Conférence IIF 2023 d’Ohrid : gros plan sur les pompes à chaleur au CO2

Le CO₂ (R744) a été le thème dominant le la dernière conférence IIF à Ohrid en avril 2023, puisque ce frigorigène a été traité dans 27 des 39 communications présentées. 

 

Selon le dernier rapport Atmosphère (1), le taux de pénétration des installations au CO₂ transcritique dans les supermarchés, épiceries et magasins de proximité continue de progresser, atteignant 18,4 % en Europe (57000 installations), 8,6 % (6960) au Japon et 0,7 % (1150) aux États-Unis en décembre 2022. 

 

De par ses propriétés thermodynamiques et environnementales, il présente des perspectives prometteuses d’utilisation plus large encore, en particulier dans le domaine des pompes à chaleur, comme en attestent deux communications présentées à cette conférence. 

 

Des experts de DTU et de Danfoss au Danemark (2) ont présenté une revue des technologies de pompes à chaleur au CO2, au niveau des composants et du système, et ont suggéré des axes de recherche en vue d’optimiser leurs performances énergétiques. 

 

L’usage pompes à chaleur s’est considérablement développé à la suite des récents défis en termes d’énergie. Selon l'Agence internationale de l'énergie, le parc mondial de pompes à chaleur était d'environ 190 millions en 2021, et il devrait au moins doubler d'ici 2030. En particulier, les pompes à chaleur d’une puissance de chauffage de 20 kW à 200 kW, sont de bons candidats pour remplacer les chaudières à combustible fossile. Parmi les autres solutions de pompe à chaleur, les solutions à base de CO₂ sont aujourd’hui plus populaires car plus économes du point de vue énergétique et plus respectueuses de l'environnement. 

Les experts soulignent que l'évaporateur et le refroidisseur de gaz (condenseur) doivent être compacts et légers pour une meilleure performance des pompes à chaleur, tandis que le flux de chaleur et le flux de masse doivent être bien définis via l'optimisation ou d'autres procédés décisionnels. Les deux processus d'échange de chaleur se situent dans la région diphasique ; ainsi, les dispositions d'écoulement et les conditions de fonctionnement affectent également les processus d'absorption et de rejet de chaleur. Par ailleurs, les compresseurs et les dispositifs de détente fonctionnent avec une grande différence de pression entre les conditions surcritiques et sous-critiques ; à cet égard, plusieurs alternatives sont possibles pour surmonter les pertes d'énergie, telles que la compression à plusieurs étages et/ou l'optimisation du compresseur côté compression et l'intégration de l'éjecteur dans le système côté détente. 

Les principaux défis des pompes à chaleur aérothermiques et hydrothermiques sont respectivement le givrage et le gel de l'eau. Les demandes d'eau et de chauffage sont deux critères principaux qui impactent les performances globales des pompes à chaleur hydrothermiques. De plus, celles-ci sont plus silencieuses. Sur ces bases, l’amélioration des performances des pompes à chaleur au CO2 dans le futur passe par une optimisation de la régulation, des éjecteurs et de la compression multi-étagée ainsi que par de meilleurs mécanismes d'échange de chaleur pour le dégivrage. 

 

Des chercheurs de NTNU à Trondheim, Norvège (3) ont présenté un aperçu de l'état de l'art actuel des solutions de pompe à chaleur au CO2 pour une application dans la gestion thermique des véhicules électriques, c'est-à-dire la maîtrise de la température de l'habitacle du véhicule et de la batterie, ainsi que le refroidissement du moteur et de l'électronique de puissance. 

 

Ils en concluent que le frigorigène CO₂ est adapté à une utilisation dans les véhicules électriques. En mode chauffage, le R744 a un avantage décisif par rapport au R1234yf ou au R134a. En particulier à des températures inférieures à 0 °C, le système au CO2 présente une efficacité supérieure en raison de la masse volumique plus élevée de la vapeur d'aspiration. De plus, aucun chauffage auxiliaire n'est nécessaire, ce qui augmente encore l'efficacité et évite au système l’ajout d’un composant très coûteux. La satisfaction de la demande de refroidissement revêt une importance nouvelle dans les véhicules électriques puisqu’elle impacte les performances et la sécurité de la batterie. Des recherches sont nécessaires pour évaluer le système dans des conditions où la puissance de charge et de décharge de la batterie augmente davantage (par exemple, lors d'une charge rapide). L'utilisation des deux échangeurs de chaleur dans le système CVC (refroidisseur de gaz et évaporateur) semble prometteuse pour augmenter la puissance de refroidissement/chauffage.  

 

En raison des différentes propriétés du CO₂, les solutions de gestion thermique traditionnelles asaptées à d'autres frigorigènes ou types de véhicules sont souvent inadaptées et conduisent à des conditions de fonctionnement inefficaces et dangereuses. Des recherches supplémentaires sont nécessaires pour déterminer la conception, le fonctionnement et les stratégies de régulation appropriées pour les systèmes de pompe à chaleur au CO₂ destinées aux véhicules électriques. 

 

Les comptes-rendus de la conférence 2023 d’Ohrid peuvent être téléchargés ici.

Les communications peuvent être téléchargées individuellement ici.   

 

(1) ATMO Report, Natural Refrigerants: State of the Industry, 2022 Edition. Lien. 

(2) Kanbur B. et al. Mini review on a technological map of R744 heat pumps. Lien. 

(3) Piesch N. et al. R744 heat pump solutions for electric vehicles. Lien.