupération de chaleur dans les installations de réfrigération au CO₂

Aujourd’hui les installations de réfrigération et de congélation libèrent habituellement leur chaleur à l’extérieur. L’AP Hogeschool Antwerpen a réalisé durant quatre ans, avec son projet « Récupération de chaleur dans les installations de réfrigération au CO₂ » une étude sur la meilleure façon d’utiliser cette chaleur. Il en est résulté quelques idées remarquables.

L’AP Hogeschool Antwerpen a mis au point une installation de réfrigération permettant de récupérer la chaleur, surtout dans le cas d’applications industrielles. « Pour que ce soit utile, la chaleur résiduelle doit atteindre au moins 80 à 85°C », affirme le responsable de la formation en électromécanique, Amédée Beylemans. « À une température plus basse, il faudrait tout d’abord ajouter une énergie complémentaire avant de pouvoir finalement générer de l’énergie, ce qui n’aurait aucun sens. »

La recherche s’est faite dans le cadre d’un projet dans lequel la chaleur d’évaporation atteint une température élevée grâce à l’utilisation du CO₂ comme fluide frigorigène. Comme l’on sait, le CO₂ respecte la couche d’ozone et contribue beaucoup moins que d’autres fluides frigorigènes à l’effet de serre. En outre, la consommation d’énergie d’une installation au CO₂ est inférieure de 5 à 15% à celle d’installations utilisant un autre fluide frigorigène.

Chaleur à haute valeur calorifique

« Notre objectif est que la chaleur soit fournie en fonction de la demande, quelle qu’elle soit », explique le coordonnateur du projet Bert Verhasselt. « Le refroidissement se fait donc plus en fonction de la demande de chaleur qu’en fonction de celle de froid. Le plus souvent la demande de chaleur provient d’un processus industriel. Il pourrait s’agir par exemple du nettoyage de réservoirs. Il faut pour cela des températures de, par exemple, 130°C. Si vous récupérez simplement la chaleur d’une installation de réfrigération à l’aide d’un échangeur de chaleur, comme cela se fait parfois aujourd’hui, vous atteindriez par exemple 80°C. Tout le reste devrait être obtenu par un chauffage complémentaire. Mais nous adaptons notre installation à cette demande de chaleur, de sorte que nous pouvons répondre à la demande, et fournir de la chaleur à 130°C. Nous adaptons à la fois la température et le débit à la demande. Auparavant ce n’était pas possible. Un facteur important qui a rendu possible l’innovation, est le choix du CO₂ comme fluide frigorigène. Le CO₂ se situe dans une zone transcritique, théoriquement à partir de 30°C. Lorsque tout le CO₂ est passé en phase gazeuse, il n’y a plus de gaz complémentaire ; le gaz peut alors se réchauffer. C’est la zone transcritique dans laquelle nous voulons mener le circuit de réfrigération. »

Amédée Beylemans : « Si nous augmentons la pression du fluide de refroidissement dans notre installation, nous atteignons dans notre condenseur des températures de 110, 130, voire 140°C. L’avantage, c’est qu’il s’agit alors de chaleur à haute valeur calorifique au lieu de basse. Dans une installation de réfrigération normale, nous obtenons peut-être entre 60 et 70°C, et si vous y ajoutez un échangeur de chaleur, qui a également des pertes, vous obtenez en fin de compte, une chaleur de, par exemple, 50°C. Avec une telle chaleur à basse valeur calorifique, vous ne pouvez pas faire grand-chose. Mais, par contre, avec la chaleur à haute valeur calorifique de notre installation, c’est possible. »

Efficacité énergétique

Les chercheurs visent la manière la plus économe en énergie pour récupérer de la chaleur en fonction de la demande de celle-ci, et cela pour chaque phase. Bert Verhasselt : « La machine frigorifique à CO₂ standard que vous achetez aujourd’hui fonctionne à une pression préréglée. Mais ainsi, il n’est pas possible d’en retirer plus de chaleur. Avec notre machine, nous pouvons augmenter la pression lorsqu’il y a plus de demande de chaleur. Nous pouvons faire baisser la pression dès que la demande de chaleur baisse, et ainsi ne pas laisser tourner le compresseur. Contrairement à ce qui se produit aujourd’hui avec les machines frigorifiques standard à CO₂. Actuellement, les machines à CO₂ tournent constamment à une température de condenseur de, par exemple 40°C, mais si vous refroidissez à partir de là, vous perdez énormément d’énergie. Notre installation aborde les choses autrement. Et à l’avenir, il s’y ajoutera encore une compression en parallèle. Cette dernière a pour avantage que nous pourrons dériver le gaz formé, à travers un compresseur séparé, et non à travers le compresseur que nous utilisons à présent. Nous pourrons alors dériver la vapeur instantanée (ou ‘flash gas’) à travers un compresseur plus petit et donc moins gourmand en énergie. »

« Avec notre machine, nous pouvons augmenter la pression lorsqu’il y a plus de demande de chaleur, et faire baisser la pression dès que la demande de chaleur baisse. »

Paramètres réglables

L’installation permet de modifier divers paramètres tels que la pression, la température extérieure, la demande de froid, la demande de congélation et la vitesse du ventilateur. Bert Verhasselt : « La température extérieure constitue un paramètre important. Avec notre installation d’essais, nous sommes en mesure de soumettre notre machine à une température extérieure donnée. Par exemple, s’il fait 9°C dehors et que nous voulons effectuer un essai à 20°C, nous pouvons mettre la machine dans ces conditions. À l’inverse, s’il fait 9°C et que nous voulons faire un essai à 0°C, c’est également possible. Nous pouvons donc dire à l’avance au client : cette configuration, ces réglages donneront le coefficient de performance le plus avantageux. Nous pourrions par exemple dire quel compresseur conviendrait le mieux. Ainsi, il serait préférable que telle personne investisse dans un compresseur de réfrigération plus puissant, car ce dernier pourra mieux satisfaire la demande de chaleur. Il faut en effet beaucoup moins d’énergie pour produire de la chaleur à l’aide d’une pompe à chaleur ou d’une installation de réfrigération, qu’à l’aide d’une chaudière gaz. »

Suite à venir

« L’installation fait de la cogénération : génération simultanée de froid et de chaleur », fait remarquer Amédée Beylemans. « Nous voulons poursuivre cette recherche dans un projet complémentaire. Ce sera un projet concernant la tri-génération : la génération simultanée de chaleur, de froid et d’électricité, pour parvenir ainsi à une perte d’énergie nulle. La génération d’électricité sera à nouveau réalisée en fonction de la demande. »

Divers partenaires industriels ont participé au projet actuel, comme, entre autres, un fournisseur de compresseurs. Ce projet complémentaire pourrait lui aussi faire appel à des partenaires industriels. « Participer au projet leur offre l’avantage d’une vente, mais aussi l’avantage de connaître les puissances à développer pour la prochaine génération de compresseurs. Car quelles sont les tendances du futur ? À coup sûr la récupération d’énergie en fait partie », affirme Bert Verhasselt pour conclure.

Par Koen Vandepopuliere

www.ap.be/wetenschap-en-techniek/onderzoek/1788