Conférence IIF Rankine 2020 : quels fluides actifs alternatifs pour les systèmes ORC ?

La conférence internationale Rankine 2020 de l’IIF sur le thème « Les progrès en matière de refroidissement, de chauffage et de production d'électricité », qui s'est déroulée du 26 au 29 juillet à Glasgow, au Royaume-Uni, a été l'occasion de mettre en avant le Cycle Organique de Rankine (ORC) comme un moyen éprouvé de convertir en électricité l'énergie provenant de sources à basse température telles que la chaleur géothermique, la chaleur résiduelle industrielle, la chaleur géothermique ou solaire ^{(1) (2)}.

 

En 2017, le nombre de centrales ORC opérationnelles était estimé à 1754, générant environ 2700 MW d'électricité. Les cycles ORC fonctionnent de la même manière que les centrales électriques conventionnelles à vapeur, mais utilisent à la place des fluides avec des températures d'ébullition plus basses. De plus, les systèmes ORC peuvent être optimisés pour rejeter la chaleur via des condenseurs refroidis par air, au lieu de condenseurs refroidis par eau. Cela peut aider à réduire la dépendance à l'eau pour la production d'électricité ⁽²⁾.

 

Le choix du fluide actif est un paramètre important lors de la conception et l'optimisation des systèmes ORC. Le HFC245fa est couramment utilisé comme fluide actif dans les applications ORC. Cependant, son GWP relativement élevé (880) justifie les travaux de recherche actuels sur des fluides alternatifs ayant un impact climatique moindre tout en présentant des propriétés thermodynamiques au moins aussi bonnes. Les HFO (hydrofluorooléfines), les HCFO (hydrochlorofluorooléfines) et les hydrocarbures sont les principales options qui ont été présentées lors de la conférence Rankine de l'IIF.

 

Dans leur étude ⁽²⁾, T. A. Jacob et B. M. Fronk ont ​​étudié expérimentalement les coefficients de transfert de chaleur par condensation à l’intérieur du tube et la chute de pression du HFO1233zd (E) dans des conditions ORC représentatives, et ont comparé les résultats avec les données relatives au R245fa et les corrélations de la littérature. Les expériences ont été menées dans un tube rond lisse avec un diamètre intérieur de 4,7 mm, des flux massiques de 100 à 400 kg.m-2.s-1 et des températures de saturation de 45 °C à 60 °C. Les résultats ont ensuite été utilisés pour concevoir et comparer la taille et la chute de pression d'un condenseur refroidi par air pour une installation ORC de 1 MW utilisant les deux frigorigènes. Le remplacement du R245fa par le R1233zd (E) a entraîné une réduction de 2,7 % de la taille mais une augmentation de 18,9 % de la chute de pression du frigorigène pour une production d'électricité équivalente.

 

G. Righetti et al ⁽³⁾ ont comparé les performances thermiques et hydrauliques du HFC245fa à celles du HFO1233zd (E), HFO1234ze (Z) et HCFO1224yd (Z) pendant la condensation et l'ébullition en écoulement dans des conditions de travail adaptées à l'ORC. Une approche générale a été adoptée, basée sur la deuxième loi de la thermodynamique au moyen de Critères d'Evaluation de Performance appropriés mis en œuvre sur des modèles semi-empiriques de coefficient de transfert thermique et de chute de pression, préalablement validés par des mesures expérimentales pour différents types de tubes. Les résultats montrent que les fluides frigorigènes alternatifs au R245fa présentent des performances comparables et, dans la plupart des cas, meilleures à la fois en condensation et en ébullition.

 

M. Amat-Albuixhech et al ⁽⁴⁾ ont testé expérimentalement la viabilité du HCFO1224yd (Z) dans un ORC existant à basse température de petite taille conçu pour le HFC-254fa. Les tests de conversion immédiate (drop-in) montrent un comportement similaire entre les deux frigorigènes et bien que le R-245fa offre une puissance de sortie plus élevée du détendeur, les rendements de cycle nets sont similaires et plusieurs ajustements peuvent être effectués pour compenser la production électrique inférieure.

 

M. T. White et A. I. Sayma ont présenté une étude d'optimisation thermodynamique paramétrique pour identifier les fluides actifs optimaux parmi 20 fluides potentiels et les architectures de cycle optimales pour les systèmes de production d’électricité à cycle de Rankine de petite taille pour une gamme de conditions différentes de sources de chaleur et de puits de chaleur. Les résultats indiquent que les cinq meilleurs fluides de travail, si l'on considère les performances de toutes les études de cas considérées, sont l'isobutane, l'isopentane, le n-propane, le HFO1233zd et le n-pentane. Lors de l'utilisation de l'isobutane et du n-propane, les cycles supercritiques sont généralement optimaux, tandis que les cycles sous-critiques sont généralement préférés pour l'isopentane et le n-pentane. Le R1233zd peut être utilisé dans les deux types de cycle. De plus, on constate que la sélection des fluides n'est pas affectée de manière significative par la disponibilité du puits de chaleur, tandis que les cycles sous-critiques sont préférés à des températures de source de chaleur plus basses et à de faibles chutes de température de source de chaleur, tandis que les cycles supercritiques sont meilleurs pour des températures de source de chaleur plus élevées et sont les plus appropriés pour maximiser la production d’électricité.

 

Sources :

⁽¹⁾ B. G. Meyer et al. Potentials of Zeotropic Mixtures with Large Temperature Glides as Working Fluids for Organic Rankine Cycles (ORC) and Heat Pumps. https://iifiir.org/fr/fridoc/142594

⁽²⁾ T. A. Jacob et al. Experimental Investigation of Low GWP Alternative R1233zd(E) for Use in Organic Rankine Cycle Condensers. https://iifiir.org/fr/fridoc/142573

⁽³⁾ G. Righetti et al. Heat-Transfer Assessment of the Low GWP Substitutes for R245fa in ORC. https://iifiir.org/fr/fridoc/142714

⁽⁴⁾ M. Amat-Albuixhech et al. Experimental Drop-In Replacement of HFC-245fa by HCFO-1224yd(Z), A Low-GWP Working Fluid Candidate for Low-Temperature Organic Rankine Cycles. https://iifiir.org/fr/fridoc/142635

⁽⁵⁾ M. T. White et al. Fluid Selection for Small-Scale Rankine Cycle Plants: Can You Draw Some Lines in the Sand? https://iifiir.org/fr/fridoc/142633