ARTICLE DE SYNTHESE

ARTICLE DE SYNTHESE
ARTICLE DE SYNTHESE
Le professeur Clark Bullard est co-fondateur, en 1989, de l’Air Conditioning and Refrigeration
Center (ACRC) à l’University of Illinois à Urbana-Champaign, et il a été directeur de ce centre jusqu’en
2002. Ayant pris sa retraite en tant qu’enseignant, il reste néanmoins chercheur actif au Center. Il est
l’auteur de plus de 100 publications techniques couvrant un éventail important de technologies, dont
un bon nombre traitent de l’action combinée des forces du marché et des politiques des pouvoirs
publics sur l’innovation technologique. Son expérience des politiques vis-à-vis de la technologie date
des années 1970 alors qu’il était directeur de la Conservation and Advanced Systems Policy Office à
l’US Department of Energy, et analyste senior à l’US Congress Office of Technology Assessment. Ses
recherches actuelles sont principalement axées sur le développement de nouveaux composants en
vue de maximiser l’efficacité énergétique et de réduire les charges de frigorigène de la nouvelle
génération de technologies dans les domaines du conditionnement d’air et du froid.
Membre actif de l’IIF, il est Président de la Commission B2, Equipements frigorifiques. En 2004, il a
reçu l’Anderson Medal, la distinction la plus importante en matière technologique, décernée par
l’American Society of Heating, Refrigerating and Air-conditioning Engineers (ASHRAE). Pour
davantage d’informations sur les activités de Clark Bullard et sur celles de l’ACRC, consultez :
http://acrc.mie.uiuc.edu/
Systèmes transcritiques au CO2 – progrès récents et
nouveaux défis
par
Clark Bullard
Air Conditioning and Refrigeration Center
University of Illinois at Urbana-Champaign, Etats-Unis
e-mail : [email protected]
INTRODUCTION
Cet article a été préparé suite à une demande de
l'IIF afin d’examiner l'intérêt accru et récent pour
les technologies utilisant le CO2, en synthétisant
l'état de l'art et en explorant les applications
probables. Bien que les avantages et
inconvénients des systèmes frigorifiques au
dioxyde de carbone aient fait l’objet de nombreux
débats au sein de la communauté scientifique
depuis 15 ans, il n'a été porté à l'attention du
public que récemment par le vote de mars 2004
du Parlement européen d’interdire le frigorigène
utilisé universellement pour le conditionnement
d'air automobile, le HFC-134a. Ceci marque la
première action internationale destinée à interdire
l’une des applications de ce fluide, l’un des
"nouveaux" frigorigènes développés en réponse
au Protocole de Montréal (1987), qui a rendu
obligatoire l'élimination des frigorigènes chlorés
afin de protéger la couche d'ozone.
En 1987, les responsables politiques et le public
s’attaquaient au problème urgent de protection
de la couche d'ozone ; cependant, peu de
personnes avaient prévu la possible élimination
des frigorigènes de remplacement eux-mêmes
dans le futur. L'intérêt que suscite aujourd'hui le
dioxyde de carbone provient de la préoccupation
vis-à-vis des émissions de gaz à effet de serre et
du réchauffement planétaire, ainsi que de
l'engagement du Parlement européen en faveur
du Protocole de Kyoto. La nouvelle génération de
frigorigènes de la famille des hydrofluorocarbures
(HFC) a un important potentiel de réchauffement
planétaire – moins que leurs prédécesseurs qui
étaient des substances appauvrissant l'ozone,
mais tout de même plus de 1000 fois le potentiel
du dioxyde de carbone pour la plupart d’entre
eux. L'accent mis d’abord sur le conditionnement
d'air automobile est lié à la réputation notoire de
ce secteur, perçu comme responsable de fuites
importantes lorsqu’on le compare à d'autres
applications.
