Conférence Cryogénie 2023 de l’IIF : perspectives des...

Lors de la très réussie conférence Cryogénie 2023 qui s'est tenue à Dresde, en Allemagne, du 25 au 28 avril 2023, Ziad Melhem a présenté un aperçu des avancées futures des technologies et des applications cryogéniques d'ici 2030.⁽¹⁾

La cryogénie, la science et la technologie des températures extrêmement basses, a de nombreuses applications dans les sciences spatiales, l'électronique, les transports, l'industrie manufacturière, les sciences biologiques, l'agriculture, ainsi que dans la science et l'ingénierie des technologies de pointe, y compris à des fins scientifiques et médicales, en particulier en cryobiologie et cryochirurgie et dans le refroidissement des équipements électroniques à basse température.

Le marché des équipements industriels cryogéniques devrait afficher une croissance spectaculaire au cours de la prochaine décennie malgré le ralentissement au cours des trois dernières années dû à la pandémie de COVID-19. La valeur marchande des équipements cryogéniques était de 22 milliards USD en 2022 et devrait presque doubler pour atteindre 43 milliards USD d'ici 2030.

Les nouveaux développements dans la technologie cryogénique, la basse température et le transfert de chaleur cryogénique permettent diverses nouvelles applications et innovations dans l'aérospatiale, les capteurs, la physique des hautes énergies, les applications quantiques et nanotechnologiques, la cryoélectronique et les applications supraconductrices. Tous les matériaux supraconducteurs actuellement disponibles doivent être refroidis à des températures cryogéniques pour leur fonctionnement. Ces dernières années, les aspects environnementaux prennent une place importante dans la conception et le développement de systèmes frigorifiques à basse température.

Z. Melhem met l’accent sur plusieurs avancées émergentes en génie cryogénique en cours de développement ou attendues au cours de la décennie en cours :

Électrification et industrie électrique : des avions entièrement électriques qui utilisent l'hydrogène liquide cryogénique comme méthode de stockage d'énergie. De nombreux fournisseurs d'avions développent des avions de nouvelle génération utilisant de l'énergie propre ; Airbus, Boeing, la NASA et bien d'autres travaillent sur différents projets pour créer un avion qui fonctionne sur un système de pile à combustible à hydrogène cryogénique. Les avions à hydrogène sont en capacité d’offrir une autonomie plus élevée, ce qui est essentiel. Les systèmes de ces avions contiendront de l'hydrogène comprimé pour démarrer le processus des piles à combustible à membrane électrolyte polymère.
Cryocarburants pour le transport : l'un des cryocarburants les plus couramment utilisés dans les transports est le gaz naturel liquéfié (GNL). Le GNL est du gaz naturel qui a été refroidi à une température d'ébullition de -162 °C (113 K), moment auquel il devient liquide. Le GNL est utilisé comme carburant dans les gros véhicules lourds comme les camions, les autobus et les navires, car il a une densité énergétique plus élevée que le gaz naturel comprimé (GNC), ce qui signifie qu'il peut fournir plus d'énergie par unité de volume.
Un autre cryocarburant qui gagne en popularité dans le secteur des transports est l'hydrogène liquide (LH₂). Le LH₂ est de l'hydrogène qui a été refroidi à une température de -253 °C (20 K), à laquelle il devient liquide. Le LH₂ est utilisé comme carburant dans les véhicules à pile à combustible, qui convertissent l'hydrogène en électricité pour alimenter un moteur électrique. La seule émission de ce processus est la vapeur d'eau. Les cryocarburants offrent plusieurs avantages par rapport aux carburants traditionnels, notamment des émissions réduites et une plus grande efficacité. Cependant, ils nécessitent également des équipements de stockage et de manutention spécialisés, ce qui peut augmenter le coût d'utilisation de ces combustibles. De plus, la production de cryocarburants peut nécessiter des apports énergétiques importants, ce qui peut avoir un impact sur leur durabilité globale.
Énergie chimique de l'hydrogène : l'énergie chimique de l'hydrogène est convertie en énergie électrique par une série de piles à combustible. L'hydrogène agit comme un vecteur d'énergie chimique, un peu comme le pétrole ou le gaz, qui peut être canalisé ou transporté là où il est nécessaire. Il stocke trois fois plus d'énergie par unité de masse que l'essence conventionnelle, et lorsqu'il "brûle" dans l'air - libérant cette énergie stockée - il se combine simplement avec l'oxygène pour produire à nouveau de l'eau. Les exigences de basse température des systèmes à hydrogène offrent également la possibilité d'utiliser la transmission d'énergie supraconductrice. La pile à combustible convertit l'énergie chimique de l'hydrogène et de l'oxygène ambiant pour générer de l'énergie pour un moteur électrique. Ce moteur électrique fournit ensuite l'énergie de rotation.
Pile à combustible pour le stockage : lorsqu'elle est utilisée comme dispositif de stockage d'énergie, la pile à combustible est combinée à un dispositif de génération de combustible, généralement un électrolyseur, pour créer un système de pile à combustible régénérative, qui peut convertir l'énergie électrique en un combustible stockable, puis utiliser ce combustible dans une réaction de pile à combustible pour fournir de l'électricité. L'hydrogène est conservé dans un réservoir cryogénique pour avoir une plus grande autonomie. L'hydrogène liquide, maintenu sous pression dans ces réservoirs, peut être utilisé pour le refroidissement et le chauffage. Le stockage cryogénique de l'hydrogène est bénéfique et a beaucoup de valeur potentielle à offrir. Ce n'est pas seulement économique à des cadences de production élevées ; le stockage dure également plus longtemps.
Moteur-fusée cryogénique : Le développement de la technologie spatiale actuelle aurait été impossible sans la cryogénie. Les moteurs de fusée fonctionnant comme boosters sont composés d'un carburant cryogénique et d'un comburant. La combinaison H₂-O₂ permet des impulsions spécifiques supérieures aux autres paires de propulseurs et est nécessaire pour certaines applications spécifiques comme dans les véhicules avec un seul pas en orbite. Un moteur-fusée cryogénique est plus avantageux et fournit plus de poussée pour chaque kg de propulseur. Il va sans dire qu'il est également beaucoup plus adapté aux moteurs solides et liquides.
Cryogénie pour les applications quantiques : les progrès récents de la cryogénie et des techniques à basse température permettent une nouvelle classe d'applications quantiques et nanotechnologiques. De telles applications dépendront de plateformes cryogéniques modulaires avancées qui peuvent sonder et manipuler la matière à l'échelle nanométrique sous un champ magnétique et/ou à basse température et qui sont plus simples à utiliser et à gérer. Les nouveaux environnements cryogéniques seront utilisés pour assembler et analyser des nano- et microstructures fonctionnelles, organiques ou inorganiques, et pour sonder leurs structures, propriétés et dynamiques, avec des applications potentielles dans les technologies quantiques telles que le traitement, la détection et les communications quantiques de l'information, la nano basées sur les technologies et la nanoélectronique.

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(1) Melhem Z. ; Future prospects of cryogenics applications in the second decade of the 21st century. https://iifiir.org/fr/fridoc/perspectives-d-avenir-des-applications-cryogeniques-au-cours-de-la-147078

* Gratuit pour les membres individuels standards et les bénéficiaires d'une adhésion collective.

Conférence Cryogénie 2023 de l’IIF : perspectives des technologies cryogéniques pour 2030