Conférence IIF G. Lorentzen 2020 : éventail des applications du CO2

Lors de la 14^e conférence IIF-Gustav Lorentzen très réussie sur les frigorigènes naturels qui s’est tenue à Kyoto, au Japon, du 7 au 9 décembre 2020, le CO₂ a occupé une place de choix ; parmi les 121 présentations de cette conférence, 54 ont porté spécifiquement sur le CO₂, contre 29 sur les hydrocarbures et 5 sur l’air ou l’eau comme frigorigènes.  

 

Les présentations portant sur les applications du CO₂ dans le froid commercial ont été majoritaires mais il est à noter que de nombreuses autres applications prometteuses du CO₂ ont été exposées. En voici quelques exemples : 

 

Transport frigorifique 

 

.  Dans leur présentation (1), des chercheurs de l'Université de l'Illinois (États-Unis) soulignent que le R744 est un frigorigène attrayant pour le froid à moyenne (MT) et basse température (LT), mais souffre d'une puissance et d'une efficacité énergétique réduites à des températures ambiantes élevées, ce qui pose une difficulté pour des applications telles que le transport frigorifique. Ils décrivent la conception d'un conteneur frigorifique à températures multiples, avec un compresseur à spirale sous-critique utilisé pour fournir la puissance LT. Pour améliorer les performances de l'unité dans des conditions ambiantes élevées, des avancées récentes dans la technologie R744 ont été mises en œuvre, notamment la compression transcritique multi-étagée avec refroidissement intermédiaire, la conception améliorée du refroidisseur de gaz pour minimiser la température d'approche et la récupération du travail de détente de l'éjecteur. Les résultats expérimentaux montrent que pour des températures ambiantes comprises entre 25 et 50 °C, le conteneur prototype R744 atteint une puissance MT de l'ordre de 5,4 à 3,4 kW, une puissance LT de l'ordre de 4,1 à 2,3 kW et un COP unitaire de l'ordre de 1,60 à 0,75. 

 

. Des chercheurs italiens (2) ont présenté une simulation numérique dynamique d'un groupe frigorifique au CO₂, qui peut basculer entre différentes configurations en cours de fonctionnement, et d'une caisse isotherme de camion frigorifique lors d'une mission de livraison à courte distance. Les simulations sont effectuées pour une journée moyenne de référence pour chaque mois de l'année, dans des conditions climatiques européennes de température élevée. Les résultats permettent de mettre en évidence les performances annuelles du système frigorifique, en termes d'énergie de refroidissement totale fournie par les évaporateurs principal et auxiliaire et en termes de COP moyen. Les résultats démontrent que, même si la configuration du cycle transcritique à éjecteur n'est sélectionnée que pendant une durée limitée pendant les mois les plus chauds de l'année, une quantité considérable d'énergie de refroidissement (10, 5% de l'énergie de refroidissement annuelle totale) est fournie en fonctionnant avec cet aménagement, réalisant en même temps une optimisation du COP du système frigorifique. Étant donné que l’optimisation de la configuration du système ne nécessite aucune modification de la structure de l’unité de refroidissement, mais simplement une gestion de la charge différente entre l’évaporateur principal et l’évaporateur auxiliaire, on peut conclure que la commutation entre les configurations pendant le fonctionnement peut conduire à une amélioration des performances moyennes du système.    

 

Chauffe-eaux à pompe à chaleur 

 

Plusieurs articles ont été consacrés à cette application du CO₂. Par exemple, des chercheurs du Oak Ridge National Laboratory (États-Unis) (3) ont présenté un modèle de performance qui a été développé pour évaluer les caractéristiques d'un système transcritique de chauffe-eau à pompe à chaleur au CO₂ (HPWH). Le modèle, étalonné avec des données expérimentales existantes et configuré avec des pressions de refoulement appropriées du compresseur, a été utilisé pour évaluer l'impact de la température de l'eau d'alimentation. Les auteurs ont conclu qu'un système au CO₂ avait des performances comparables à un système au R134a, avec toutefois une puissance nettement plus faible pour des conditions ambiantes similaires. Cependant, le refroidisseur de gaz était relativement grand en raison du transfert de chaleur monophasique ou diphasique pour les systèmes au CO₂ et au R134a, respectivement. L'impact du taux de circulation de l'eau sur la stratification de la température de l'eau dans le réservoir, une condition essentielle pour des performances plus élevées des systèmes HPWH au CO₂, a également été étudié. 

 

Congélation et transformation alimentaire/Stockage thermique 

 

.  Le CO₂ est de plus en plus attractif pour les navires de pêche en raison de la compacité des unités qui l’utilisent, de son PRP négligeable et de son comportement non toxique. La réfrigération et la congélation à bord sont des processus énergivores, mais nécessaires pour garantir des produits de haute qualité. Des chercheurs du SINTEF (Norvège) (4) ont analysé un système frigorifique intégré de congélation et de chauffage avec stockage thermique au CO₂ à basse température. Le système frigorifique de référence est un surpresseur au CO₂ transcritique à deux étages d'une puissance de congélation de 240 kW. Les résultats de la simulation montrent un COP moyen multiplié par 2,8 pour un système combiné de congélation et de chauffage, par rapport à la congélation seule. La récupération de chaleur moyenne du système frigorifique est de 298 kWh, ce qui correspond parfaitement à la demande de chauffage de 261 kWh pour la production d'huile de poisson par le procédé de traitement thermique. Le stockage thermique au CO₂ présente des résultats prometteurs. Un stockage thermique en aluminium de 0,3 m³ (75 litres) comprenant une zone de transfert de chaleur interne de 67 m² est une option idéale pour le système frigorifique de référence pour couvrir les pics de charge. Une énergie stockée de 50 kWh réduit le temps de pointe de 10 à 8 minutes. Chaque jour comptabilise près de 28 pics. Une capacité de production supplémentaire équivalente à 56 minutes a été obtenue en une journée. 

