Du CO2 dans les pompes à chaleur

Pompes à chaleur : du CO2 supercritique contre le réchauffement climatique


Remplacer les fluides frigorigènes de synthèse par du dioxyde de carbone dans les pompes à chaleur ou les climatiseurs automobiles, reviendrait à réduire d’un facteur 1000 les émissions de gaz à effet de serre de ces appareils. Abandonné dans les années 1930, le CO2 pourrait revenir au goût du jour sous forme de fluide supercritique, grâce aux travaux des chercheurs du LITEN au CEA de Grenoble.


Alors que l’entrée en vigueur du protocole de Kyoto condamne à court terme les frigorigènes issus de la pétrochimie qui détruisent la couche d’ozone et contribuent à l’effet de serre (CFC, HCFC, HFC), les chercheurs du LITEN du CEA de Grenoble travaillent sur une pompe à chaleur fonctionnant... au CO2 ! Elle pourrait notamment être un substitut écologique aux chaudières classiques pour le chauffage et la production d’eau chaude sanitaire dans le bâtiment. Ces travaux ouvrent également des perspectives intéressantes dans le domaine de la climatisation automobile. Elles sont à l’étude dans le cadre d’un partenariat avec un équipementier français.
Abandonné dans le milieu des années 1930 pour des raisons pratiques, en raison de technologies non matures à cette époque le dioxyde de carbone a un effet de serre relativement restreint. L’impact d’un gaz sur la couche d’ozone se mesure en équivalents de CO2 rejetés. Or, un kilogramme de HFC libéré dans l’atmosphère (comme le R134a utilisé en climatisation automobile par exemple), a le même effet que 1400 kilogrammes de dioxyde de carbone ! Outre son impact environnemental largement inférieur à ceux de la plupart des fluides frigorigènes, le CO2 est compatible avec de nombreux matériaux et est doté de propriétés thermodynamiques intéressantes pour les pompes à chaleur. Il présente néanmoins quelques inconvénients qui ont un temps découragé les industriels : notamment, un fonctionnement à haute pression et une température critique de 31°C seulement, au-delà de laquelle il n’existe plus sous forme liquide. Difficile dans ces conditions de l’utiliser pour chauffer de l’eau à des températures suffisantes pour certaines applications...
La solution envisagée par les chercheurs grenoblois consiste à utiliser le CO2 à des conditions de température et de pression particulières. “Au delà de son point critique, le dioxyde de carbone entre dans une phase dite “supercritique”. C’est une phase aussi dense qu’un liquide mais dont les propriétés de transport - viscosité, diffusion – sont proches de celles d’un gaz”, expliquent Stéphane Colasson et Alain Maréchal. Avec le CO2 supercritique, il est possible, en augmentant la pression, de monter en température et d’atteindre jusqu’à 70 ou 80°C au lieu des 45°C obtenus avec des réfrigérants classiques. Cette propriété permet de cibler des applications nécessitant des températures élevées comme la production d’eau chaude sanitaire ou des fonctions de séchage industriel.
Afin de l’exploiter pleinement, l’équipe du LITEN a modifié la conception des échangeurs thermiques de manière à leur faire supporter la hausse de pression. Les pompes à chaleur comptent deux échangeurs : l’évaporateur et le condenseur (ou refroidisseur de gaz). "Il a fallu repenser l’architecture et réduire les dimensions des échangeurs pour faciliter leur tenue à la haute pression. Avec les HCF on travaillait à des pressions de 20 bars; or il faut ici monter aux alentours de 150 bars !" Les chercheurs ont également recalculé l’emplacement des ailettes disposées sur les tubes des échangeurs, de manière à optimiser les surfaces d’échanges et récupérer un maximum d’énergie.
Protégés par brevets, les résultats de ces travaux ont été mis en application pour construire un prototype de refroidisseur de gaz constitué de minitubes en inox d’à peine deux millimètres de diamètre. Les premiers tests, conduits en septembre 2006, ont révélé un coefficient de performance très correct. Reste à doubler la puissance thermique, actuellement de 2 à 3 KW. Les chercheurs ne manquent pas d’idées pour y parvenir. "Nous allons encore travailler sur le design des échangeurs, et regarder ce que peuvent nous apporter les nouvelles technologies développées pour l’automobile."