Développement d’une pompe à chaleur à adsorption en vue de l’utilisation des rejets thermiques d’une pile à combustible embarquée

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Développement d’une pompe à chaleur à adsorption en

vue de l’utilisation des rejets thermiques d’une pile à

combustible embarquée

Julien Leprieur

To cite this version:

Julien Leprieur. Développement d’une pompe à chaleur à adsorption en vue de l’utilisation des rejets thermiques d’une pile à combustible embarquée. Thermique [physics.class-ph]. 2014. �dumas-01700869�

PARIS

MEMOIRE

Présenté en vue d'obtenir

Le DIPLOME d'INGENIEUR CNAM

Spécialité : ENERGETIQUE

Option : FROID ET CLIMATISATION

par

Julien LEPRIEUR

DEVELOPPEMENT D’UNE POMPE A CHALEUR A ADSORPTION

EN VUE DE L’UTILISATION DES REJETS THERMIQUES D’UNE

PILE A COMBUSTIBLE EMBARQUEE

Soutenu le 09/09/2014

JURY

PRESIDENT :

Christophe Marvillet, Professeur CNAM

MEMBRES :

Cyril Toublanc, Maître de conférences CNAM

Brice Tréméac, Maître de conférences CNAM

Sylvain Noël, Responsable pôle énergies CLAUGER

Nicolas Vivenzio, Responsable pôle froid CLAUGER

REMERCIEMENTS

Je tiens tout d’abord à remercier Monsieur Francis Meunier, Professeur Emérite au Conservatoire National des Arts et Métiers, et qui était à l'époque de mes travaux Directeur de l’Institut Français du Froid Industriel, pour m’avoir permis de réaliser ce mémoire au laboratoire LGP2ES. L’opportunité de travailler sur ce sujet de recherche appliquée a été pour moi l’élément déclencheur de ma poursuite d’étude vers le cycle d'ingénieur.

Ensuite, mes remerciements vont à Monsieur Marc Clausse, Maître de conférences au CNAM, pour l’encadrement qu’il m'a prodigué durant mes deux années au laboratoire. Sa disponibilité et ses nombreux conseils ont été essentiels à l’aboutissement de mon travail, et ont fait de cette expérience une période riche d’enseignements.

Je tiens également à remercier toute l’équipe du laboratoire pour leur sympathie et leur bonne humeur qui m’ont permis d’évoluer dans un cadre convivial. Merci à Brice, Cyril, Jean-Pierre, Marie-France, Patrick et tout particulièrement à Fatma, François, Medhi et Pierre pour leur aide et leur gentillesse.

Je voudrais enfin remercier Fanny, pour son précieux soutien et ses encouragements qui m'ont aidé à finaliser ce mémoire.

Table des matières

REMERCIEMENTS ... 3

NOMENCLATURE ... 7

INTRODUCTION ... 10

1. Systèmes de production de froid par sorption ... 13

1.1 Généralité sur la compression thermique ... 13

1.2 Les machines à absorption ... 14

1.2.1 Principe de fonctionnement... 14

1.2.1.1 Cycle à simple effet ... 14

1.2.1.2 Cycle à double effet ... 16

1.2.2 Couples absorbat/absorbant ... 17

1.3 Les machines à adsorption ... 19

1.3.1 Principe de fonctionnement... 19

1.3.1.1 Cycle continu ... 19

1.3.1.1 Cycle à récupération de chaleur ... 21

1.3.1.2 Cycle à propagation de front de chaleur ... 22

1.3.1.3 Cycle à récupération de masse ... 23

1.3.2 Couples adsorbant/adsorbat ... 23

1.3.2.1 Méthanol / Charbon actif ... 25

1.3.2.2 Ammoniac / Charbon actif ... 25

1.3.2.3 Eau / Zéolite ... 25

1.3.2.4 Eau / Gel de silice ... 26

1.3.3 Amélioration du transfert de masse et de chaleur ... 26

1.3.3.1 Amélioration de l’adsorbant ... 27

1.3.3.2 Amélioration de la géométrie du lit ... 27

1.3.4 Systèmes à adsorption pour les applications mobiles ... 27

2.1 Principe de fonctionnement du système global GAPPAC® ... 32

2.1.1 Le reformeur ... 33

2.1.2 La pile à combustible à hydrogène... 34

2.1.3 Le système de climatisation du prototype ... 35

2.2 Cahier des charges pour le module de climatisation ... 35

2.3 Exploitation du pré-dimensionnement par simulation numérique ... 36

2.3.1 Solutions envisagées ... 37

2.3.2 Architecture retenue ... 39

2.4 Dimensionnement ... 42

2.4.1 Réseau primaire en fluide frigorigène ... 42

2.4.1.1 Adsorbeurs ... 42 2.4.1.2 Condenseur ... 46 2.4.1.3 Evaporateur ... 47 2.4.1.4 Réseau fluidique ... 52 2.4.1.5 Vanne de laminage ... 53 2.1.1. Réseaux secondaires ... 54 3. Réalisation du prototype ... 59 3.1 Adsorbeurs ... 59

