2.2 - Cycles CAPILI récepteurs

Le procédé CAPILI récepteur se distingue du mode moteur précédent de par son fonctionnement en mode pompe à chaleur (PAC), qui nécessite alors l’introduction d’un travail pour réaliser une production utile de froid et/ou de chaleur. Ce travail est consommé par une pompe hydraulique permettant de comprimer, toujours par l’intermédiaire d’un piston liquide, les vapeurs du fluide de travail contenues dans les cylindres de transfert alternativement en communication avec un évaporateur ou un condenseur.

Les procédés CAPILI-PAC reprennent la plupart des éléments des procédés CAPILI moteur,

excepté le moteur/turbine hydraulique MH et la pompe PHA₁ qui sont remplacés respectivement

par une pompe hydraulique PH pour comprimer, via le liquide de transfert, les vapeurs de fluide de travail, et par un dispositif pour détendre le fluide de travail de l’état de liquide saturé jusqu’à celui d’un mélange biphasique introduit dans l’évaporateur (Fig. 91). Selon le fluide de travail utilisé, l’étape de compression isentropique peut conduire à un mélange biphasique (1-2), ou à

de la vapeur surchauffée (1-2vs) qui générerait des irréversibilités thermodynamiques minimes.

Comme pour le mode moteur, le procédé CAPILI-PAC présente deux variantes de 2^ème ou de 1^er

type selon que la détente du liquide saturé en sortie du condenseur est respectivement réalisée de

manière isentropique (3-4₂) par l’intermédiaire d’une bouteille de détente adiabatique (BDA) ou

de manière isenthalpique (3-4₁), techniquement plus simple, par l’intermédiaire d’un détendeur

classique (VD). La détente idéalement isentropique pour la variante de 2^ème type permet ainsi de

récupérer un travail supplémentaire qui reste néanmoins très marginal, et conduit à des coefficients de performance (COP) ou d’amplification (COA) légèrement meilleurs que ceux de

la variante de 1^er type. Cependant ce gain étant relativement faible au regard de l’augmentation

de la complexité du procédé, la variante CAPILI-PAC de 1^er type apparaît finalement la plus intéressante.

L’enchaînement des phases est équivalent à celui du procédé moteur : une phase αβ à ∆P croissante suivie d'une phase βγ à ∆P quasi-constante. La gestion de ces phases est aussi régie par les variations de niveau du liquide hydraulique LT induites par les variations du volume de fluide de travail G dans les deux cylindres de transfert :

• phase αβ : à l’instant initial, le niveau de liquide LT est haut dans le cylindre CT’ et bas dans le cylindre CT, les deux cylindres étant tous deux à la pression Pb. La pompe

hydraulique aspire le liquide de transfert du cylindre CT’ qui se remplit alors en vapeur provenant de l’évaporateur, et refoule ce liquide de transfert dans le cylindre CT isolé du

condenseur. Le liquide de transfert pressurise alors progressivement les vapeurs, de P_b à P_h

au fur et à mesure que le cylindre CT se remplit. Simultanément, la détente du liquide saturée en sortie de condenseur est réalisée soit par la vanne de détente VD soit par la bouteille de détente adiabatique BDA. Ainsi, durant cette phase, les transformations suivantes ont lieu : détente isentropique (3-42) pour le CAPILI-PAC de 2^eme type ou

isenthalpique (3-41) pour le CAPILI-PAC de 1^er type, puis évaporation partielle (4-5) dans

l’ensemble Evaporateur-cylindre CT’ et compression isentropique (1-2vs) dans le cylindre CT. Durant cette phase, un travail à puissance croissante est donc fourni à la pompe hydraulique.