Le dioxyde de carbone est réapparu comme un
éventuel substitut des frigorigènes de la famille
des hydrofluorocarbures en 1989, et les premiers
résultats majeurs ont été publiés par Lorentzen et
Pettersen1 à un symposium de l'IIF en Norvège
en 1992. Ultérieurement, des recherches
importantes ont été lancées dans des universités
aux Etats-Unis et en Asie. Dès 1999, la Society
of Automotive Engineers (Société des ingénieurs
de l'industrie automobile, SAE) commença à
organiser des symposiums annuels, où l'industrie
automobile mondiale se rencontre pour échanger
des informations techniques et pour comparer les
performances des véhicules dans le climat très
chaud de Phœnix aux Etats-Unis.2
A la différence de la plupart des frigorigènes qui
peuvent rejeter de la chaleur dans l'air par
l'intermédiaire
de
la
condensation
aux
températures extérieures habituelles, le dioxyde
de carbone fonctionne selon un cycle
transcritique, s'évaporant dans la région souscritique et rejetant la chaleur à des températures
au-dessus du point critique dans un refroidisseur
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de gaz au lieu d'un condenseur. C'est ce cycle
qui est considéré pour le conditionnement d'air
automobile, le chauffage résidentiel et le
chauffage d’eau, et d'autres applications. Les
recherches sur les applications conventionnelles
sous-critiques du CO2 sont aussi en cours dans
le secteur du froid industriel.
L'état de l'art de la technologie du cycle
transcritique au CO2 dans des applications
diverses du froid, du conditionnement d'air et des
pompes à chaleur a récemment été passé en
revue en profondeur.3 Cet article présente
l'historique et la réapparition du frigorigène
naturel CO2, ses propriétés thermodynamiques et
de transport, les cycles au CO2 transcritique de
base et certaines modifications de cycle
proposées, les caractéristiques du transfert de
chaleur et de chute de pression dans les
systèmes à CO2, et les problèmes de conception
liés à la pression élevée lors du fonctionnement.
Il explore aussi les défis au niveau de la
conception des composants et les obstacles à
franchir avant la commercialisation. Sauf si
autrement cité ci-après, le lecteur peut trouver le
support utilisé pour rédiger ce compte rendu
succinct, en consultant ce dossier détaillé de la
littérature technique.
PROPRIETES
CARBONE
DU
DIOXYDE
DE
La pente de la courbe de pression de vapeur
pour le CO2 est 4 à 10 fois plus forte que celle
d'autres frigorigènes, moins denses, comme le
montre la Figure 1 de [3]. Par conséquent, les
évaporateurs et les échangeurs de chaleur
internes (ligne d'aspiration) peuvent être conçus
pour fonctionner avec un débit massique élevé
pour réaliser un transfert de chaleur élevé avec
seulement une faible augmentation de puissance
du compresseur. Le transfert de chaleur dans le
refroidisseur de gaz est amélioré par une autre
propriété thermodynamique, car la chaleur
spécifique isobare est infinie au point critique et
relativement élevée aux pressions typiques de
fonctionnement légèrement au-dessus de ce
point. Les propriétés thermodynamiques uniques
du cycle transcritique produisent des isothermes
presque plates juste au-dessus du point critique,
comme le montre le diagramme P-h dans la
Figure 2 de [3]. Dans les applications de
conditionnement d'air, les températures de sortie
du refroidisseur de gaz sont normalement audessus du point critique, donc l'enthalpie de
sortie du refroidisseur de gaz peut être nettement
diminuée en utilisant le détendeur pour
augmenter légèrement la pression au-dessus du
point critique. Si l'on continue à accroître la
pression, les rendements décroissent ; ainsi
l'efficacité du cycle peut être maximisée en
ajustant la haute pression. Les HFC, les
hydrocarbures,
l’ammoniac
et
d’autres
frigorigènes fonctionnent selon un cycle souscritique sans maximum local, si bien que le
détendeur est utilisé pour contrôler l’état du fluide
à la sortie de l'évaporateur. Un réservoir basse
pression est en général utilisé pour le cycle
transcritique pour assurer que le CO2 sorte de
l'évaporateur sous forme de vapeur saturée, et
pour fournir une charge de frigorigène suffisante
pour le contrôle de la haute pression.