3.1.1 Conception des adsorbeurs ... 59

3.1.2 Instrumentation des adsorbeurs ... 61

3.1.3 Régulation des adsorbeurs ... 62

3.2 Evaporateur ... 63

3.2.1 Conception de l'évaporateur ... 63

3.2.2 Instrumentation de l'évaporateur ... 63

3.2.3 Régulation de l'évaporateur ... 64

3.3.1 Conception du condenseur ... 64

3.3.2 Instrumentation du condenseur ... 64

3.4 Armoire électrique et supervision ... 65

3.5 Procédures de mise en service ... 67

3.5.1 Régénération des adsorbeurs ... 67

3.5.2 Tests de tenue au vide ... 68

3.5.3 Charge en réfrigérant ... 70

4. Résultats et analyses ... 72

4.1 Caractérisation de l’évaporateur à plaques ... 72

4.1.1 Protocole opératoire ... 72

4.1.2 Influence de la source froide et du remplissage en liquide ... 78

4.1.3 Influence du circuitage ... 80

4.1.4 Influence du remplissage ... 82

4.2 Cycles continus ... 82

4.2.1 Protocole opératoire ... 82

4.2.2 Diagnostics des problèmes rencontrés ... 82

4.3 Cycles intermittents ... 89

4.3.1 Protocole opératoire ... 89

4.3.2 Influence des régimes de fonctionnement ... 89

4.3.3 Caractérisation des UA et comparaison à la simulation ... 92

5. Conclusion et perspectives ... 95

ANNEXES ... 97

BIBLIOGRAPHIE ... 108

LISTE FIGURES ... 110

7

NOMENCLATURE

ANR Agence Nationale de Recherche

CFC Chlorofluorocarbure

HFC Hydrofluorocarbure

HCFC Hydrochlorofluorocarbure

GAPPAC Groupe Auxiliaire de Puissance à Pile à Combustible

GWP Global Warning Potential (Potentiel de réchauffement global)

ODP Ozone Depletion Potential (Potentiel de destruction d’ozone)

PAN-H Plan d’Action National sur l’Hydrogène et les piles à combustible PEMFC Proton Exchange Membrane Fuel Cells

TOPMACS Thermally Operated Mobile Air Conditioning Systems

Notations latines

Cp chaleur spécifique à pression constante J.kg-1.K-1

FC Flux critique (crise d’ébullition) W/cm²

COP coefficient de performance -

dh diamètre hydraulique m

e épaisseur m

f fréquence Hz

h enthalpie J.kg-1

h coefficient d’échange thermique convectif W.m-2.K-1

h hauteur mm

L longueur m

Lv chaleur latente de changement de phase J.kg-1

m masse kg

m débit massique kg.s-1

q quantité à l’équilibre kg.kgads-1

q quantité de chaleur (indice spécifié) J

Q puissance W

PFS puissance frigorifique spécifique W.kgads-1

8

S surface m²

t temps s

T température °C

U coefficient d’échange thermique W.m-2.K-1

V volume m3

V débit volumique m3.s-1

Notations grecques

∆ variation -

∆ chaleur d’adsorption massique J.kgads-1

 porosité -

conductivité thermique W.m-².K-1

masse volumique kg.m-3

 tension superficielle N.m-1

S constante de Stefan Boltzmann W.m-2.K-4

 viscosité dynamique Pa.s

viscosité cinématique m².s-1

̂ vitesse m.s-1

Nombres adimensionnels

Nu nombre de Nusselt  . 



NUT nombre d’unité de transfert  . 

 . Pr nombre de Prandtl  .   Re nombre de Reynolds  .   Indices et exposants abs absorption ads adsorbant b bulle cond condensation c carnot cyc cycle

9 dés désorption evap évaporation ext extérieur fl fluide frigorifique int intérieur liq liquide LDR laine de roche p paroi rej réjection sat saturation sc source chaude sf source froide vap vapeur ,e entrée ,s sortie

INTRODUCTION

10

INTRODUCTION

Le secteur de la climatisation est, à l'échelle mondiale, en pleine expansion. En effet, les besoins de climatisation sont en constante augmentation, en particulier dans le domaine du tertiaire, du résidentiel, et du transport. Afin de pouvoir répondre aux enjeux énergétiques et environnementaux du XXIème siècle, des solutions alternatives de climatisation doivent être développées.

