Innovations et défis pour un transport frigorifique durable

On estime qu'environ 15 % de l'énergie fossile mondiale est utilisée dans le secteur du transport frigorifique. Dans le cas des unités de froid à compression de vapeur - qui sont actuellement les systèmes les plus utilisés dans le transport frigorifique routier - les émissions de gaz à effet de serre dues au fonctionnement du système frigorifique, y compris les émissions directes et indirectes, peuvent atteindre 40 % des émissions totales du moteur du véhicule. L'alimentation électrique par des moteurs à combustion interne, principalement alimentés au diesel, et l'utilisation de frigorigènes caractérisés par des valeurs de GWP élevées expliquent ces émissions élevées. ⁽¹⁾

Dans un récent article de synthèse, des chercheurs italiens présentent les systèmes frigorifiques actuellement utilisés et leurs améliorations possibles, ainsi que des technologies alternatives susceptibles de réduire les impacts environnementaux du transport frigorifique routier. Leurs principales conclusions sont les suivantes :

L'utilisation du stockage d'énergie électrique permet une forte réduction de la consommation et des émissions dues au fonctionnement d'un système à compression, surtout s'il est couplé à un système photovoltaïque. Cependant, les systèmes PV, même s'ils sont couplés à un bloc-batterie, ne pourraient pas être suffisants pour satisfaire la demande de refroidissement, de sorte qu'un système de secours (moteur à combustion interne) reste nécessaire.
L'application de matériaux à changement de phase (PCM) est actuellement limitée par les problèmes de stabilité entre les PCM et les conteneurs, ainsi que les conditions opératoires limites imposées (température de fonctionnement, durée de l'effet frigorifique, pas d'optimisation de la forme des conteneurs). Cependant, le potentiel des PCM pour réduire la consommation d'énergie et les émissions est loin d'être négligeable.
Les systèmes cryogéniques représentent une alternative valable aux systèmes à compression traditionnels et permettent d'obtenir des durées de phases de pull-down inférieures. Cependant, la forte consommation d'énergie liée aux procédés de liquéfaction des gaz cryogéniques ne permet pas une réduction efficace des émissions liées au froid. Par conséquent, l'utilisation de ces systèmes est encore limitée.
Les systèmes frigorifiques à air et au CO₂ répondent à la demande de frigorigènes plus respectueux de l'environnement que les HFC actuellement utilisés, permettant une réduction des émissions directes. L'utilisation de systèmes à air est cependant limitée par le manque de composants standard pour une application dans le transport frigorifique. Ces dernières années, l'utilisation du R290 (propane) dans les systèmes à compression a été envisagée dans le transport frigorifique. Cependant, à ce jour, il existe encore peu d'études sur ses performances.
Les systèmes à absorption/adsorption permettent de récupérer l'énergie thermique résiduelle contenue dans les gaz d'échappement des véhicules, mais leur fonctionnement pose des difficultés aux faibles charges du moteur (température des gaz d'échappement inférieure à 200 °C). Ce problème peut être résolu en utilisant plusieurs méthodes, mais celles-ci augmentent considérablement la complexité du système. En général, ces systèmes sont encore étudiés en tant que prototypes. Une optimisation de la conception des composants, en termes de dimensionnement, est nécessaire pour intégrer ces systèmes dans l'enveloppe physique d'un véhicule frigorifique.

De manière générale, les technologies frigorifiques alternatives actuellement à l'étude pour une application dans le transport frigorifique ne sont pas compétitives en termes de performances. Les systèmes alimentés en récupérant l'énergie thermique résiduelle des gaz d'échappement du véhicule (c'est-à-dire les systèmes à absorption/adsorption, cycle de Brayton pour l'alimentation des systèmes frigorifiques) sont des solutions valables pour la réduction de la consommation d'énergie pour la production de froid. L'alternative la plus intéressante du point de vue de la réduction des émissions est certainement l'utilisation de piles à combustible pour la production d'énergie thermique et électrique, car celles-ci sont capables de réduire la charge du moteur et de garantir l'alimentation du système frigorifique.

Concernant l'amélioration possible des systèmes à compression actuels, les auteurs proposent une solution qui pourrait réduire à la fois les émissions directes et indirectes : l'utilisation d'un système PV/batterie pour alimenter l’unité à compression, l'ajout de PCM pour réduire la charge thermique et/ou l'augmentation du temps d'arrêt du compresseur et l'utilisation d'un frigorigène naturel, tel que le R290.

(1) Maiorino A, Petruzziello F, Aprea C. Refrigerated Transport: State of the Art, Technical Issues, Innovations and Challenges for Sustainability. Energies. 2021; 14(21):7237. https://doi.org/10.3390/en14217237