Certaines propriétés de transport du CO2 luimême
compensent
une
efficacité
thermodynamique inférieure inhérente au cycle
transcritique, notamment une conductivité
thermique du liquide et de la vapeur plus élevée,
et une viscosité du liquide inférieure. Sa tension
superficielle plus faible améliore le transfert de
chaleur par évaporation en favorisant l'ébullition
nucléée, mais des modifications du cycle (par
exemple, dérivation de la vapeur instantanée) ou
des stratégies de contrôle qui maintiennent un
état diphasique à la sortie de l'évaporateur
peuvent s’avérer nécessaires afin de tirer profit
4
de façon maximale de cette propriété.
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s=const
P [bar]
Tex = const
100
3
80
ε
COP ==
2
qo
w
60
4
40
To
qo
20
1
w
h [kJ/kg]
Figure 2. Diagramme pression-enthalpie du CO2 : cycle transcritique
Transcritical cycle in the CO2 pressure-enthalpy diagram
MODULATION DU DEBIT
MODIFICATIONS DU CYCLE
Sur un point, le cycle transcritique ne diffère pas
de ceux de ses concurrents – son efficacité peut
être augmentée en modulant le débit du
frigorigène pour éliminer les pertes dans le cycle
et pour utiliser en continu les échangeurs de
chaleur, au lieu du mode intermittent avec des
cycles tout ou rien. Au cours de la dernière
décennie, la perspective du réchauffement
planétaire a annoncé une nouvelle ère : celle de
coûts énergétiques plus élevés et de
réglementations s’appliquant aux fluorocarbures.
Dans les parties du monde où les prix de
l'énergie sont déjà élevés, l'efficacité du cycle
simple à compression de vapeur est améliorée
par l’incorporation de capteurs, d’actionneurs et
de régulateurs pour moduler le débit du
frigorigène.
Malheureusement,
l'efficacité
maximale qu’on peut obtenir avec cette approche
atteint vite une limite spécifique liée au
frigorigène : le COP lorsque le frigorigène en
question est utilisé dans un cycle classique à
compression de vapeur opérant entre les
températures de la source chaude et de la
source froide. Ainsi, dans le cas du CO2, comme
dans celui des frigorigènes conventionnels, la
recherche aujourd'hui se concentre sur les
façons de modifier le cycle standard de
compression de vapeur, comme il est
communément fait dans les systèmes de taille
industrielle où les coûts énergétiques sont
déterminants.
Il y a plusieurs façons d’améliorer le cycle
thermodynamique de n'importe quel frigorigène
en le rapprochant du cycle idéal de Carnot – un
rectangle sur le schéma T-s. Dans le cas du CO2,
ses
plus
grandes
pertes
exergétiques
(irréversibilités) sont liées au processus de
détente et à sa température de rejet de chaleur
élevée. La façon la plus simple de réduire les
pertes à la détente est de refroidir le frigorigène
en amont du détendeur en transférant la chaleur
dans un échangeur interne, au gaz froid de la
ligne d'aspiration. La même approche a été
appliquée pendant des décennies à de nombreux
frigorigènes classiques, mais la pression élevée
que nécessite le CO2 a engendré le
développement d'une conception unique de
"sandwich à microcanaux" comme le montre la
Figure 3, qui est plus performant que les
conceptions simples à doubles tubes employées
par le passé. Les points d'alimentation des
microcanaux à faible diamètre et qui supportent
la pression augmentent considérablement la
surface, alors que la chute de pression peut être
réduite en ajoutant simplement des orifices
d'alimentation parallèles.5
Pour réduire les pertes liées au rejet de chaleur
du refroidisseur de gaz ayant un grand ∆T, la
température de refoulement du compresseur
peut être réduite par une compression multiétagée avec refroidissement intermédiaire.