En raison de son intérêt économique provenant de coefficients de performance élevés, les systèmes frigorifiques à compression mécanique se sont imposés comme le standard des climatiseurs et pompes à chaleur. Cependant, ces machines utilisent essentiellement des fluides frigorigènes ayant un fort impact d’effet de serre et, pour certains, un potentiel de destruction de la couche d’ozone. De plus, la consommation croissante d’énergie électrique nécessaire au fonctionnement de ces systèmes contribue indirectement au réchauffement de la planète.

La convention de Vienne pour la protection de la couche d'ozone (1985) et le protocole de Montréal (1987) ont permis de définir un calendrier pour réduire et, à terme, éliminer les substances qui appauvrissent la couche d’ozone stratosphérique (ODP), comme les chlorofluorocarbures (CFC) et les hydrofluorocarbures (HCFC). Le protocole de Kyoto entré en vigueur en 2005 vise à la réduction des émissions de gaz à effet de serre, parmi lesquels les HFC, fluides de substitutions. La pérennité de ces fluides de synthèse n’est donc pas assurée, et son utilisation sera à l’avenir de plus en plus réglementée. En Europe par exemple, le projet de modification de la directive F-GAS sera défini dans le courant de l'année 2013 et portera sur la réduction de l’utilisation des fluides HFC à fort GWP. Il concernera également les applications de climatisation mobile pour les transports. Cette évolution confirme la volonté des instances européennes d’agir de manière forte et rapide contre l’utilisation des HFC, et notamment ceux à fort potentiel de réchauffement.

Les machines frigorifiques à adsorption fonctionnent avec des fluides frigorigènes naturels sans effet néfaste sur l’environnement comme l’eau, l’ammoniac et le méthanol. Elles se positionnent dès lors comme une alternative durable et respectueuse de l’environnement.

11 La crise énergétique mondiale de 1970 a provoqué une prise de conscience sur l’importance de l’efficacité énergétique en raison de l’augmentation du coût de l’énergie primaire. Malgré cela, les cycles thermodynamiques des machines thermiques ont de faibles rendements, et dégagent une chaleur résiduelle représentant environ 50 à 70 % du carburant consommé pour les centrales thermiques, et environ 50 à 60 % pour les moteurs à combustion interne (Wang, et al., 2010). Cette quantité de chaleur inutilisée diminue inévitablement le rendement du système et dégage de surcroît une pollution inutile.

Les machines à adsorption fonctionnent par compression thermique avec une source de chaleur similaire à cette énergie fatale. En effet, les adsorbeurs sont alternativement chauffés et refroidis pour engendrer une adsorption et une désorption cyclique permettant de mettre en circulation le fluide frigorigène et de produire l’effet frigorifique. L’intégration à ces systèmes d’une pompe à chaleur à adsorption permet alors d’éviter les consommations électriques d’une production frigorifique classique, et s’inscrit donc dans une volonté de sobriété énergétique.

Néanmoins, les machines à adsorption souffrent encore d’un manque de compétitivité et d’un encombrement élevé. C’est pourquoi de nombreux travaux de recherches ont été entrepris ces dernières années afin d’améliorer leur efficacité et leur compacité.

Les systèmes de cogénération, production simultanée de chaleur et d’électricité, se développent de plus en plus dans le résidentiel. L’installation dans l’habitat de piles à combustible, par exemple, s’intensifie au Japon et arrive progressivement en Europe. Un couplage avec une pompe à chaleur à adsorption permet alors d’obtenir un système de trigénération en employant l’excès de chaleur inutilisé en été pour la climatisation.

Ce mémoire traite du développement d’une pompe à chaleur à adsorption dans le cadre du projet GAPPAC© (Groupe Auxiliaire de Puissance à Pile A Combustible), programmé et financé par l’Agence National de la Recherche sur le Programme d’Action sur l’Hydrogène (ANR PAN-H, 2006). La possibilité de produire du froid à partir des sources chaudes de la pile à combustible permet d’envisager une application vers la trigénération, et ainsi d'améliorer les performances globales du système. Ce module de froid par adsorption est entièrement développé au CNAM à l’IFFI et testé au sein du laboratoire. L’objectif est d’évaluer les possibilités ainsi que les limites de la valorisation des rejets thermiques d’une pile à combustible embarquée sous contrainte de volume et de masse limités. Ce prototype a également permis le développement d’un outil de

INTRODUCTION

12 simulation 2D-3D pour l’amélioration de la conception des adsorbeurs dédiés aux systèmes de climatisation (Makni, 2012).

Le premier chapitre est consacré à l’étude générale des systèmes frigorifiques à sorption pour la climatisation.

