[Dossier énergies renouvelables] #18 - Valorisation de la chaleur fatale et systèmes à absorption de petite taille

Les sources de chaleur fatale sont nombreuses en milieux urbains et présentent un fort potentiel de valorisation dans les bâtiments et donc de diminution de la consommation énergétique. La production de chaleur par panneaux solaires thermiques peut venir complémenter cette ressource. 

Des pistes sont actuellement en développement afin de valoriser ces sources fatales et d’énergie renouvelable. L’utilisation la plus directe consiste à alimenter les systèmes de chauffage via des micro-réseaux pour alimenter le chauffage des bâtiments alentour ou des réseaux de chaleur urbains. Cependant, il est également possible de valoriser cette chaleur en été en utilisant des systèmes thermodynamiques, dits machines à absorption, qui produisent du froid à partir de chaleur. Ainsi, le CEA–Liten et ABMI se sont-ils rapprochés pour proposer conjointement une opération pilote de démonstration sur ces systèmes à absorption dans un quartier de la région parisienne. Le CEA développe des systèmes à absorption pour différents usages dans différents environnements et maîtrise les technologies adaptées à ces applications urbaines. Cette expertise technologique accompagnée de la capacité d’ABMI à l’industrialisation et à la détection de source de chaleur fatale (via l’outil de détection de source RECOVHEAT, outil développé par l’institut Efficacity avec la contribution ABMI permettant de détecter les gisements de chaleur fatale en milieu urbain) permettront le développement d’un système de valorisation de la chaleur pour contribuer au chauffage durant l’hiver et à la climatisation pendant l’été. Les besoins thermiques des bâtiments urbains tout au long de l’année pourraient ainsi être couverts intégralement par de la valorisation de chaleur fatale et de la production solaire thermique.

Valorisation de la chaleur fatale – un enjeu énergétique

On entend par chaleur fatale, l’émission de chaleur issue d’un processus qui ne consomme pas ou seulement partiellement la chaleur qu’il produit. Il s’agit donc de chaleur perdue qui constitue un gisement d’énergie « gratuite » qu’il convient de valoriser.

Les sources de chaleur fatale en France représentent un potentiel énergétique significatif, que ce soit dans l’industrie, ou en milieu urbain. L’ADEME estime le potentiel énergétique associé à la chaleur fatale de l’industrie à 109,5 TWh, dont la moitié est perdue à plus de 100°C. À ce potentiel industriel, se cumule un potentiel urbain significatif de l’ordre de 8 TWh pour la chaleur issue des UIOM (Unités d’Incinération d’ordure Ménagères), STEP et Data center, et une autre estimation évalue à 17 TWh la chaleur fatale à plus de 60°C à proximité des réseaux de chaleur. 

Par conséquent, la valorisation de la chaleur fatale représente un enjeu significatif dans lequel sont impliqués à la fois : 

• Le CEA-Liten, qui développe des technologies de systèmes thermodynamiques, tels que les machines à absorption, qui produisent du froid (ou du chaud de plus haute température) à partir de chaleur (Figure 1).
• L’institut EFFICACITY qui mène des travaux de recherche sur l’identification des gisements de chaleur fatale, ainsi que sur des simulations énergétiques à l’échelle du quartier.
• Enfin, ABMI, actionnaire fondateur de l’institut EFFICACITY, impliqué dans les travaux relatifs à la chaleur fatale, et qui dispose d’une forte expérience dans la conception et l’industrialisation de biens manufacturés.

Autour de ces trois acteurs, a été envisagée une collaboration, qui consiste à répartir des prototypes opérationnels du CEA-Liten, de les adapter à des cas d’utilisation concrets, et d’en faire un produit compact, robuste, fiable et à un prix attractif pour l’utilisateur final.

Figure 1 : Machine à absorption de 5 kW de froid développée par le CEA-Liten.