Montré de façon schématique sur la Figure 4, le
refroidissement intermédiaire réduit le volume du
gaz au deuxième étage du compresseur,
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réduisant ainsi le travail requis.6 En réduisant les
différentiels de pression interne, la compression
multi-étagée permet également l'utilisation de
compresseurs rotatifs, qui seraient autrement
sujet aux fuites internes excessives au niveau du
piston.7 Des analyses effectuées par Huff et al.
suggèrent que diverses combinaisons d'échange
de chaleur interne et de compression biétagée
pourraient augmenter l'efficacité du cycle de 38 à
63 % par rapport au cycle classique.8
Figure 4. Two-stage compression with
intercooling and internal heat exchange
Compression biétagée avec refroidissement
intermédiaire et échange de chaleur interne
L'échange de chaleur interne ne constitue pas la
seule façon de réduire les pertes importantes
dues à la détente, inhérentes au cycle
transcritique. Le travail potentiel récupérable des
variations de pression et de volume importantes
lors de la détente isenthalpique suggère qu'un
système avec travail extérieur pourrait générer
assez de travail pour faire marcher une pompe
ou un ventilateur, ou éventuellement le
compresseur
du
deuxième
étage.9
L'inconvénient de cette approche est qu'elle entre
en concurrence pour les mêmes pertes
exergétiques avec l'échangeur de chaleur
interne, qui est un dispositif beaucoup plus
simple et moins coûteux. Cependant, les
bénéfices potentiels s’avèrent plus importants
lorsque l'efficacité isentropique dépasse 0,5 ;
ainsi, les mécanismes permettant la récupération
et la transmission de ce "travail perdu" font l’objet
de recherches en cours.
TECHNOLOGIES DES COMPOSANTS
Hormis les modifications des composants dictées
par la nature du cycle et décrites ci-dessus, les
pressions de fonctionnement élevées et les
propriétés uniques du CO2, elles aussi, donnent
lieu à des contraintes au niveau de la conception
des composants conventionnels, tels que les
échangeurs de chaleur et le compresseur. Par
exemple, les pressions élevées nécessitent des
tubes à faible diamètre pour minimiser les
contraintes ainsi que des matériaux adaptés. En
dépit des préoccupations selon lesquelles les
pressions élevées présenteraient des risques
insurmontables en matière de sécurité, le
développement d'échangeurs de chaleur à
microcanaux ultra-compacts a considérablement
réduit ce risque, en confinant le frigorigène dans
des centaines de canaux parallèles submillimétriques. Par exemple, le volume plus petit
du coté frigorigène compense quasi-totalement la
pression élevée pour produire une énergie
d’explosion qui est comparable à celle du R-22,
et la charge réduite atténue le risque d'inhalation
lié à la libération prolongée ou soudaine dans un
10
espace occupé.
La compacité du compresseur est une autre
innovation liée aux caractéristiques pression
élevée/faible volume du CO2 ; les volumes
balayés sont 6 à 8 fois inférieurs à ceux du
R-134a et la sensibilité aux pertes au niveau du
détendeur est réduite en raison de la densité
élevée de la vapeur. Dans les compresseurs
automobiles où la compacité est d’une
importance capitale, des volumes balayés plus
petits peuvent permettre de réduire la taille des
composants. Néanmoins, certains des premiers
prototypes étaient plus lourds à cause de la plus
grande résistance requise au niveau du carter
des moteurs des compresseurs hermétiques,
mais il n'apparaît pas encore clairement si les
versions commerciales seront désavantagées
par leur poids. Les faibles taux de compression
ont engendré des efficacités plus élevées, et les
différences de pression importantes à l’intérieur
du compresseur ont donné lieu à une évolution
vers des prototypes de compresseurs à piston ou
rotatifs biétagés. L'évaluation des lubrifiants pour
le cycle transcritique est encore en cours ; le
polyalkylène glycol (PAG) est préféré pour son
pouvoir
lubrifiant,
les
dérivés
d'esters
aromatiques pour leur aptitude à supporter des
températures élevées et les polyolesters (POE)
pour leur miscibilité tout au long du cycle
transcritique. La faible miscibilité des huiles
minérales synthétiques est compensée par leurs
propriétés supérieures d'écoulement à basse
température ; ainsi, le choix ultime pourrait porter
sur un mélange de deux lubrifiants voire
davantage.