Le deuxième chapitre décrit la conception de la pompe à chaleur retenue. Le cahier des charges, l’exploitation de la simulation numérique et le dimensionnement y sont développés.

Les étapes de réalisation du prototype sont présentées dans le troisième chapitre. Celui-ci comporte la description des composants et la procédure de mise en service.

L’exploitation des essais et l’analyse des résultats seront présentés dans le dernier chapitre. Un travail d’analyse sera entrepris en particulier pour le comportement de l’évaporateur à plaques qui se trouve être l’originalité du prototype.

13

1.

Systèmes de production de froid par sorption

1.1

Généralité sur la compression thermique

L’énoncé de Clausius postule « qu’il ne peut pas s’effectuer, sans compensation, un passage de chaleur d’un corps froid à un corps plus chaud ». Ainsi, pour produire du froid, il est nécessaire d’utiliser un système thermodynamique particulier auquel il faut fournir de l’énergie. Ce système permet alors d’extraire de la chaleur d’un milieu (source froide) pour abaisser ou maintenir sa température. Ces transformations thermodynamiques sont effectuées par l’intermédiaire d’un fluide frigorigène qui prélève la chaleur à la source froide, en rejette à la source chaude et reçoit de l’énergie en compensation.

Dans le cas des systèmes à sorption, l’énergie thermique se substitue à l’énergie mécanique pour réaliser la compression des vapeurs. Ces machines utilisent une source chaude, nous sommes ainsi en présence d’un cycle tritherme dont le schéma principe est présenté ci-dessous :

Figure 1.1 : Schéma d’une machine tritherme

Le COP de Carnot d’une machine tritherme s’exprime selon la formule suivante :

=

=

)*+, )$-)*+,

Chapitre 1 : Systèmes de production de froid par sorption

14

1.2

Les machines à absorption

1.2.1 Principe de fonctionnement

L’absorption est le processus qui repose sur l’équilibre physique qui existe lorsqu’on met en contact une phase gazeuse contenant une substance donnée (l’absorbat) et une phase liquide (l’absorbant) dans laquelle cette substance est soluble. Ce phénomène est parfaitement réversible. La solubilité de cette vapeur dans ce liquide dépend des conditions de température et de pression. L’absorption est un processus exothermique qui se produit donc avec un dégagement de chaleur. Le phénomène inverse, par lequel l’absorbat quitte l’absorbant, se nomme la désorption. La désorption est un processus endothermique et se produit donc avec un refroidissement. Les machines frigorifiques à absorption fonctionnent en cycle fermé en exploitant les facultés de cette absorbant à absorber ou désorber une vapeur. La première machine à absorption fut mise au point par l’inventeur Français Ferdinand Carré en 1859.

1.2.1.1 Cycle à simple effet

Le schéma ci-dessous représente un cycle standard à récupération interne d’une machine à absorption :

Figure 1.2 : Schéma d’une machine à absorption à simple effet

Du point de vue fluidique, cette machine est divisée en deux sous-ensembles interconnectés. Une partie est composée d’un système classique (condenseur, détendeur et évaporateur) fonctionnant avec du fluide frigorigène pur. L’autre partie est constituée de l’absorbeur et du

15 désorbeur fonctionnant avec la solution binaire (absorbant et absorbat) qui permet d’assurer la compression du fluide frigorigène et ainsi de réaliser le cycle frigorifique.

Le condenseur est refroidi par un fluide caloporteur afin d’extraire la puissance de condensation Qcond nécessaire pour liquéfier le fluide frigorigène. C’est la température du fluide caloporteur, égale à Trej, qui fixe la pression du couple condenseur/désorbeur, et par conséquent la température de condensation. Le liquide subit une détente du point 1 au point 2 (haute pression à la basse pression) à travers une vanne de laminage afin d’alimenter l’évaporateur. L’ébullition du liquide permet de produire la puissance frigorifique Qevap souhaitée. Les vapeurs de fluide frigorigène produites (point 3) dans l’évaporateur sont aspirées par l’absorbeur rempli d’une solution absorbante concentrée. C’est la température du fluide frigoporteur, égale à Tsf, qui fixe la température d’évaporation, et par conséquent la pression du couple évaporateur/absorbeur. L’absorption est un phénomène exothermique, il en résulte un dégagement de chaleur Qabs à Trej. La solution riche en fluide frigorigène (point 4) est envoyée vers le désorbeur (point 5), où se produit le processus inverse. Une quantité de chaleur Qdes à Tsc permet de chauffer la solution et provoque la désorption d’une partie du fluide frigorigène. La désorption est un phénomène endothermique, il est donc nécessaire de chauffer le désorbeur. Les vapeurs sont transmises vers le condenseur (point 6) pour finaliser le cycle frigorifique, et la solution appauvrie est renvoyée à l’absorbeur (point 7) pour un fonctionnement continu de la machine. Un échangeur de récupération interne permet de préchauffer la solution riche qui transite vers le désorbeur en sous-refroidissant la solution pauvre circulant vers l’absorbeur. Cet équipement permet de réduire les quantités de chaleur à transmettre à l’absorbeur et au désorbeur. Un gain de COP d’environ 16% est obtenu en utilisant un échangeur à récupération interne d’une efficacité de 80% (Castaing-Lasvignottes, 2001).

