Les entreprises industrielles, qu’elles produisent des aliments, des boissons, des médicaments, des métaux ou du papier, ou qu’elles traitent des surfaces et des textiles, ont besoin de chaleur de procédé pour de nombreuses applications.
Une grande partie de cette chaleur est encore générée par la combustion de combustibles fossiles, ce qui contribue de manière significative aux émissions de gaz à effet de serre (GES) dans le secteur industriel mondial. En Suisse, cela représente environ 8 % des émissions totales de GES.
Le secteur industriel pourrait déjà générer de la chaleur de procédé jusqu’à 200°C de manière écologique, en utilisant des pompes à chaleur industrielles fonctionnant à l’électricité produite à partir de sources renouvelables. Cependant, malgré ce potentiel, les pompes à chaleur restent rares dans les environnements industriels. Les modèles existants sont souvent des constructions coûteuses, conçues sur mesure pour une application industrielle et une température spécifiques.
Une solution innovante développée par des chercheurs suisses
Des chercheurs de l’ETH Zurich et de l’Université des Sciences Appliquées de Suisse orientale à Buchs ont mis au point une solution permettant aux pompes à chaleur de générer de la chaleur de manière économique et flexible à diverses températures allant jusqu’à 200 degrés Celsius. Cette innovation répond beaucoup mieux aux besoins du secteur que les solutions commerciales disponibles, ce qui explique pourquoi de nombreuses entreprises suisses et internationales ont déjà manifesté leur intérêt pour cette technologie.
Exploiter la chaleur de l’environnement
Les pompes à chaleur exploitent l’énergie stockée dans la chaleur résiduelle ou dans l’air ambiant, les eaux souterraines ou le sol. Elles génèrent de la chaleur pour le chauffage ou pour les procédés industriels en évaporant un fluide frigorigène dans un système fermé, puis en faisant passer le gaz à travers un compresseur pour augmenter sa température. La chaleur obtenue peut ensuite être utilisée pour chauffer des bâtiments ou pour des processus industriels.
Dans les pompes à chaleur conventionnelles, la température atteignable et le profil de température sont largement déterminés par le choix du frigorigène. Tous les composants de la pompe à chaleur – de l’évaporateur et du compresseur au condenseur et à la vanne d’expansion – sont adaptés à ce frigorigène. Si une usine nécessite de la chaleur à différentes températures pour plusieurs applications, cela ne peut actuellement être réalisé qu’en utilisant plusieurs pompes à chaleur, chacune avec un frigorigène différent. Cela est à la fois coûteux et peu pratique, ce qui explique pourquoi les pompes à chaleur n’ont pas réussi à s’imposer dans le secteur industriel.
Un mélange de frigorigènes pour une flexibilité accrue
André Bardow, professeur d’ingénierie des systèmes énergétiques et des procédés à l’ETH Zurich, estime que son équipe a trouvé une meilleure solution : « Au lieu d’un seul frigorigène, nous utilisons un mélange. Cela permet à une pompe à chaleur d’utiliser différentes sources de chaleur et de générer différents profils de température. »
La composition du mélange de frigorigènes peut être modifiée pour répondre à différentes applications. C’est un avantage clé pour les entreprises : au lieu de devoir redessiner toute la pompe à chaleur chaque fois qu’elles ont besoin d’une température différente, elles peuvent simplement modifier le mélange, ce qui est beaucoup plus simple et moins coûteux.
Le mélange lui-même se compose d’un frigorigène traditionnel et d’un autre composant. Le profil de température de la pompe à chaleur est dicté par le ratio de ces deux ingrédients. « En principe, vous pouvez avoir un nombre quelconque de profils différents pour les processus industriels, tant que les températures ne dépassent pas 200 degrés. C’est le principal avantage de notre technologie », ajoute André Bardow.
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Utilisation d’un modèle informatique pour identifier le bon mélange
Pour identifier les composants appropriés pour le mélange de frigorigènes, les chercheurs ont développé un modèle informatique qui simule le circuit de la pompe à chaleur avec différentes variantes de mélange de frigorigènes.
« Nous avons étendu les modèles thermodynamiques existants pour les pompes à chaleur en intégrant les composants de la pompe à chaleur ainsi que la composition du mélange dans le processus d’optimisation », explique Dennis Roskosch, chercheur principal dans le groupe de recherche de Bardow.
Le modèle des chercheurs s’appuie sur plus de 200 millions de molécules synthétiques connues pour simuler un mélange de deux molécules offrant les performances les plus efficaces pour la pompe à chaleur.
Partenaires initiaux pour une usine pilote
Une fois que les chercheurs ont trouvé le mélange de frigorigènes optimal, ils ont confirmé ses propriétés dans le laboratoire de pompes à chaleur de l’Université des Sciences Appliquées de Suisse orientale.
« Les tests ont montré que notre mélange augmente l’efficacité d’une pompe à chaleur industrielle disponible dans le commerce jusqu’à 25 %, comme nous l’avions prédit », précise le professeur Stefan Bertsch, qui dirige le laboratoire de pompes à chaleur. Les chercheurs ont également pu démontrer comment différentes compositions du mélange de frigorigènes affectent le profil de température.
L’équipe espère maintenant fournir des exemples encore plus concrets de la manière dont leur technologie pourrait bénéficier à des applications industrielles spécifiques. La nouvelle pompe à chaleur est susceptible d’intéresser particulièrement les industries alimentaire, pharmaceutique et chimique, où de nombreux processus nécessitent des températures inférieures à 200 degrés.
En parallèle, les chercheurs travaillent en étroite collaboration avec des fabricants de pompes à chaleur tels que MAN Energy Solutions ou Scheco AG et avec des partenaires industriels suisses tels que Lindt. La prochaine étape consiste à planifier et à construire une usine pilote pour effectuer des tests supplémentaires.
Brendel L, Bernal S, Widmaier P, Roskosch D, Arpagaus C, Bardow A, Bertsch S. High-Glide Refrigerant Blends in High-Temperature Heat Pumps: Part 1 – Coefficient of Performance, International Journal of Refrigeration, 10 May 2024, doi: external page10.1016/j.ijrefrig.2024.05.005