Les applications dans le transport nécessitent
des systèmes légers et compacts ; ces exigences
ont abouti à l'utilisation de tubes plats à orifices
multiples (microcanaux) dont les diamètres sont
inférieurs à 1 mm. De tels échangeurs de chaleur
brasés en aluminium ont été utilisés depuis plus
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d'une décennie en tant que condenseurs pour le
R-134a dans les systèmes de conditionnement
d'air automobiles. Cependant, la nécessité
d'utiliser la même technologie dans les
évaporateurs à CO2 focalise l'attention sur le
problème de distribution des gouttelettes de
frigorigène biphasique uniformément parmi des
centaines de canaux parallèles.11 Ce problème
de distribution du frigorigène, allant de pair avec
le besoin de développer des échangeurs de
chaleur à microcanaux résistants au gel, pose de
sérieux
obstacles
au
développement
d’évaporateurs au CO2. En attendant, pour les
conditionneurs d'air et les pompes à chaleur
résidentielles où la formation de givre est un
problème et où les contraintes de volume sont
moins sévères, des tubes circulaires à faible
diamètre (5 à 7 mm) à ailettes plates à surfaces
augmentées sont actuellement étudiées au stade
de prototype, pour résoudre le problème de
distribution en réduisant au minimum le nombre
de circuits pour que des distributeurs de
frigorigène classiques puissent être utilisés.
La performance du système transcritique au CO2
est très sensible à la température de sortie du
frigorigène du refroidisseur de gaz, où une faible
variation de température engendre un grand
changement d'enthalpie dû à la chaleur
spécifique isobare élevée. La Figure 5 montre
comment une diminution supplémentaire de la
température du frigorigène de 2°C peut
augmenter le COP de 11 % tout en réduisant la
pression de refoulement, optimisant ainsi le COP
du refroidisseur de gaz d'un système de
12
Cette
conditionnement d'air automobile.
observation a abouti à la conception d'un
refroidisseur de gaz contre-courant croisé à
plusieurs nappes comme le montre la Figure 6.
Celui-ci résulte de l'invention d'une méthode de
fabrication par un constructeur important, et de la
validation ultérieure du prototype en laboratoire
et
dans
des
véhicules
d’essai.13
Entrée du
frigorigène
Entrée du
frigorigène
1re nappe, 14 tubes
Air
2e nappe, 13 tubes
3e nappe, 11 tubes
Sortie du
frigorigène
Sortie du
frigorigène
Figure 6. Conceptions de refroidisseurs de gaz à courants croisés et à contre-courants croisés
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FACTEURS
DETERMINANTS
L'INNOVATION
DE
Trois facteurs déterminants influencent les
premières phases de commercialisation de la
technologie au CO2. En premier lieu, il convient
de citer les actions réglementaires liées au
Protocole
de
Kyoto,
qui
stimulent
le
développement de la génération actuelle de
prototypes de conditionneurs d'air mobiles.
Cependant, sur le long terme, les progrès en
matière d'efficacité énergétique des véhicules va
créer un manque de chaleur "perdue"
traditionnellement
utilisée
pour
chauffer
l’habitacle en hiver, et stimule le développement
de technologies de remplacement. Un certain
nombre de technologies utilisées actuellement
(par exemple, des systèmes de chauffage à
résistance électrique, ou à frottements) ont un
COP = 1, alors qu'une pompe à chaleur air-air
transcritique au CO2 aurait pu produire de la
chaleur à une température élevée a COP >3
immédiatement lors du démarrage du véhicule.14
Le désir des fabricants de plaire aux
"consommateurs verts" constitue le deuxième
facteur. Les engagements pris par un fabricant
important de boissons non alcoolisées pour
passer aux frigorigènes naturels dans ses
refroidisseurs de boissons avant les jeux
olympiques de 2004 ont stimulé la concurrence
parmi les constructeurs de systèmes à
compression de vapeur utilisant le CO2 et les
hydrocarbures, ainsi que des cycles Stirling. Pour
des raisons semblables, plusieurs grandes
sociétés du secteur agro-alimentaire sont en train
de concevoir des systèmes frigorifiques biétagés
en cascade (CO2 et ammoniac) utilisant des
frigorigènes naturels afin de remplacer les
frigorigènes conventionnels tels que les
frigorigènes chlorés en passe d’être éliminés.
