Électrification de l'industrie grâce à des pompes à chaleur flexibles

Qu'elles produisent des aliments, des boissons, des médicaments, des métaux ou du papier, ou qu'elles traitent des surfaces et des textiles, les entreprises industrielles ont besoin de chaleur industrielle pour de nombreuses applications. Une grande partie de cette chaleur est encore produite en brûlant des combustibles fossiles. Par conséquent, la production de chaleur industrielle représente une grande partie des émissions de gaz à effet de serre (GES) dans le secteur industriel mondial. En Suisse, elle est responsable d'environ 8% des émissions totales de GES.

Le secteur industriel pourrait déjà produire de la chaleur industrielle jusqu'à 200 degrés Celsius de manière écologique, en utilisant des pompes à chaleur industrielles fonctionnant avec de l'électricité produite à partir de sources renouvelables. Malgré ce potentiel, les pompes à chaleur sont encore peu répandues dans l'industrie. En effet, les modèles existants sont généralement des constructions coûteuses, fabriquées sur mesure pour une application industrielle et une température spécifiques.

Des chercheurs et chercheuses de l'ETH Zurich et de la Haute école spécialisée de Suisse orientale à Buchs ont mis au point une solution qui permet aux pompes à chaleur de produire de la chaleur de manière économique et flexible à différentes températures allant jusqu'à 200 degrés Celsius. Cette solution répond beaucoup mieux aux besoins du secteur que les solutions disponibles sur le marché. C'est 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 produisent de la chaleur pour le chauffage ou la chaleur industrielle en évaporant un fluide frigorigène dans un système fermé, puis en faisant passer le gaz dans un compresseur pour en augmenter la température. La chaleur ainsi obtenue peut ensuite être utilisée pour chauffer des bâtiments ou pour des processus industriels.

Dans les pompes à chaleur classiques, la température atteignable et le profil de température sont largement déterminés par le choix du fluide frigorigène. Tous les composants de la pompe à chaleur - de l'évaporateur et du compresseur au condenseur et au détendeur - sont adaptés à ce fluide frigorigène. Si une usine a besoin de chaleur à différentes températures pour plusieurs applications, elle ne peut actuellement le faire qu'en utilisant plusieurs pompes à chaleur, chacune avec un fluide frigorigène différent. C'est à la fois coûteux et peu pratique, et c'est pourquoi les pompes à chaleur n'ont pas réussi à s'imposer dans le secteur industriel.

Un mélange de réfrigérants pour plus de flexibilité

André Bardow, professeur d'ingénierie des systèmes énergétiques et des processus à l'ETH Zurich, pense que son équipe a trouvé une meilleure solution : «Au lieu d'un seul réfrigérant, 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 réfrigérants peut être modifiée pour répondre à différentes applications. Il s'agit là d'un avantage majeur pour les entreprises : au lieu de devoir reconfigurer l'ensemble de 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 réfrigérant traditionnel et d'un autre composant. Le profil de température de la pompe à chaleur est dicté par le rapport entre ces deux ingrédients. «En principe, il est possible d'obtenir un nombre illimité de profils différents pour les processus industriels, tant que les températures ne dépassent pas 200 degrés. C'est le principal avantage de notre technologie», explique André Bardow.

Utilisation d'un modèle informatique pour identifier le bon mélange

Afin d'identifier les composants appropriés pour le mélange de réfrigérants, les chercheuses et chercheurs ont développé un modèle informatique qui simule le circuit de la pompe à chaleur avec différentes variantes du mélange de réfrigérants. «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, scientifique principal dans le groupe de recherche d'André Bardow.

Le modèle des scientifiques s'appuie sur plus de 200 millions de molécules synthétiques connues pour simuler un mélange de deux molécules offrant les performances les plus efficaces en matière de pompe à chaleur.

Partenaires initiaux pour l'usine pilote

Une fois que les chercheurs et chercheuses ont trouvé le mélange réfrigérant optimal, elles et ils ont confirmé ses propriétés dans le laboratoire de pompes à chaleur de la Haute école spécialisée de Suisse orientale. «Les tests ont montré que notre mélange augmente l'efficacité d'une pompe à chaleur industrielle disponible dans le commerce de 25%, comme nous l'avions prévu», explique le professeur Stefan Bertsch, qui dirige le laboratoire des pompes à chaleur. Les scientifiques ont également pu démontrer comment les différentes compositions du mélange réfrigérant affectent le profil de température.

L'équipe espère maintenant fournir des exemples encore plus concrets de la manière dont sa technologie pourrait profiter à des applications industrielles spécifiques. La nouvelle pompe à chaleur devrait présenter un intérêt particulier pour les industries alimentaire, pharmaceutique et chimique, où de nombreux processus requièrent des températures inférieures à 200 degrés.

Parallèlement, les scientifiques travaillent en étroite collaboration avec des fabricants de pompes à chaleur tels que MAN Energy Solutions ou Scheco AG, ainsi qu'avec des partenaires industriels suisses tels que Lindt. La prochaine étape consistera à planifier et à construire une usine pilote pour réaliser d'autres tests.