Que sont les systèmes à absorption 

Les machines à absorption sont des pompes à chaleur réversibles à « compression thermique » utilisant des couples de fluides appelés réfrigérant/sorbant présentant de fortes affinités afin de remplacer la « compression mécanique » de vapeur des machines traditionnelles qui est opérée par un compresseur électrique. Il s’agit de machines trithermes (c.-à-d. utilisant trois niveaux de températures) multi-sources et multi-applications : 

• L’énergie thermique nécessaire à leur fonctionnement (entre 70 et 200°C) peut être issue d’une combustion, d’énergie solaire thermique, de rejets de chaleur industriel, d’un réseau de chaleur, de géothermie moyenne température, etc. ;
• La chaleur de condensation et d’absorption (entre 20 et 55°C) peut être valorisée en chauffage ou préchauffage d’eau chaude sanitaire ;
• Le froid produit à l’évaporateur (entre -30 et +15°C) peut être utilisé pour des applications de déshumidification, climatisation ou réfrigération.

L’avantage de ce cycle à absorption est que le seul apport d’énergie mécanique nécessaire se situe au niveau de la pompe servant à faire circuler la solution (réfrigérant + absorbant) dont le travail est environ 96 fois inférieur au travail que le compresseur de vapeur doit fournir pour des conditions de fonctionnement similaires. Deux couples de fluides sont principalement utilisés : eau/bromure de lithium et ammoniac/eau. Dans ces deux cas, les fluides frigorigènes utilisés ne présentent aucun impact environnemental (ni sur effet de serre, ni sur la couche d’ozone), à la différence des fluides frigorigènes traditionnels utilisés dans les pompes à chaleur et la climatisation.

Les sources d’énergie sont majoritairement issues de la chaleur fatale, mais peuvent être également issues :

• D’installation solaire thermique : on dénombre environ 1000 systèmes de climatisation solaire installés dans le monde. 
• Du gaz : lors du congrès INPAC qui s’est tenu le 17 septembre 2019 à Paris, le Centre R&D ENGIE a présenté le panorama des solutions thermodynamiques utilisant du gaz comme source d’énergie, avec des machines à absorption pour application chauffage sur une gamme de puissance de 5.9 à 140 kW. 
• Des réseaux de chaleur : en Europe, nous pouvons citer comme exemples le réseau de froid de Barcelone avec 2 refroidisseurs à absorption de 4.5 MW par unité, ou le réseau de froid de Helsinki avec 10 machines de froid à absorption de 3.5 MW par unité.

Au regard de l’analyse du marché, le CEA-Liten a développé une technologie de machines à absorption s’appuyant sur le couple ammoniac/eau qui a pour avantage une large plage de fonctionnement en température aux bornes de la machine, froid positif ou en froid négatif : de 15 à -15°C; ambiance de 15 à 55°C sans risque de cristallisation. Au cours des dernières années, différents prototypes ont été conçus : un premier prototype de laboratoire de 5 kW conçu en 2011 ; un prototype « préindustriel » de 5 kW, conçu en 2013, basé sur le précédent mais compacté de manière à préfigurer un produit industriel par une limitation de l’instrumentation de laboratoire ; un prototype de 100 kW conçu en 2014, valorisant les rejets de chaleur d’une installation solaire à concentration via une production de glace en grain ; et récemment un prototype de 9 kW d’une machine à absorption fonctionnant en ambiance très chaude (55 °C) a été conçu avec succès.

Production de chaleur renouvelable via les systèmes solaires thermiques

Un système solaire thermique exploite le rayonnement du Soleil afin de le transformer directement en chaleur. Ce principe est utilisé depuis longtemps pour les chauffe-eau solaire et les systèmes de chauffage pour bâtiments résidentiels. Plus récemment, des capteurs solaires ont été développés spécifiquement à destination des réseaux de chaleur urbains et des procédés industriels. Ces panneaux solaires sont beaucoup plus grands (10 à 15m²) et différentes technologies (sous vide, à concentration) présentent une meilleure efficacité et permettent d’atteindre des températures plus élevées que les capteurs traditionnels.
 