Le diagramme d’Oldham est le plus utilisé pour représenter le cycle de la solution. Il permet de donner la concentration de la solution représentée par l’isotitre x en fonction de la pression (isobare horizontale) et de la température (isotherme verticale). L’eau pure à l’équilibre liquide/vapeur (à saturation) est représentée par l’isotitre 0%. Le diagramme de Merkel est également utilisé en particulier pour les calculs précis car il présente l’avantage de renseigner sur l’enthalpie de l’absorbat et de l’absorbant.

Chapitre 1 : Systèmes de production de froid par sorption

16

Figure 1.3 : Représentation d’un cycle simple effet sur le diagramme d’Oldham

1.2.1.2 Cycle à double effet

Le cycle à double effet consiste à superposer deux cycles simple effet afin d’améliorer les performances énergétiques de la machine. Le schéma en figure 1.4 présente son fonctionnement.

17 Ce cycle consiste à optimiser la chaleur consommée provenant de la source chaude en l’exploitant une deuxième fois à travers un régénérateur intermédiaire. En effet, la chaleur de condensation de l’étage haute pression (condenseur 1) est utilisée pour effectuer la désorption du désorbeur 2.

Figure 1.5 : Représentation d’un cycle double effet sur le diagramme d’Oldham

1.2.2 Couples absorbat/absorbant

On retrouve deux principaux couples absorbat/absorbant :

• Ammoniac / Eau

Ce couple utilise l’ammoniac comme fluide frigorigène. Il présente l’avantage de fonctionner à des pressions supérieures à la pression atmosphérique. Cependant, le cuivre ne peut pas être utilisé, et ce système nécessite un rectifieur afin d’éliminer les traces d’eau contenues dans les vapeurs d’ammoniac en sortie de désorbeur. Ce couple est principalement utilisé pour des applications négatives, mais il est également présent pour les applications de climatisation.

• Eau / Bromure de lithium

Ce couple utilise l’eau comme fluide frigorigène, ce qui présente l’avantage d’une chaleur de vaporisation très élevée. Cependant, les pressions de fonctionnement avec l’eau nécessitent une machine conçue pour assurer l’étanchéité en dépression avec l’atmosphère. De plus, il convient de maîtriser la température de rejection, afin d’éviter la cristallisation du sel et l'endommagement de la machine. Ce couple est essentiellement utilisé pour des applications de climatisation en raison de l’utilisation de l’eau (point triple de l’eau à 0°C). La température de source froide est alors supérieure ou égale à 5°C. La température de source chaude est comprise

Chapitre 1 : Systèmes de production de froid par sorption

18 entre 80°C et 110°C et peut provenir d’eau chaude surchauffée ou de vapeur. Le rejet de chaleur s’effectue à température ambiante entre 20°C et 35°C. En cycle simple effet avec récupération interne, le COP est d’environ de 0.7. Au-delà d’une température de source chaude de 120°C, un cycle double effet peut être entrepris, et le COP peut atteindre 1.2 (Srikhirin, et al., 2001).

Néanmoins, les systèmes à absorption présentent l’inconvénient d’être limités à une température de source chaude de 200°C car, au delà de cette température, un risque important de corrosion menace la pérennité de la machine. Ferdinand Carré avait certes, déjà en 1876, équipé le navire marchand le Paraguay avec son réfrigérateur à absorption, ce système n’est désormais plus recommandé pour une application mobile. En effet, Wang ne préconise pas l’utilisation des machines à absorption pour les applications de climatisation mobiles sujettes à d’importantes vibrations telles que le transport ferroviaire ou les navires de pêche (Wang, et al., 2009). Il y aurait, d'après lui un risque de déplacement incontrôlé de l’absorbant dans l’évaporateur ou le condenseur, qui polluerait le fluide frigorigène et provoquerait un dysfonctionnement.