Les forces conventionnelles du marché
constituent le troisième facteur et sont les plus
dominantes et durables. A présent, elles exercent
leur plus forte influence dans le secteur du
chauffage domestique d'eau au Japon, où la
demande est plus forte le soir (à l’heure du bain),
et où les tarifs d’électricité avantageux aux
heures creuses encouragent l’accumulation
d’eau plus économique la nuit. Pour le secteur
commercial, les sociétés multinationales sont en
train de développer de grands (~20 kW)
systèmes de chauffage d'eau pour les lavevaisselle des cafétérias ; ces systèmes sont
utilisés simultanément pour produire de l'eau
glacée comme sous-produit, pour les applications
en mode refroidissement ou pour d'autres
15
utilisations.
D'autres applications sont encore au stade
expérimental. Le séchage des vêtements est un
exemple où le cycle transcritique fournit de la
chaleur à la température élevée requise sans
perdre en efficacité, et le côté froid reste
disponible pour condenser la vapeur d'eau afin
de la rejeter sous forme liquide. Pour le
chauffage en résidentiel, les recherches
préliminaires ont confirmé que le CO2
transcritique est moins efficace et a un plus fort
impact sur le réchauffement planétaire total
équivalent (TEWI) en mode conditionnement d'air
que le R-410A, le frigorigène HFC de prédilection
actuel. Cependant, son efficacité en mode
chauffage saisonnier est potentiellement plus
élevée, parce que la plus grande puissance des
systèmes au CO2 à basse température réduit le
besoin de chauffage à résistance électrique
supplémentaire. Les résultats indiquent que la
consommation d’énergie annuelle globale
pourrait être équivalente à celle des systèmes
utilisant des HFC dans des climats maritimes
sans hiver rigoureux comme Seattle, et pourrait
être plus efficace dans les climats continentaux
comme celui de Chicago, à condition que les
pompes à chaleur soient conçues et
dimensionnées pour les besoins du chauffage
16
plutôt que pour le mode refroidissement.
PERSPECTIVES
Le potentiel de réchauffement planétaire des
HFC a initialement stimulé la recherche destinée
à trouver des frigorigènes naturellement
dégradables dans l'atmosphère, contrairement
aux substances synthétiques nouvelles dont la
chimie atmosphérique est nocive ou encore peu
connue. Dans le cas du CO2, l’approche initiale
permettant son évolution à été le développement
de technologies pour la production en masse
d'échangeurs de chaleur légers et contenant un
frigorigène à haute pression dans des canaux à
faible diamètre.
La recherche pratiquée depuis que les systèmes
transcritiques au CO2 ont commencé à susciter
un intérêt renouvelé, il y a 10 ans, a été très
conventionnelle de plusieurs points de vue.
Principalement, elle a imité, à un rythme
accéléré, les types de recherche effectuées sur
les systèmes sous-critiques au siècle dernier. En
même temps, les améliorations apportées aux
côtés air ou eau des échangeurs de chaleur au
CO2 ont promu tous les frigorigènes de la même
manière en amenant la vraie performance
thermodynamique des systèmes plus près du
cycle à compression de vapeur idéal.17 La plupart
des recherches spécifiques sur le CO2 en tant
que frigorigène se sont concentrées sur les
manières
d’exploiter
ses
propriétés
thermodynamiques et de transport uniques afin
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de réduire les pertes du compresseur et des
échangeurs de chaleur. Le résultat logique d'une
telle stratégie de recherche est d'amplifier
l'importance du choix du frigorigène, en
favorisant les fluides les plus efficaces dont les
cycles conventionnels à compression de vapeur
ressemblent de très près au rectangle sur le
diagramme T-s.
Cette stratégie traditionnelle de recherche n'est
bien sûr pas suffisante pour le CO2 en raison de
l'efficacité plus faible inhérente au cycle
conventionnel lié au fonctionnement transcritique.
Elle a cependant créé des niches spécialisées
pour plusieurs applications où l’aspect le plus
important correspondant à la partie nonrectangulaire du cycle transcritique (sa
température élevée de rejet de chaleur) constitue
un
atout
qui
compense
sa
perte
thermodynamique. Ces applications sont le
chauffage d'eau et le conditionnement d'air
mobile, détaillés dans les paragraphes suivants.