• phase βγ : la pompe hydraulique continue de remplir le cylindre CT en liquide hydraulique

de transfert. Lorsque la pression dans le cylindre CT devient supérieure à celle du condenseur, les vapeurs contenues dans CT sont alors refoulées vers le condenseur (2vs-3) par le clapet, tandis que des vapeurs continuent à être produites dans l’évaporateur et à s’expanser dans le cylindre CT’ (5-1). Durant cette phase, le travail est consommé par la pompe hydraulique à puissance quasi-constante.

Figure 91 : Schémas de principe des procédés CAPILI-PAC de 2^eme et 1^er type et évolutions possibles du fluide de travail G dans le diagramme de Mollier.

Comme pour le cycle CAPILI moteur, les variations de volume du fluide travail et du liquide hydraulique dans les cylindres impliquent que soit vérifiée l’équation v_2s−v₃ =v₁−v₅ entre les volumes massiques du fluide de travail.

Une application potentielle des procédés CAPILI-PAC pour la climatisation des véhicules hybrides et thermiques est en cours d’évaluation dans le cadre d’un partenariat avec l’industriel PSA. En effet, PSA souhaite investiguer de nouvelles technologies de rupture permettant de réduire les émissions de CO2 attribuables au fonctionnement de la climatisation, et au confort thermique de l’habitacle des véhicules, afin de répondre à l’évolution plus contraignante des prochaines normes anti-pollution. Cette première étude de faisabilité, réalisée actuellement dans le cadre du stage Master de R. Borgogno que je co-encadre avec S. Mauran, doit déboucher sur une thèse CIFRE en 2014 si les résultats du pré-dimensionnement sont concluants.

D’ores et déjà, une première estimation des performances des cycles CAPILI-PAC de 1^er et 2^eme

types a été réalisée, à partir de la base de données thermodynamiques REFPROP du NIST, en envisageant le fluide de travail R1234yf, fluide HFC qui va prochainement se substituer au fluide R134a du fait de son très faible PRG (GWP de 4 contre 1300). La figure 92 montre une comparaison du COP de ces cycles thermo-hydrauliques en fonction de la température d’évaporation et de la température de condensation. Le rendement exergétique du cycle

CAPILI-PAC de 1^er type varie de 0.75 à 0.85 tandis que celui de 2eme type est proche de l’unité.

Ces performances sont de loin plus élevées que celles des solutions actuellement mises en œuvre par compression mécanique de vapeurs dont le rendement exergétique est de l’ordre 0.15 à 0.20.

Figure 92 : Évolution du COP des cycles CAPILI-PAC de 1^er et 2^eme type utilisant le fluide de travail R1234yf en fonction de la température d’évaporation pour différentes températures de condensation

Cette étude doit se poursuivre par le développement d’un modèle simplifié en régime dynamique afin d’estimer plus précisément les performances du procédé, en tenant compte d’un rendement réaliste de pompe hydraulique, de la qualité des échanges thermiques au niveau de l’évaporateur et condenseur, du volume des cylindres de transfert, de l’influence de la membrane séparatrice placée dans ces cylindres. Il permettra aussi de proposer un

dimensionnement et des solutions technologiques compatibles avec les contraintes auxquelles sont soumis les systèmes embarqués : volume, poids, tenue mécanique aux vibrations et forces inertielles.

III.3 - Conclusions

Les travaux de recherche sur les procédés thermo-hydrauliques présentés dans ce chapitre constituent une thématique originale développée très récemment au sein de l’équipe. Nous avons d’abord exploré le potentiel du procédé tritherme CHV3T au cours de la thèse de M. Martins. Les résultats de simulation ont démontré l’intérêt de ce procédé pour les applications de climatisation solaire.