De nos jours, les machines à absorption commercialisées couvrent des gammes de puissances allant de 15 kW à 5 MW pour des applications industrielles, tertiaires et résidentielles. De nombreux constructeurs se sont imposés sur les marchés américains, chinois et japonais tels que les sociétés THERMAX, CARRIER, YAZAKI, ROBUR… Un fort développement sur le secteur européen est en train de s’opérer pour les machines de petites puissances de climatisation. Les solutions comprises entre 5 et 15 kW sont en plein développement. Cependant, ces machines de faible puissance souffrent encore d’un encombrement élevé, d’environ 7 kW/m3, et leur coût est encore bien supérieur à celui des systèmes à compression mécanique (Makni, 2012).

19

1.3

Les machines à adsorption

1.3.1 Principe de fonctionnement

L’adsorption est le processus au cours duquel des molécules d’un fluide (gaz ou liquide), appelé adsorbat, viennent se fixer sur la surface d’un solide, appelé un adsorbant. On sous-entend ici par surface du solide les surfaces externes et internes engendrées par le réseau de pores et de cavités à l’intérieur de l’adsorbant. L’adsorption est un processus exothermique qui se produit donc avec un dégagement de chaleur. Le phénomène inverse, par lequel les molécules adsorbées sur une surface s’en détachent, notamment sous l’action de l’élévation de la température, ou de la baisse de pression, se nomme la désorption (processus endothermique). C’est l’adsorption physique soumise aux forces de Van der Waals qui est essentiellement utilisée en réfrigération. Cette adsorption se produit par interaction électromagnétique entre les atomes et les molécules sans modification de la structure moléculaire et est parfaitement réversible.

1.3.1.1 Cycle continu

Les machines à adsorption utilisent un adsorbant solide, c’est pourquoi il est nécessaire d’utiliser au minimum deux adsorbeurs pour obtenir une production frigorifique continue. Dans cette configuration, deux adsorbeurs sont chauffés et refroidis alternativement afin de créer la compression thermique. L’évaporateur et le condenseur assument les mêmes fonctions que dans un cycle classique : condensation des vapeurs, puis détente du liquide obtenu, et, enfin, évaporation qui permet la production frigorifique.

Chapitre 1 : Systèmes de production de froid par sorption

20 En opération, les adsorbeurs effectuent les quatre étapes décrites sur la figure 1.6 et détaillées ci-dessous, chacun étant en opposition de phase par rapport à l’autre :

1. Phase de préchauffage : L’adsorbeur est isolé et chauffé à l’aide de la source chaude. Sa

température s’élève à quantité à l’équilibre constante (q1 sur la figure 1.6), car les échanges de matières ne sont pas possibles. On parle de préchauffage isostérique. Lorsque la pression à l’intérieur de l’adsorbeur atteint la pression de condensation, on passe à la phase de désorption. C’est la température du fluide caloporteur, égale à Trej, qui fixe la pression du couple condenseur/désorbeur et, par conséquent la température de condensation. En considérant un échange adiabatique, le bilan s’écrit de la forme suivante :

.' = / 012&342&+ 6'. 7489: + 1é<29. 4é<29= !>

!2 . ?@

2. Phase de désorption : Le chauffage de l’adsorbeur est maintenu, car la phase de

désorption est endothermique. A cette étape, il est connecté au condenseur pour que les échanges de matière deviennent possibles, si bien que la quantité d’adsorbat diminue puisqu’il y a une augmentation de la température. Le condenseur reçoit alors la vapeur désorbée et la liquéfie à la haute pression. La phase de désorption cesse lorsque la température maximale de chauffage est atteinte. Cette température est théoriquement égale à la température de la source chaude. Dans la pratique, on fixe une durée de phase qui influence alors les performances de la machine. La somme de la durée de la phase de préchauffage et de celle de désorption est appelée temps de demi-cycle. Le bilan de la phase de désorption s’écrit ainsi :

.A = / 012&342&+ 6. 7489: + 1é<29. 4é<29= ! !> . ?@ + / 12&. ∆. ?6  > .= 12&. ∆6. BC89

3. Phase de pré-refroidissement : La phase de désorption étant terminée, l’adsorbeur est

déconnecté du condenseur. Il est ensuite refroidi grâce à la source intermédiaire, ce qui permet de baisser sa pression en gardant constante la quantité d’adsorbat (q2) en phase désorbée. C’est la phase de pré-refroidissement isostérique. Lorsque la pression devient égale à la pression d’évaporation (fixé par la température de source froide), on passe à la phase d’adsorption.

. = / 012&342& + 6A. 7489: + 1é<29. 4é<29= !