Applications pour les pompes à chaleur
La demande pour l'eau chaude domestique se
produit autant pendant les saisons de chauffage
que pendant les saisons de refroidissement, et
les températures d’approvisionnement désirées
(60 à 90°C, selon le coût du volume
d’accumulation) dépendent directement du
glissement de température supercritique dans le
refroidisseur de gaz à CO2. Par conséquent,
l’eau peut être fournie au coût marginal de
l’énergie les jours très chauds, avec un faible
coût supplémentaire lorsque les charges de
refroidissement sont faibles, simplement en
utilisant le détendeur pour augmenter la haute
pression suffisamment pour rejeter la quantité
désirée de chaleur à la température voulue. De
même, pendant la saison de chauffage, le
compresseur peut assurer selon les besoins, soit
le chauffage des locaux (air ou hydronique), soit
le chauffage d’eau sanitaire, toujours à l'aide du
détendeur pour assurer le chauffage dans
chacun des cas à la température appropriée. En
toute saison, on peut donc chauffer de l’eau
sanitaire avec une efficacité dépassant de loin
celle du chauffage à l’aide d'une résistance
électrique.
Il en va de même pour l'eau chaude dans le
secteur tertiaire, comme dans l'exemple de la
cafétéria citée ci-dessus. Beaucoup d’immeubles
commerciaux ont une demande faible d’eau
glacée tout au long de l'année, donc l'eau chaude
peut être fournie comme un sous-produit du cycle
transcritique avec peu de frais supplémentaires.
Néanmoins, l'avantage économique du CO2
transcritique est limité aux applications
nécessitant
l’approvisionnement
à
des
températures dépassant environ 40°C, sinon
l'eau peut être préchauffée en utilisant la chaleur
rejetée d'un système sous-critique et simplement
complétée en utilisant la chaleur plus coûteuse
obtenue à l’aide d'une résistance électrique.
Puisque les installations à cycle mixte à gaz
naturel modernes peuvent produire de l'électricité
avec une efficacité de plus de 50 %, les pompes
à chaleur utilisées à grande échelle répondent
déjà plus efficacement que la combustion directe
à la demande en modes chauffage de locaux et
chauffage d'eau. Cependant, la future viabilité
économique des pompes à chaleur sera
déterminée par les coûts relatifs d’immobilisation
des capitaux et de l’énergie. C’est seulement
lorsque ces conditions seront réunies que se
posera la question des avantages respectifs des
systèmes de pompes à chaleur utilisant les HFC
sous-critiques comparés aux systèmes au CO2
transcritique. La réponse sera influencée dans
une certaine mesure par la température de
chauffage exigée, et dans une plus grande
mesure, par la nécessité de réduire les émissions
de gaz à effet de serre directes et indirectes, et
de mesurer ces réductions à l’aide d’indicateurs
tels que TEWI.
Applications pour le conditionnement d'air
automobile
Dans le conditionnement d’air automobile, on a
besoin de systèmes légers et ultra-compacts, la
température élevée du rejet de chaleur par le
refroidisseur de gaz à CO2 favorise l'utilisation de
petits échangeurs de chaleur. L'impact direct
négligeable sur le réchauffement planétaire du
CO2 est un avantage important qui tend à
compenser sa perte d'efficacité lorsqu’il fait
extrêmement chaud, et sa température de rejet
de chaleur plus élevée permet de réduire la taille
des échangeurs de chaleur, permettant ainsi
d’économiser davantage de carburant par
l'intermédiaire
d'une
conception
plus
aérodynamique du véhicule. Le coefficient de
traînée aérodynamique de la voiture est très
sensible à la forme et à la pente de l'avant du
véhicule où le condenseur ou le refroidisseur de
gaz ont traditionnellement été situés afin de
réduire au minimum la recirculation de l’air chaud
du moteur lorsqu'il tourne au ralenti, et pour
recevoir l'air forcé lorsque le véhicule se déplace.