 

. Dans un autre article (5), des experts du SINTEF évaluent le système énergétique existant d'une usine de transformation de volaille, en mettant l'accent sur la consommation d'énergie, les besoins en puissance de pointe et la récupération de chaleur. Un nouveau concept d'intégration des systèmes de stockage d'énergie thermique froide (CTES) avec un système frigorifique en cascade R717 / R744 est présenté. Une comparaison entre les systèmes est effectuée en développant et en exécutant des modèles de simulation. Les principaux résultats de la comparaison montrent que le concept CTES réduit la consommation de pointe de 52 % et augmente la production d'eau chaude de 27 %, avec toutefois une augmentation de la consommation totale d'énergie de 10 %.    

 

 

Dessalement de l'eau 

 

La distillation membranaire (MD) est une technique de dessalement qui consomme beaucoup d'énergie par rapport à l'osmose inverse ou à la distillation à effets multiples. Néanmoins, la MD nécessite une chaleur à relativement basse température qui peut être récupérée au condenseur d'un système de refroidissement. Des expériences ont montré que la production d'eau distillée augmente avec la température de l'eau d'alimentation. Le cycle au CO₂ transcritique et sa capacité à produire de l'eau chaude à une température plus élevée à faible coût est un atout pour la MD. Une étude de simulation (6) présente les performances attendues d'une pompe à chaleur CO₂ pour un refroidissement et un dessalement simultanés. Dans certaines conditions d'exploitation, la production d'eau douce est plus que doublée par rapport aux pompes à chaleur avec les frigorigènes traditionnels. La consommation d'énergie spécifique par mètre cube d'eau distillée est encore plus élevée qu'avec l'osmose inverse. Cependant, les analyses d'énergie et d'exergie prenant en compte les productions d'eau douce et de refroidissement montrent des pistes de recherche prometteuses. 

 

Conditionnement d’air mobile 

 

En plus de son application prometteuse pour la climatisation des véhicules électriques (voir l’autre actualité sur ce thème dans la Newsletter), des chercheurs de l'Université de l'Illinois (USA) (7) ont constaté que le CO₂ était potentiellement très efficace pour le conditionnement d’air des bus et des wagons de chemin de fer. Ils ont conçu et construit un prototype d'unité de climatisation pour voitures de voyageurs de chemin de fer au R744, avec une puissance cible de 44 kW, qu'il a pu atteindre et qui peut encore être augmentée. Un COP cible a été fixé à 5 % de plus que le COP de l'unité de référence, et l'unité au R744 a pu dépasser cet objectif en offrant une amélioration de 16 % du COP à la puissance cible. De plus, malgré la pression de frigorigène plus élevée et la conception du système plus complexe, l’unité au R744 s'est avérée être environ 5 % plus légère que l'unité de référence au R407C.

 

Sources : 

(1) Lawrence N. et al. Technologie avancée au R744 appliquée à un conteneur frigorifique multi-température : https://iifiir.org/fr/fridoc/technologie-avancee-au-r744-appliquee-a-un-conteneur-frigorifique-142907 

(2) Fabris F. et al. Étude numérique d'une unité de refroidissement au CO₂ pour le transport frigorifique fonctionnant en alternance selon différentes configurations : https://iifiir.org/fr/fridoc/etude-numerique-d-une-unite-de-refroidissement-au-co-lt-sub-gt-2-lt-sub-gt-pour-142966  

(3) Nawaz K. et al. Évaluation des performances du système de chauffe-eau à pompe à chaleur au CO₂ : https://iifiir.org/fr/fridoc/evaluation-des-performances-du-systeme-de-chauffe-eau-a-pompe-a-142961  

(4) Saeed M. Z. et al. Stockage thermique intégré et récupération de la chaleur du système frigorifique au CO₂ pour les navires de pêche : https://iifiir.org/fr/fridoc/stockage-thermique-integre-et-recuperation-de-la-chaleur-du-systeme-142990  

(5) Svendsen E. et al. Analyse des flux énergétiques d'une usine de transformation de la volaille : https://iifiir.org/fr/fridoc/analyse-des-flux-energetiques-d-une-usine-de-transformation-de-la-142994  

(6) Byrne P. et al. Étude d'une pompe à chaleur fonctionnant au dioxyde de carbone pour le refroidissement et le dessalement simultanés : https://iifiir.org/fr/fridoc/etude-d-une-pompe-a-chaleur-fonctionnant-au-dioxyde-de-carbone-pour-le-142939  

(7) Lawrence N. et al. Amélioration d'une unité de conditionnement d'air de wagon par conversion à la technologie au R744 transcritique : https://iifiir.org/fr/fridoc/amelioration-d-une-unite-de-conditionnement-d-air-de-wagon-par-142906

Toutes ces présentations sont téléchargeables dans FRIDOC (gratuit pour les membres IIF).