Chauffage et refroidissement durables : du froid grâce au soleil

Les rejets thermiques peuvent-ils nous rafraîchir? La réponse est oui ! Un projet de recherche suisse auquel l’Empa a participé et qui s’est terminé en novembre dernier l’a démontré de manière impressionnante. L’UE passe maintenant à la vitesse supérieure avec un projet de refroidissement industriel sous le soleil espagnol.

On ne saurait évidemment se passer de chauffer par exemple un potage, du risotto, la sauce tomate ou un poudingue au chocolat. Sans chaleur, n’y songez point! Une petite part de cette chaleur aboutit à l’estomac, le reste file dans l’environnement. Au-delà de notre cuisine, les autres sources de déperditions thermiques ne manquent pas : notre ordinateur dégage des calories, et ce n’est rien comparé au parc de serveurs de notre fournisseur Internet. Et puis la douche, dont l’eau encore chaude file par l’écoulement, comme celle du salon lavoir d’à-côté. Et notre voiture: son moteur dissipe plus de trois-quarts de l’énergie de l’essence sous forme de chaleur – le solde déplace la voiture.

Toute cette énergie est perdue, et cela doit cesser. Un groupe de chercheurs européens, dont fait partie une équipe de l’Empa, s’est fixé pour but de récupérer ces rejets thermiques.

L’intérêt de Matthias Koebel pour la question remonte au projet de recherche THRIVE («Thermally driven adsorption heat pumps for substitution of electricity and fossil fuels»), un projet initié par le IBM Research Center Zurich à Rüschlikon. Son objet: Que peut-on faire d’utile avec les énormes quantités de chaleur dissipées par les grands centres de calcul? Cette énergie suffirait-elle par exemple pour les refroidir? Les chercheurs d’IBM ont sollicité la collaboration d’une série de spécialistes en matériaux et en systèmes travaillant à l’EPF de Zurich, à la Haute Ecole Technique de Rapperswil (HSR), à la Haute Ecole d’Ingéniérie et de Gestion vaudoise HEIG-VD, à l’Institut Paul Scherrer et à l’Empa.

Objectif: Développer une pompe à chaleur dite à adsorption «transformant» les calories en froid.

Les pompes à chaleur à adsorption exploitent la chaleur pour produire du froid. Dans une zone de refroidissement, l’eau s’évapore et remplit sa fonction de réfrigérant. Dans la zone chaude, la vapeur d’eau est récupérée par un matériau adsorbant. Lorsque le matériau est saturé, il est séché par la chaleur extérieure et prêt à réamorcer un cycle réfrigérant.

Le matériau de l’Empa triple la puissance réfrigérante

En novembre 2018, à l’issue de 47 mois de travail, le projet arrivait à bon terme. Dans le cadre de THRIVE, les chercheurs de l’HSR ont commencé par réaliser une pompe à chaleur expérimentale d’une puissance de 1 kW, suivie d’une pompe à chaleur à adsorption dix fois plus puissante. Cette dernière suffirait à climatiser une maison familiale du sud de l’Europe en plein été.

Les pompes à chaleur à adsorption ne servent pas qu’à climatiser les maisons individuelles ou les parcs de serveurs, mais aussi à améliorer l’efficience des réseaux de chauffage à distance. Selon les calculs de l’HEIG-VD, elles permettraient, au niveau suisse, de réaliser des gains d’énergie de quatre à neuf pourcents sur le chauffage fixe et, selon les calculs du PSI, de 3 à 6 % supplémentaires dans le domaine des rejets thermiques industriels. L’équipe de Koebel a réussi à développer un nouveau matériau d’adsorption dont la puissance réfrigérante est plus de trois fois supérieure à celle du matériau utilisé en début du projet.

Koebel souhaite poursuivre dans cette voie. «Nous avons développé une éponge de carbone qui, grâce à ses micropores, peut adsorber une très grande quantité d’eau et convient donc remarquablement bien aux pompes à chaleur à adsorption», explique-t-il. Ce matériau est produit par pyrolyse à partir d’une résine synthétique. « Avec cette méthode, nous pouvons l’adapter très précisément à son utilisation. »

Adaptable à tous les besoins

Les pompes à chaleur à adsorption peuvent ainsi être utilisées dans différents contextes. Prenons une chaudière à pellets de bois. Elle produit plus de rejets thermiques qu’une grande cuisine. Pour transformer efficacement cette chaleur en puissance réfrigérante, le matériau adsorbant de la pompe à chaleur doit être spécifiquement réglé sur la source de chaleur comme sur le niveau de froid souhaité. « Nous commençons par spécifier le matériau souhaité sur la base des paramètres donnés, puis nous le fabriquons. »

Riche de cette expertise, l’équipe de l’Empa participe actuellement à un projet de recherche de l’UE nommé «HyCool» lancé en mai 2018 pour une durée de trois ans. Objectif: Le fabricant d’arômes Givaudan et le producteur espagnol de plats cuisinés Bo de Debò souhaitent couvrir les besoins en froid de leurs installations de production par le seul recours aux rejets thermiques et au solaire. La solution passe par le couplage d’une pompe à chaleur à adsorption avec une pompe à chaleur habituelle, ce qui donne une pompe à chaleur dite hybride. La consommation de courant électrique s’en trouve un peu augmentée, mais le tout s’avère extrêmement flexible.

Refroidissement solaire de plats cuisinés espagnols

La chaleur nécessaire au refroidissement doit être produite sur le toit d’une fabrique proche de Barcelone. Une surface de miroirs de 400 mètres carrés concentre les rayons solaires sur un tube, lequel produit de la vapeur qui, dans une pompe à chaleur à adsorption, fournit la puissance de refroidissement souhaitée. La fabrique est approvisionnée de la même manière en eau chaude industrielle pouvant atteindre 180°C, et en eau chaude pouvant atteindre 65°C pour son réseau sanitaire et, en hiver, le chauffage de sa halle de fabrication.

Chauffer des locaux ou des produits va bien entendu rester une nécessité. Nous devons toutefois apprendre à beaucoup mieux exploiter les rejets thermiques. Réduire la consommation de combustibles fossiles signifie aussi limiter le gaspillage de chaleur en utilisant les rejets thermiques à l’échelle industrielle.

[ Illustration – Crédit / EMPA ]