Le développement des applications frigorifiques du stockage d’énergie thermique et des PCM

De nombreux articles présentés lors de ces conférences montrent que les matériaux à changement de phase (PCM), et plus généralement les systèmes de stockage d'énergie thermique (TES), présentent des avantages significatifs dans un large éventail d'applications du froid. 

 

13^e conférence de l'IIF sur les matériaux et coulis à changement de phase

Ainsi, lors de la 13^e conférence de l'IIF sur les matériaux et coulis à changement de phase pour le froid et le conditionnement d’air (conférence PCM), des résultats prometteurs ont été mis en avant dans les domaines suivants : 

 

Transport frigorifique 

Des chercheurs italiens (1) ont présenté les avantages de l'ajout d'une couche de PCM d’épaisseurs différentes à la paroi d’isolation traditionnelle en polyuréthane de 5 cm d'un camion frigorifique. Des simulations transitoires 2D réalisées en appliquant une irradiation solaire horaire variable d'une journée d'été typique à Vicence montrent que, pour tous les scénarios évalués, même une couche de PCM de très faible épaisseur peut assurer la stabilité de la température à l'intérieur de la cellule du camion pendant la majeure partie d’un trajet quotidien. 

 

Meubles de vente frigorifiques 

Selon des auteurs norvégiens (2), les systèmes TES utilisant des PCM peuvent réduire considérablement les variations de température dans un meuble de vente lors du chargement de produits chauds, des cycles de dégivrage ou des coupures de courant. Cela contribue à réduire la perte de qualité du produit et à diminuer les pertes alimentaires. Avec une part croissante d'énergies renouvelables intermittentes dans le réseau électrique, les systèmes améliorés par des PCM bénéficient d'une électricité à faible coût pendant les périodes de faible demande. L'excès de froid stocké peut être utilisé ultérieurement pendant les périodes de forte demande. Un prototype TES a été développé en utilisant de l'eau comme PCM intégré dans un évaporateur. Ce système a été comparé expérimentalement à un cas de référence n'utilisant pas de PCM. Les résultats montrent le potentiel qu’a le TES à base de PCM de maintenir la température de l'air du meuble basse en permanence, prolongeant ainsi la durée de conservation et la qualité du produit. Les systèmes TES à base de PCM, une fois chargés, assurent un refroidissement des produits pendant plusieurs heures après la désactivation de l'évaporateur principal. 

 

Bateaux de pêche 

Un article rédigé par des chercheurs du SINTEF (3) évalue l'intégration du stockage thermique avec le système refroidi à l’eau de mer (RSW) d'un bateau de pêche. Plusieurs scénarios ont été étudiés. L'utilisation de glace dans les réservoirs de réfrigération comme stockage de froid permet de compléter le système RSW et de réduire le temps de réfrigération total. Cela a été testé par l'ajout de 5 m3 de glace, ce qui a réduit le temps de refroidissement de 30 minutes. Des modifications de conception dans les réservoirs ont également été introduites pour évaluer le potentiel du stockage thermique intégré. Un concept de stockage thermique à insérer a également été conçu, utilisant un PCM avec une température de changement de phase de 4 °C. Les résultats ont montré que 1 m3 de stockage d'énergie thermique pouvait fournir en moyenne 30 kWh pour refroidir le poisson pendant les pics de charge. 

 

Conditionnement d’air 

Des chercheurs russes (4) ont étudié l'application d'un système TES inséré après l'évaporateur (avec un séparateur installé en aval) connecté à la conduite de fluide entre le détendeur et l'évaporateur. En mode charge, le TES fonctionne comme un évaporateur, le séparateur peut être utilisé comme un séparateur de liquide normal sur la conduite d'aspiration. En mode refroidissement avec TES, le compresseur est arrêté et le frigorigène est mis en circulation par une pompe. Le frigorigène sortant de l’évaporateur se recondense dans le TES en raison de sa capacité de refroidissement. De cette façon, l'énergie thermique stockée dans le TES est libérée directement dans l'évaporateur par le frigorigène lui-même. La configuration proposée ne génère pas d'économies d'énergie mais réduit les coûts énergétiques à 42 % du coût sans TES grâce au transfert de l'électricité consommée pendant la période nocturne. Le fonctionnement en série du TES et du compresseur permet de réduire le volume du TES requis. 

 

La 9^e Conférence de l’IIF sur les technologies du froid à l’ammoniac et au CO₂

La 9^e Conférence de l’IIF sur les technologies du froid à l’ammoniac et au CO₂ à Ohrid a également traité de la question du TES et des PCM : 

 

Transformation alimentaire 

Des chercheurs de NTNU (5) en Norvège ont souligné que les demandes de froid dans les usines de transformation alimentaire peuvent varier considérablement au cours d’une semaine en fonction des calendriers de production. De ce fait, il est fréquent de connaître des pics de consommation électrique dus au fonctionnement des équipements de frigorifiques pendant la journée. L'intégration de la technologie TES dans le système frigorifique permet un écrêtement important des pics de consommation, déplaçant la charge des heures de pointe aux heures creuses. L’article présente les résultats d'une étude expérimentale menée sur une nouvelle unité TES à plaques dans un réservoir intégrée dans un système frigorifique au CO₂ à circulation par pompe à -5 °C pour le refroidissement des aliments. L'unité est constituée d'un empilement de plaques capitonnées montées dans un conteneur en acier inoxydable rempli d'un PCM organique (point de fusion de -9 °C). Le frigorigène circule à travers les canaux à l'intérieur de chaque plaque capitonnée et s'évapore et se condense respectivement pendant le processus de charge et de décharge. Les résultats démontrent la faisabilité d'intégrer une unité TES avec PCM directement dans le circuit de frigorigène, en utilisant un processus de congélation/fusion du PCM et un processus d'évaporation/condensation du frigorigène dans le même échangeur de chaleur. 

 

 

Sources :

(1) Calati M. et al, Numerical Analysis of Latent Thermal Energy Storage for Refrigerated Trucks, IIR PCM conference: lien. 

(2) Jokiel M. et al, Cold storage using phase change material in refrigerated display cabinets: experimental investigation, IIR PCM conference: lien.

(3) Saeed M. Z. et al, Thermal energy storage with PCM for refrigerated sea water system of fishing vessels, IIR PCM conference: lien. 

(4) Egorova A. I. et al, Air Conditioning System with Integrated Cold Storage for Domestic Use, IIR PCM conference: lien. 

(5) Selvnes A. et al, A cold thermal energy storage unit for CO₂ refrigeration using phase change material: First experimental results, IIR Ohrid conference: lien.