Quels enjeux dans l’utilisation de petits systèmes à absorption ?

L’utilisation de petits systèmes à absorption permet de capter à la source de petits gisements de chaleur fatale, ce qui permet de limiter, voire de supprimer, tout transport de chaleur et les déperditions associées. Toutefois, multiplier le nombre d’appareils représente un coût qu’il convient de compenser grâce aux économies générées par l’utilisation d’une source d’énergie gratuite. Compte tenu des applications envisagées dans le résidentiel, le tertiaire, ou l’agro-alimentaire, les puissances des systèmes envisagés seraient de l’ordre de 3 à 10kW.

Une machine à absorption produisant du froid à partir d’une source de chaleur gratuite (fatale ou solaire) permet de réduire de 96% la consommation d’électricité par rapport à une climatisation traditionnelle. Par exemple un climatiseur standard générant une puissance de froid de 5 kW, nécessite une puissance électrique de 2.5 kW environ ; alors qu’une machine à absorption équivalente valorisant de la chaleur fatale de l’ordre de 8 kW ne consomme que 100 W électrique environ pour produire 5kW de froid. Ce bilan de puissance est illustré par un schéma Figure 2. 

Figure 2 : Illustration du bilan énergétique pour un système de climatisation classique et une solution à absorption avec une réduction de 96% de la consommation électrique.

Un autre potentiel d’un tel dispositif est d’apporter une solution pour valoriser la production solaire thermiques qui peut être surabondante en été. En effet, les systèmes solaires thermiques pour alimenter des réseaux de chaleur se développent petit à petit. Ils sont en plein essor en Europe du Nord et en Autriche et encore émergent en France où ils sont encouragés par le dispositif fonds chaleur de l’ADEME. Le rendement d’une installation solaire thermique est 2 à 3 fois supérieure à celui du photovoltaïque et l’injection de chaleur dans les réseaux urbains contribue directement en hiver au chauffage et à la production d’eau chaude sanitaire. En été, la chaleur excédentaire peut être valorisée par une machine à absorption installée dans une sous-station d’un bâtiment. Ainsi la régulation thermique du bâtiment tout au long de l’année est possible via la valorisation de la chaleur. 

Si un système par absorption peut paraître relativement complexe aujourd’hui, c’est qu’il ne bénéficie pas de l’effet d’optimisation et de standardisation des climatisations classiques air-air produites en très grandes séries depuis des dizaines d’années. Aussi, l’un des enjeux majeurs est-il de travailler à l’industrialisation du dispositif avec pour atteindre un coût cible correspondant à un retour sur investissement pour l’utilisateur final compris entre 2 et 4 ans.

Les atouts du partenariat CEA-Liten - ABMI

Pour faire face à ces défis, le partenariat entre le CEA-Liten et ABMI permet d’associer d’une part l’expertise du CEA sur les systèmes à absorption, ainsi son expérience de prototypage à différentes échelles, et d’autre part les capacités d’ABMI à réaliser une conception robuste avec une approche « grande série » avec des travaux de R&D sur certains composants stratégiques, ainsi  qu’une équipe impliquée avec EFFICACITY dans le développement de l’outil RECOV Heat (Figure 3), outil dédié à l’identification des gisements de chaleur fatale.

La mise en œuvre d’une première expérimentation est actuellement à l’étude, le financement est assuré à hauteur de 70%, et le consortium est à la recherche d’une collectivité prête à s’investir dans l’aventure. 

Figure 3 : Exemple de détection de source de chaleur fatale par l’outil RECOVHeat 

Article signé : Françoise BURGUN, Responsable programme et partenariats, Énergie pour les territoires et l’industrie au CEA-Liten, Hai Trieu PHAN, Chef de projets au CEA-Liten, Damien CABUT, Chef de projet Recherche & Développement du Groupe ABMI, François DECHAMP, Directeur Recherche et Innovation du Groupe ABMI.

Crédit photo : @Joshcala, CEA

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