Un nouveau type de pompe à chaleur permet d’utiliser la chaleur plus efficacement

La moitié de la consommation totale d’énergie de la Suisse sert à chauffer et climatiser des bâtiments, produire de l’eau chaude ou actionner des processus industriels. Si l’on considère uniquement la consommation d’électricité, 40 % découlent du chauffage et du refroidissement de locaux ou de matériaux. Et cette énergie provient encore majoritairement de ressources fossiles et du nucléaire. « Si l’énergie thermique était utilisée plus efficacement, cela réduirait à la fois les émissions de CO₂ et la dépendance vis-à-vis de l’énergie nucléaire », explique Andreas Häberle, professeur en énergies renouvelables et en technologie environnementale à la Haute école technique de Rapperswil.

Une utilisation plus efficace implique entre autres une exploitation plus systématique de la chaleur dissipée. En effet, des quantités précieuses d’énergie thermique sont encore fréquemment perdues. Les pompes à chaleur dites « d’adsorption » permettraient précisément d’en tirer profit. Elles pourraient par exemple récupérer la chaleur dissipée par les usines ou les centres de calcul, ou optimiser l’énergie issue des installations solaires thermiques. Jusqu’à présent, la mise en œuvre de tels systèmes s’est cependant heurtée à des coûts d’investissement élevés. C’est pourquoi, dans le cadre d’un sous-projet du projet conjoint « Utilisation de chaleur avec des pompes à chaleur d’adsorption », M. Häberle et son équipe de recherche ont perfectionné la conception des pompes à chaleur d’adsorption. En équipant ces dernières de composants inédits et optimisés, ils ont amélioré le flux thermique au cœur de l’installation. Ces pompes à chaleur nouvelle génération sont par conséquent plus efficaces et plus rentables que les versions antérieures.

L’échangeur thermique, un facteur de coût décisif

À l’instar des pompes à chaleur à compression, déjà largement utilisées aujourd’hui, les pompes à chaleur d’adsorption peuvent puiser de la chaleur dans l’environnement et l’amplifier. Pour ce faire, elles nécessitent toutefois une température de sortie plus élevée, de l’ordre de 50 à 60°C. Par rapport aux pompes à chaleur traditionnelles, elles ont en revanche un avantage décisif : elles ne consomment presque pas d’électricité, puisqu’elles utilisent principalement de la chaleur en guise de source d’énergie.

Leur principe de fonctionnement est le suivant : la chaleur ambiante est tout d’abord utilisée pour vaporiser un fluide frigorigène – pour les pompes à chaleur d’adsorption, il s’agit en général tout simplement d’eau. La vapeur d’eau est dirigée vers un échangeur de chaleur à adsorption, en vue d’être adsorbée et comprimée par un matériau de sorption. Durant ce phénomène, la vapeur adsorbée et le matériau de sorption continuent de s’échauffer. Ensuite, l’installation a besoin d’un peu d’énergie thermique supplémentaire à une température supérieure pour restituer la vapeur échauffée, dans le langage technique c’est ce que l’on appelle la phase de désorption. Enfin, la chaleur emmagasinée peut être injectée dans un circuit de chauffage. Tout comme leurs homologues conventionnels, les pompes à chaleur d’adsorption sont réversibles et peuvent donc aussi servir au refroidissement.

Le composant le plus coûteux d’une telle installation est l’échangeur de chaleur à adsorption. C’est pourquoi, les chercheuses et chercheurs ont développé pour ce dernier de nouveaux composants, qu’ils ont d’abord conçu et testé à petite échelle en laboratoire. Pour ce faire, ils ont élaboré une chambre de mesure pouvant être placée sous vide. Dans cette chambre de mesure, ils ont testé le nouvel élément d’échangeur thermique avec des cycles d’adsorption-désorption de durée variable et avec diverses températures d’entraînement. Grâce à une balance intégrée à la chambre, ils ont pu déterminer la quantité de fluide frigorigène absorbée par le matériau de sorption à l’intérieur de l’échangeur thermique. Ceci a par exemple permis aux chercheuses et chercheurs d’étudier les effets d’une chute de pression et de déterminer la puissance de l’échangeur thermique en mode de chauffage et de refroidissement.

Lors de leurs tests et optimisations, les chercheuses et chercheurs avaient une application bien précise en tête : le refroidissement d’un centre de calcul. Ils se sont appuyés pour cela sur les travaux d’un autre sous-projet dans le cadre duquel quatre scénarios prometteurs avaient été conçus et évalués en vue d’une future mise en œuvre de pompes à chaleur d’adsorption.

L’installation passe à l’échelle supérieure

Après avoir optimisé l’élément d’échangeur thermique pour le refroidissement d’un centre de calcul grâce aux essais en laboratoire, les techniciens en environnement sont passés à l’échelle supérieure : ils ont élaboré des éléments un peu plus efficaces en aluminium – d’une longueur de 80 centimètres au lieu de 50 auparavant – et en ont combiné six d’entre eux pour former un échangeur thermique.

Lors de la conception des éléments, l’équipe s’est assurée que ceux-ci pouvaient être adaptés à différents matériaux de sorption. En effet, le matériau de sorption à l’intérieur des échangeurs thermiques joue également un rôle déterminant dans l’efficacité du processus. Un sous-projet séparé avait d’ailleurs été lancé dans le but de trouver un nouveau matériau hautes performances pour la nouvelle pompe à chaleur. Celui-ci devait pouvoir être intégré ultérieurement au nouvel échangeur de chaleur.

L’équipe autour de M. Häberle a également développé un nouvel évaporateur et un condenseur. Tout ceci a permis de donner naissance à une pompe à chaleur à adsorption optimisée d’une capacité de refroidissement de 10 kilowatts. À titre de comparaison, cette puissance serait suffisante pour climatiser un local de 160 à 200 mètres carrés.

Dans un premier temps, les techniciens en environnement ont testé la nouvelle pompe à chaleur avec un matériau de sorption répandu et peu coûteux fait de billes en gel de silice, avant d’expérimenter un matériau organo-métallique plus efficace mais nettement plus coûteux en fumarate d’aluminium.

À l’avenir, l’installation devrait fonctionner avec un matériau de sorption à base de carbone, spécialement développé dans le cadre d’un sous-projet dédié, grâce auquel elle devrait être plus efficace et plus économique que toutes les pompes à chaleur d’adsorption antérieures. D’après M. Häberle, plus rien ne devrait s’opposer à une optimisation et à une introduction accrue de ce type d’installations.