21

4. Phase d’adsorption : Le refroidissement de l’adsorbeur se poursuit puisque le

phénomène d’adsorption est une réaction exothermique. A cette étape, l’adsorbeur est connecté à l’évaporateur. La température diminuant sa capacité d’adsorption augmente, si bien que l’adsorbeur aspire les vapeurs provenant de l’évaporateur. La phase d’adsorption cesse théoriquement lorsque la température de l’adsorbeur est égale à la température de la source de rejection. .D = / 012&342&+ 6. 7489: + 1é<29. 4é<29= !2 ! . ?@ + / 12&. ∆. ?6 2  .E2 = 12&. ∆6. BC89+ / 12&. ∆6. 489. ?@

E2 FG

Deux principaux paramètres sont utilisés pour étudier la performance des cycles à adsorption :

- Le coefficient de performance :  = #H

#

$-- La puissance frigorifique spécifique, exprimée en W/kg : IJ = #K

LM$K*NLOP 1.3.1.1 Cycle à récupération de chaleur

Après un cycle, les besoins sont complémentaires entre les adsorbeurs : l’un doit être refroidi et l’autre chauffé. Par l’intermédiaire d’un fluide caloporteur circulant en boucle fermée, il est alors possible d’effectuer une récupération de chaleur (figure 1.7) entre les adsorbeurs pour réaliser la phase de pré-refroidissement isostérique (D à E) et la phase de pré-chauffage isostérique (A à B). Le processus continue jusqu’à l’équilibre thermique à Tint (C et F), où les adsorbeurs sont entrés en phase d’adsorption et de désorption sans apport de chaleur additionnelle. Après cette récupération de chaleur, l’adsorbeur en phase de désorption continue d’être chauffé par la source chaude, tandis que l’autre adsorbeur en phase d’adsorption est refroidi par la source intermédiaire, comme dans un cycle classique. Ce cycle de récupération de chaleur permet de réduire la quantité d’énergie provenant de la source chaude, et engendre alors une augmentation du coefficient de performance d’environ 25% (Wang, et al., 2010). Le coefficient de régénération permet de représenter l’efficacité de ce procédé par rapport à un système classique (Meunier, 1998). Q_QR∗ représente la quantité de chaleur nécessaire pour un cycle classique.

T =#$-(#$-∗

#$- U =

VW∗

Chapitre 1 : Systèmes de production de froid par sorption

22

Figure 1.7 : Cycle d’une machine à adsorption avec récupération de chaleur

1.3.1.2 Cycle à propagation de front de chaleur

Le cycle à propagation de front de chaleur est présenté en figure 1.8. Le système consiste à utiliser un fluide caloporteur pour transférer en série la chaleur présente dans les adsorbeurs. Les besoins sont concomitants, l’adsorbeur 1 est refroidi pour la phase d’adsorption, et l’adsorbeur 2 est chauffé pour la phase de désorption. Le fluide caloporteur récupère la chaleur de l’adsorbeur 1, puis est chauffé par la source chaude jusqu’à atteindre la température de désorption nécessaire pour l’adsorbeur 2. Après son passage dans l’adsorbeur 2 où le fluide transmet la chaleur de désorption, il subit un refroidissement additionnel pour atteindre la température d’adsorption nécessaire de l’adsorbeur 1. Le fluide caloporteur est véhiculé par une pompe réversible afin d’inverser la circulation du fluide et d'alterner le travail des adsorbeurs. Les échangeurs 1 et 2 sont également alternés pour assurer le complément thermique.

23

1.3.1.3 Cycle à récupération de masse

Le système est représenté en figure 1.9. L’objectif de la récupération de masse est de profiter de la différence de pression entre les deux adsorbeurs à la fin d’un demi-cycle pour transférer la vapeur d’absorbat de l’un vers l’autre en les mettant en connexion directe. En raison de la différence de pression dans les adsorbeurs, le processus de désorption/adsorption s’effectue automatiquement sans chauffage ni refroidissement. En effet, l’adsorbeur en phase de fin de désorption au point D subit une diminution de sa pression jusqu’à la pression d’équilibre Pint en E. Ce phénomène provoque une désorption supplémentaire du réfrigérant (isostére D à E), et augmente la quantité de masse cyclée. L’adsorbeur en opposition de phase subit le phénomène inverse. Ce processus permet d’améliorer le transfert de masse, et augmente la puissance frigorifique d’environ 10% par rapport à un cycle classique, à COP égal (Qu, et al., 2002).