Des systèmes de contrôle sont en train d'être
développés pour profiter du degré de liberté
supplémentaire lié au cycle transcritique,
permettant d'échanger l'efficacité contre une plus
grande puissance lorsqu’il faut abaisser
rapidement la température de l’habitacle au
démarrage du véhicule. La capacité de contrôler
la haute pression de cette manière présente
également un moyen de réduire davantage la
taille du refroidisseur de gaz dans une
conception à haute température.
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Applications pour la réfrigération, la congélation
et le conditionnement d'air
Afin d’envisager une large utilisation du CO2 à
long terme, il faut regarder au delà des marchés
niches où le rejet de chaleur à haute température
constitue un avantage économique (par exemple
pour le chauffage, ou pour la compacité comme
en conditionnement d'air automobile). L'efficacité
du cycle classique au CO2 est tellement faible
qu'il ne suffit pas de travailler simplement les
composants pour que le vrai cycle se rapproche
du cycle idéal. Pour des applications de
refroidissement, le cycle lui-même doit être
modifié pour l'amener plus près de l'efficacité
idéale. La mesure la plus rentable, l’échange
thermique interne, a déjà été prise en compte
dans des applications automobiles et de
chauffage d'eau, mais les recherches futures
devront se concentrer sur la réduction de la
différence de température entre l'air et le
frigorigène du refroidisseur de gaz, réalisant un
glissement de température qui s’approche de
celui de la source de chaleur. Les prochaines
étapes logiques exigeront des composants
supplémentaires
et
des
contrôles
plus
complexes, y compris des dispositifs tels que la
compression
à
plusieurs
étages
avec
refroidissement intermédiaire et une réduction
plus grande des pertes à la détente, etc. A moins
que le cycle transcritique puisse être modifié de
manière rentable de façon telle que son handicap
énergétique soit plus faible que l'impact direct sur
le réchauffement planétaire des HFC souscritiques, il sera peu susceptible de devenir le
cycle de prédilection dans la plupart des
applications de refroidissement.
Il est donc instructif de regarder vers le futur à
long terme et d'imaginer quels genres de
développements technologiques futurs pourraient
être requis pour les systèmes transcritiques au
CO2 afin de permettre une utilisation répandue
dans les applications de refroidissement. Un
scénario
potentiellement
plausible
serait
caractérisé par des réductions continues du coût
des capteurs, des actionneurs et des régulateurs
de microprocesseurs, et de les incorporer dans
les articles produits en masse. Un tel progrès en
R&D diminuerait l'avantage en terme de coût
dont bénéficient actuellement les frigorigènes
ayant
les
propriétés
thermodynamiques
favorables dans les cycles classiques, et
permettrait aux frigorigènes d'être sélectionnés
en se basant sur leur sécurité vis-à-vis de
l'environnement et leur compatibilité avec les
divers composants conçus pour améliorer le
cycle. Tout comme les méthodes modernes pour
améliorer les circuits du côté frigorigène ont
diminué l'importance des propriétés de transport
des frigorigènes, les technologies de contrôle des
microprocesseurs
et
d'intégration
des
composants peuvent ainsi également diminuer
l'importance des propriétés thermodynamiques
des frigorigènes.
La recherche sur les frigorigènes de substitution
continue sur un bon nombre de voies parallèles,
y compris l'exploration de l'utilisation des
hydrocarbures ou de l'ammoniac en réduisant au
minimum la charge ou en employant les boucles
à frigoporteur. Chacune de ces voies donne des
résultats étonnants, comme le montre le cas du
dioxyde de carbone. Ces efforts ont en commun
d’amener la recherche fondamentale, à se
concentrer sur une technologie dont le
développement a traditionnellement évolué de
façon régulière dans l'intérêt de la fiabilité.
Depuis que le Protocole de Montréal a montré
que les données empiriques spécifiques des
frigorigènes sont dépassées, l'industrie est
entrée dans une ère de changement
technologique discontinu. Avec le CO2 et les
autres frigorigènes de substitution, nous avons
évolué au-delà du stade de développement des
technologies, où les nouveaux frigorigènes
remplaçaient simplement les anciens dans les
vieux systèmes. Nous apprenons que les
différents frigorigènes exigent des composants et
des contrôles fondamentalement différents pour
amener leur cycle thermodynamique simple plus
près de l'efficacité thermodynamique idéale.
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