Le R1234yf comme fluide actif dans les systèmes à cycle organique de Rankine

Le R1234yf est un HFO à faible PRP, dont la toxicité et les propriétés thermodynamiques sont similaires à celles du R134a, avec une durée de vie minimale dans l’atmosphère. Il a un indice d’inflammabilité faible qui permet des conditions de fonctionnement plus sûres. Le R1234yf a également une température critique (368 K) plus basse que les fluides actifs couramment utilisés dans les systèmes à cycle organique de Rankine (ORC) (tels que R134a, R141b, R152a, R245fa, R600, R600a, R1234ze(E)). R1234yf est donc considéré comme un candidat potentiel pour remplacer les HFC dans les systèmes ORC. 

 

Selon un article de synthèse récent, le R1234yf et ses mélanges sont les plus efficaces sur le plan énergétique lorsqu’ils sont utilisés dans des systèmes ORC fonctionnant avec une source de chaleur dans la plage des basses températures. ^[1] Des études ont conclu que le fait de modifier la configuration d’un système ORC ou d’ajouter des composants tels que des préchauffeurs, des réchauffeurs ou des échangeurs de chaleur internes, contribuait à améliorer l’efficacité thermique et la puissance électrique produite. En outre, les propriétés du R1234yf permettent d’améliorer les performances thermiques. 

 

Selon les auteurs de l’article de synthèse, les systèmes ORC basés sur la récupération de l’énergie résiduelle des moteurs à combustion interne représentent un axe de recherche majeur en termes de performance du R1234yf. En effet, dans les véhicules conventionnels, seulement 40 % environ de l’énergie du carburant est convertie en énergie utile pour la conduite du véhicule, tandis que les 6 0% restants sont évacués dans les gaz d’échappement et dans le système de refroidissement du moteur. La chaleur résiduelle des gaz d’échappement atteint des températures supérieures à 200 °C, tandis que celle du système de refroidissement est comprise entre 80 et 120 °C. Les systèmes ORC adaptés à la récupération de la chaleur résiduelle sont donc une technologie prometteuse, offrant une efficacité élevée avec une configuration simple. 

 

Dans une étude, un système ORC a été optimisé sur le plan thermoéconomique pour la récupération de la chaleur d’un moteur diesel pour des applications marines. ^[2] Dans des conditions de fonctionnement optimales et avec une température d’entrée de la turbine de 110 °C, le R1234yf a donné de meilleurs résultats que les autres fluides étudiés (R1234ze, R152a, R600a et R245fa). La puissance électrique nette produite était de 320,3 kW, avec un rendement thermique de 9,45 %, le plus élevé de l’étude. Pour la plage de pression de 0,4 à 3 MPa, le R1234yf offrait les valeurs de puissance électrique produite les plus élevées. Toutefois, les coûts d’exploitation dans de telles conditions étaient plus élevés pour le R1234yf que pour les autres fluides. 

 

En effet, dans les systèmes ORC à récupération de chaleur résiduelle des moteurs à combustion interne, les échangeurs de chaleur engendrent des coûts d’investissement plus élevés, surtout lorsque des équipements supplémentaires sont inclus (tels que les préchauffeurs, les échangeurs de chaleur internes et les réchauffeurs).  

 

 

 

Peu de recherches ont été faites sur d’autres systèmes ORC basés sur l’énergie géothermique ou solaire. Dans les quelques études sur l’utilisation de l’énergie géothermique dans les systèmes ORC utilisant le R1234yf, celui-ci a montré la meilleure performance énergétique par rapport à d’autres frigorigènes respectueux de l’environnement, ainsi qu’une plus grande production d’énergie, en particulier lorsque des réchauffeurs étaient inclus. En ce qui concerne les études sur l’utilisation de l’énergie solaire dans les systèmes ORC, l’utilisation du R1234yf et de ses mélanges a souvent produit des résultats défavorables en termes de performance. 

 

• Pour plus d’informations sur les systèmes à cycle de Rankine, les articles de la conférence IIF Rankine 2020 sont disponibles en téléchargement sur FRIDOC : 

 

 

Sources
^[1] García-Pabón JJ, Méndez-Méndez D, Belman-Flores JM, Barroso-Maldonado JM, Khosravi A. A Review of Recent Research on the Use of R1234yf as an Environmentally Friendly Fluid in the Organic Rankine Cycle. Sustainability. 2021; 13(11):5864. https://doi.org/10.3390/su13115864
^[2] Yang M-H, Yeh R-H. Thermo-economic optimization of an organic Rankine cycle system for large marine diesel engine waste heat recovery. Energy 2015, 82, 256–268. https://doi.org/10.1016/j.energy.2015.01.036