Cependant, comme pour les procédés thermochimiques, le procédé CHV3T ne permet que la transformation de l’énergie thermique en froid ou chaleur. Ainsi, pour des applications de cogénération ou de trigénération avec production de travail convertible en électricité, une nouvelle configuration de procédé thermo-hydraulique a été développée : le procédé CAPILI. Ce procédé ditherme, qui autorise deux modes de fonctionnement (mode moteur avec production de travail ou mode pompe à chaleur) permettrait par couplage mécanique d’envisager une trigénération avec des rendements exergétiques élevés [P32]. Le potentiel du cycle CAPILI en mode moteur a été évalué au cours de la thèse de H. Semmari, en particulier pour la conversion de l’énergie thermique des mers. Nous avons montré qu’il était nécessaire

d’investiguer davantage l'étude du comportement de la chaîne de conversion

hydraulique/mécanique/électrique en régime dynamique, afin de maximiser les performances d’un tel procédé dont les performances semblent a priori très prometteuses. La prise en compte de l’évolution du rendement de la turbine en fonction des conditions de fonctionnement variables, en terme de débit et pression, est actuellement à l’étude dans le cadre du Master de A. Gumba. Quant au cycle CAPILI-PAC, son évaluation est actuellement en cours et doit faire l’objet d’une thèse en 2014 si les résultats préliminaires pour une application de climatisation dans les véhicules automobiles sont convaincants.

Les travaux menés sur ces procédés hydrauliques ont été soutenus par le programme Energie du CNRS PIE2 (projet Trigé-Bat [PR Nat9]), l’ADEME (projet DEEP-BLUE [PR Nat 12]) et par l’industriel Saunier-Duval [PR Ind 6]. Ils ont été réalisés dans le cadre de 3 masters (S. Cleder, R. Borgogno et A. Gumba) et de 2 thèses (M. Martins et H. Semmari ([THS 4] [THS 5]) que j’ai co-encadrés avec S. Mauran.

Cette thématique de recherche a fait l’objet de :

• 2 brevets [Br 10] [Br 11]

• 3 publications : [P30], [P32], [P33]

CONCLUSIONS

ET

PERSPECTIVES DE RECHERCHE

Dans ce mémoire qui présente une synthèse des travaux menés depuis ma thèse soutenue en 1995, j'ai discuté plusieurs thématiques relatives à la transformation, la conversion, le stockage et le transport de l’énergie thermique. Cette activité de recherche m’a conduit à développer une recherche essentiellement structurée autour des problématiques scientifiques liées aux procédés thermochimiques solide/gaz, puis aux procédés thermo-hydrauliques, en visant diverses finalités énergétiques : transformation chaleur/froid, thermo-transformation chaleur/chaleur, conversion chaleur/travail, stockage de haute densité énergétique de l’énergie thermique, transport de chaleur/froid à longue distance,…. Ces thématiques ont pour motivation commune la recherche de solutions induisant une utilisation plus rationnelle de l’énergie thermique sur la base de critères de performances énergétiques et exergétiques, ainsi que le développement de procédés énergétiques propres permettant de réduire notre impact environnemental, par une exploitation plus importante des énergies renouvelables telles que l’énergie solaire ou l’énergie thermique des mers, ou la valorisation des rejets thermiques.

Trois grandes thématiques ont ainsi été explorées au cours de mon activité de recherche.

Le premier thème concerne le développement d’outils d’analyse thermodynamique qui permettent une meilleure définition de la qualité d’un procédé de transformation ou conversion énergétique. Ainsi, l’analyse des procédés de conversion énergétique par l’approche thermodynamique basée sur le concept des cycles endoréversibles, a permis de préciser de nouveaux critères permettant une mesure plus réaliste de leurs qualités thermodynamiques, en tenant compte de contraintes dimensionnelles telle que la surface totale d’échangeur mise en œuvre. Par ailleurs, une nouvelle approche de l’analyse exergétique des procédés, reposant sur la définition de l’exergie de transit, a permis l’émergence de nouvelles structures idéales de procédés thermochimiques basées sur des couplages pertinents de dipôles thermochimiques. Ces nouvelles structures ont ensuite été évaluées et leur potentiel a pu être démontré pour les applications de transport de l’énergie thermique ou la production de froid à partir de chaleur basse température.

Le second thème abordé est relatif aux problématiques scientifiques associées aux procédés thermochimiques pour des objectifs applicatifs relatifs à la transformation, au stockage et au transport de l’énergie thermique sous forme de chaleur ou de froid. Ces procédés à sorption solide/gaz peuvent en effet apporter une réponse pertinente aux problématiques de gestion et d’utilisation rationnelle de l’énergie thermique, notamment par leurs aptitudes à réaliser par couplage thermique et/ou massique des cycles à multiples effets performants. Par ailleurs, le fonctionnement par nature discontinu des procédés thermochimiques solide/gaz, permet d’envisager le stockage de l’énergie thermique sous forme chimique avec de fortes densités

énergétiques. Cette fonctionnalité peut avantageusement être exploitée pour la gestion de l’énergie, notamment dans les applications de production de chaleur ou de froid de forte puissance (production instantanée de glace, régénération de filtre à particule,…) ou la valorisation différée de l’énergie solaire tel que le stockage inter-saisonnier. Cependant, l’obtention d’un procédé thermochimique performant pour une finalité énergétique visée, implique d’intervenir à différents niveaux de la conception du procédé et doit prendre en compte les interactions existantes à diverses échelles, allant du matériau actif jusqu’au procédé : le choix et la caractérisation du solide réactif, la détermination de sa mise en œuvre optimale, la définition géométrique et le dimensionnement du réacteur qui impliquent une optimisation des transferts de gaz réactif et de chaleur, et enfin la gestion dynamique de ce réacteur au cours du cycle de fonctionnement du procédé. Cette activité de recherche m’a permis d’approfondir ces différents niveaux d’échelle impliqués dans les procédés thermochimiques, et illustre la diversité des problématiques scientifiques que j’ai abordées dans ce domaine en fonction de divers objectifs applicatifs.

Enfin, le troisième volet de mes travaux concerne plus spécifiquement le développement de nouveaux procédés thermo-hydrauliques. Cette thématique très récente a été développée dans l’équipe dans l’objectif de pallier la carence des procédés thermochimiques à réaliser de manière efficace une conversion de l’énergie thermique en travail. Le caractère novateur de ces procédés repose sur la mise en œuvre d’un piston liquide, qui permet de comprimer ou détendre une vapeur de manière quasi-isentropique. L'intérêt de ces procédés réside dans le fait que le travail de compression ou de détente est fourni ou récupéré au moyen d’une pompe ou une turbine hydraulique, réputées plus performantes et plus fiables que les compresseurs ou turbines à vapeur. L’évaluation des performances de ces cycles dithermes pour la production de travail convertible en électricité (CAPILI) ou pour la production de froid/chaleur (CAPILI-PAC) ont montré un fort potentiel qui demande cependant à être confirmé expérimentalement. Les verrous au développement de ces procédés prometteurs sont clairement identifiés et des solutions technologiques ont été proposées. Cet axe de recherche laisse envisager par la suite de nombreuses applications telles que la cogénération pour l’habitat, la production d’électricité à partir de capteurs solaires plans, le confort thermique des véhicules,…

L’ensemble de ces travaux, dont le fil directeur vise à proposer des solutions technologiques innovantes aux importants enjeux énergétiques et environnementaux actuels, s’est concrétisé par une activité diversifiée et équilibrée entre recherche amont et recherche appliquée. Ces recherches ont été soutenues par de nombreuses collaborations institutionnelles (nationales et internationales) et partenariats industriels, et enrichies par une forte activité d’encadrement (4 post-docs, 5 doctorants, 2 DEA et 6 Masters). Les résultats de ces travaux ont permis la délivrance de 11 brevets internationaux, une demande de brevet français CEA/CNRS actuellement en cours, et ont donné lieu à 36 publications dans des revues internationales, 70 communications (dont 19 sans actes) pour la diffusion de ces thématiques de recherche dans des conférences internationales, colloques ou séminaires.