Figure 1.9 : Schéma et cycle d’une machine à adsorption avec récupération de masse

1.3.2 Couples adsorbant/adsorbat

Le choix du couple utilisé est primordial pour le système de réfrigération. Les pompes à chaleur à adsorption utilisent le plus communément les couples : Méthanol/Charbon actif, Ammoniac/Charbon actif, Eau/Zéolite et Eau/Gel de silice. Les critères de sélection sont les suivants:

Chapitre 1 : Systèmes de production de froid par sorption

24

Les critères pour l’absorbat (le réfrigérant):

- Forte chaleur de vaporisation - Respectueux de l’environnement - Non corrosif

- Non toxique

- Bonnes propriétés thermochimiques aux conditions de fonctionnement (pression, température, point triple…)

Tableau 1.1 : Quelques propriétés des réfrigérants

Fluides - Méthanol Ammoniac Eau

Formule chimique - CH3OH NH3 H2O

Tev / Tcd °C 10 / 40

Pev / Pcond bar,a 0.0073 / 0.35 6.15 / 15.54 0.0123 / 0.0738

Lv ev kJ/kg 1 217 1224 2478

Toxicité - Oui Oui Non

Corrosion - Aluminium Cuivre Non

Les critères pour l’adsorbant:

- Importante capacité d’adsorption

- Forte sensibilité de la capacité d’adsorption en fonction de la variation de température - Forte conductivité thermique

- Coût d’achat faible - Stabilité thermique

Tableau 1.2 : Quelques propriétés des couples en adsorption (Demir, et al., 2008)

Couples - MeOH / AC NH3 / AC H2O / Zéolites

H2O / Gel de

silices S spécifique m²/g adsorbant 400 à 2 000 500 à 800 600 à 800

q ads max kg/kg adsorbant 0.45 0.29 0.2 à 0.3 0.2

dH ads kJ/kg adsorbat 1 800 à 2 000 NC 3 300 à 4 200 2 500

25

1.3.2.1 Méthanol / Charbon actif

Le couple Méthanol / Charbon actif est fréquemment employé en raison d’une forte capacité d’adsorption et d’une faible chaleur d’adsorption bénéfique au COP. La faible température de désorption d’environ 100°C permet d’exploiter une source d’énergie alternative comme l’énergie solaire.

Néanmoins, ce fluide est hautement toxique, et la pression de fonctionnement est inférieure à la pression atmosphérique. Le système devra alors être résistant à la dépression afin d’assurer l’étanchéité du circuit. En effet, la présence d’incondensable détériorerait les performances de la machine. Pour finir, le choix de la source chaude est limité à une température d’utilisation de 120°C en raison du risque de dégradation du méthanol pour des températures supérieures (Wang, et al., 2010).

1.3.2.2 Ammoniac / Charbon actif

Le couple Ammoniac / Charbon actif présente l’avantage de fonctionner à des pressions élevées, au-dessus de la pression atmosphérique. Pour une température de condensation à 40°C, la pression est alors de 15.54 bar,a, il n’y a donc pas de risque d’introduction d’air. De plus, la haute pression de fonctionnement améliore le transfert de masse et réduit les temps de cycle, car la masse volumique est élevée et la différence de pression importante entre les adsorbeurs. La puissance frigorifique spécifique est alors meilleure.

L’inconvénient de l’utilisation de l’ammoniac est sa forte toxicité et son incompatibilité avec les alliages cuivreux. L’amélioration de l’étanchéité des machines tend à faciliter son développement. Pour finir, ce couple présente une capacité d’adsorption moindre que le méthanol d’environ 36% (Wang, et al., 2009).

1.3.2.3 Eau / Zéolite

Le couple eau / zéolite présente l’avantage d’utiliser l’eau comme réfrigérant, élément qui possède la meilleure chaleur de vaporisation (65% supérieur à l’ammoniac). Un autre avantage de ce couple est de pouvoir utiliser une source de chaleur à haute température. C’est d’ailleurs à partir d’une température de source chaude supérieure à 200°C que le COP et la PFS deviennent compétitifs au couple Méthanol/charbon actif (Wang, et al., 2009).

Chapitre 1 : Systèmes de production de froid par sorption

26 Ce couple est uniquement utilisé pour des applications de climatisation car le point triple de l’eau se situe à 0°C. En raison de sa forte chaleur d’adsorption et de sa faible pression de fonctionnement, le transfert de masse est médiocre, et les temps de cycles sont plus longs qu'avec les autres couples. L'équation de Langmuir trois termes est utilisée pour le calcul des isothermes (tracé isostérique, quantité à l'équilibre...) (BEN, 1993):

6 =6_{1 + Z}X,'. Z'.  ' + 6X,A. ZA.  1 + ZA + 6X, . Z .  1 + Z  Avec : 6X,' = \]_@^ ^ ^_' 6X,A = \7_@^ ^ ^_' 6X, = 0.374 − 6X,'− 6X,A Z^ = ZX,^ef4 gh_{@ i}^ Nous utiliserons les nouveaux coefficients d'isothermes présentés sur le tableau 1.3 (Makni, 2012) :

Tableau 1.3 : