Fluides caloporteurs

Un fonctionnement optimal des absorbeurs solaires nécessite une maîtrise de la température de captage selon l'ensoleillement, et une capacité de transfert thermique importante. Il en est de même pour l'alimentation du moteur et du stockage, c'est pourquoi l'emploi de fluides caloporteurs performants est indispensable.

Il convient toutefois de choisir ce fluide de sorte qu'il soit, autant que possible, en adéquation avec notre cahier des charges, en particulier trois critères sont prépondérants :

– Un impact sur l'environnement et une dangerosité (toxicité, inflammabilité...) réduit.

– Un approvisionnement et une utilisation simples, contribuant à la robustesse et à la fiabilité du système.

– Un prix de revient aussi bas que possible.

De toute évidence il faudra choisir un caloporteur liquide, les gaz étant plus problématique, tant pour leur faible capacité de transfert thermique (exception : la vapeur d'eau) que la dissipation énergétique occasionnée par leurs écoulements.

Ce qui suit est une présentation générale des fluides caloporteurs usuels. A noter qu'il existe une très grande variété de caloporteurs qu'on ne saurait ici décrire en détail, les informations ci-après exposées sont seulement indicatives.

2.4.1.1 L'eau

L'eau, sous sa forme liquide est un excellent caloporteur, avec une chaleur spécifique élevée et relativement constante selon la température (environ 4,4 kJ/kg.K à 200°C ; 5,1 kJ/kg.K à 300°C).

L'inconvénient majeur de l'eau est la nécessité d'un haut niveau de pressurisation du circuit pour des températures supérieures à 100°C pour maintenir l'état liquide. La vaporisation partielle d'eau dans les circuits principaux n'est pas envisagée car cela poserait trop de problèmes techniques (zones de corrosions préférentielles aux interfaces entre liquide et vapeur, risques de cavitation...).

La pression de service maximale des équipements courants est de 10 bars, ce qui correspond à une température de saturation de 179,8°C au maximum. Aussi l'utilisation de l'eau impose une température maximale en fonctionnement normal de 160°C ou 170°C afin de garder une marge de sécurité. L'usage d'équipements adaptés pour des températures plus élevées serait rapidement limité par les surcoûts occasionnés. Rappelons quelques valeurs de pression de saturation liquide de l'eau : 16 bar à 200°C ; 40 bars à 250°C ; 86 bars à 300°C.

L'eau est naturellement favorable à la corrosion de la plupart des métaux, et contient des particules minérales en suspension. Ce sont des facteurs d'encrassement des échangeurs et de vieillissement des équipements hydrauliques Des vidanges et nettoyages périodiques des équipements sont à envisager. Ces problèmes sont amoindris par des traitements (filtration, éléments d'addition), ce qui n'augmente pas de manière significative l'impact sur l'environnement , qui peut être considéré comme négligeable.

2.4.1.2 Polymères glycolés

A basse d'éthylène-glycol ou de propylène-glycol et d'un petit pourcentage d'eau (moins de 4%), ils sont régulièrement utilisés pour les transferts thermiques à des températures maximales de 120°C à 170°C. Limités dans le domaine du chauffage, leurs bas points de congélation et leurs chaleurs spécifiques (3 à 4 kJ.kg-1.K-1) en font des fluides idéaux pour le refroidissement (climatisation, alimentaire...) ou les systèmes thermiques devant être protégés du gel, tel que les systèmes de chauffage solaire.

Dans le domaine de la conversion thermomécanique, ces fluides ont un intérêt assez limité du fait de températures maximales trop basses.

Du point de vue de la réglementation, le propylène-glycol n'est pas classé comme dangereux selon les critères de la CE, tandis que l'éthylène-glycol est classé nocif par ingestion. Il peut en effet être dangereux pour des quantités ingérées importantes (dose létale 100mL pour un humain adulte).

Malgré une faible toxicité et une très bonne biodégradabilité ces produits ne sont pas sans impact sur la faune et nécessitent des précautions lors de leur élimination [93].

2.4.1.3 Huiles minérales

hydrocarbures poly-aromatiques) sont régulièrement utilisées comme caloporteurs. Il en existe une grande variété, dont les propriétés sont voisines :

Leur température d'utilisation recommandée de l'ordre de 300°C , parfois jusqu'à 325°C. Ces températures nécessitent toutefois une pressurisation de l'ordre de quelques bars à 12 bars selon les formulations. Des températures supérieures sont possibles en sur-pressurisant le circuit mais la surchauffe entraine une accélération de la dégradation moléculaire.

La chaleur spécifique est croissante avec la température, d'environ 1,8 à 2,8 kJ/kg.K entre 50°C et 300°C. Une forte variabilité de la viscosité dans les basses températures, puis de moins en moins à mesure que la température s'élève, pouvant avoisiner un facteur 1/100 depuis 0°C à 150 °C, contre plus de ¼ entre 150°C et 300°C. La circulation est donc pénalisée à froid, lors de la mise en marche des systèmes, mais favorisée à chaud.

Ce sont des produits pratiquement neutres, non corrosifs pour les métaux, combustibles mais non inflammables. Ils ne présentent pas de danger particulier tant que leurs températures limites d'usage sont respectées (risque d'inflammabilité accru en cas de surchauffe). En revanche la dégradation naturelle des composés organiques entraine la formation de gaz qui doivent être évacués des circuits (dégazage) à l'aide d'équipements spéciaux.

L'emprise des huiles organiques sur l'environnement est modérée : Insolubles dans l'eau, elles sont potentiellement bioaccumulables, mais la plupart de leurs composants devraient être biodégradables. Certains additifs sont toutefois persistant. Malgré une faible biodégradabilité, les effets de dispersion accidentelles ne sont, semble-t-il, pas critiques.

Certaines formulations peuvent être légèrement irritantes pour la peau, mais leurs effets par ingestion sont mineurs. Aussi de nombreux caloporteurs utilisés dans l'industrie alimentaires font partie de cette famille [94] [95] [96].

L'utilisabilité de ces huiles pour la conversion solaire-électrique a été largement démontrée par la centrale SEGS-1 (Dagett, Californie) [97].

2.4.1.4 Huiles silicones

De nombreuses huiles sont à base de silicones (ou siloxanes). Produits de synthèse d'usage répandu dans divers domaines, certaines de leurs caractéristiques sont intéressantes pour les transferts thermiques .

Leurs températures d'usage sont assez variables, de 250 à 400°C environ et leur chaleur spécifique comparable à celle des huiles minérales, ainsi que leur comportement en écoulement selon la température, avec semble-t-il l'avantage de viscosités moins élevées.

Un autre avantage des huiles silicones est leur grande stabilité chimique, qui permet des usages de longue durée.

Leur empreinte environnementale est également modérée : Sans nocivité marquée pour les insectes et les végétaux aquatiques, ils sont toutefois toxiques pour les poissons, environ deux fois plus que les glycols. Ce sont généralement des produits non-biodégradables et non bioaccumulables.

Généralement classés non dangereux, seules quelques formulations sont inflammables. En revanche ce sont des produits fortement réactifs en présence d'acides forts et / ou de bases et oxydants forts. Certains produits de combustion sont toxiques [93] [98].

2.4.1.5 Huiles synthétiques

Ces formulations spécifiquement conçus pour les transferts thermiques affichent des performances remarquables : Leur température maximale d'usage est régulièrement comprise entre 300 et 400°C. Leurs propriétés thermo-hydrauliques sont semblables à celles des huiles

silicones.

Leurs formulations essentiellement à base d'hydrocarbures aromatiques leur confère une grande stabilité (moins de dégazage que pour les huiles minérales) et parfois la possibilité d'utilisation en phase vapeur.

En revanche ces produits sont tous classés dangereux : Souvent légèrement irritant pour la peau et les yeux, certains sont des toxiques violents par inhalation, souvent cancérigènes. D'une biodégradabilité nulle ou conditionnelle (sous contrôle), ce sont des polluants environ 1000 à 10000 fois plus violents que les silicones et les glycols réunis [93] [98].

2.4.1.6 Conclusion quant aux caloporteurs

Les grandes familles de liquides caloporteurs usuels ont été ci-avant présentés par ordre croissant de performance, qui va de pair avec leur impact environnemental et leur dangerosité.

Cette tendance se retrouve sensiblement sur le prix d'achat de ces fluides ; à défaut de connaître avec exactitude ces coûts, en voici quelques tendances [30] :

• Huiles minérales : $ 0,3 / kg • Huiles synthétiques : $ 3 / kg • Huiles silicones : $ 5 / kg

Les huiles synthétiques contiennent pour la plupart des aromatiques ou des alkyles, hautement toxique et polluants, pour des performances certes accrues par rapport aux huiles minérales (viscosité moindre, températures plus élevées et durée d'utilisation plus longue), mais pour un prix dix fois supérieur.

Les huiles silicones sont moins critiques vis à vis de l'environnement mais affichent un tarif encore plus élevé.

L'investissement dans des fluides à hautes performances se justifie pour des centrales de hautes puissance, pour lesquelles il est impératif de réduire autant que possible les opérations de maintenance ( vidange du circuit, nettoyage) pour garantir un temps productif le plus long possible. Cette rationalisation est rendue possible par un amortissement à moyen/long terme des investissements.

Les polymères glycolés sont quant à eux inadaptés à l'application visée, tant du fait de températures maximales d'utilisation trop basses pour assurer un fonctionnement durable que par des risques d'impacts importants sur l'environnement.

Dans le cas des petites et micro-centrales, l'investissement peut être au mieux amorti sur un moyen terme. Les opérations de maintenance d'un tel système utilisant une huile thermique ne sont pas nécessairement lourdes, mais nécessitent des précautions lors des manipulations et transferts de fluide, la mise en place de filières de recyclage .

De plus une installation isolée doit autant que possible être entretenue par du personnel local ; en ce sens il est évident que des produits dangereux induisent des contraintes importantes (approvisionnement, installations spécifiques pour l'usage, le stockage, formation du personnel etc...) , ce qui à l'échelle d'une petite installation représente un surcoût prohibitif.

Les caractéristiques physiques de ces fluides étant voisines par ailleurs, il apparaît donc que les huiles minérales soient les plus intéressantes économiquement parmi les fluide organiques ; ce sont en outre les plus respectueuses de l'environnement et les moins toxiques.

Le caloporteur présentant le moins de contraintes économiques et la meilleure compatibilité environnemental reste l'eau. Les contraintes techniques qu'elle impose – en particulier une pression de service compatible avec des matériels hydrauliques standard – sont également les plus limitées dans la mesure où la température d'usage reste inférieure à 180°C. L'usage de l'eau

limite donc le rendement énergétique, mais cela peut être compensé du point de vue thermoéconomique (amortissement) par l'usage d'équipements à coûts modérés.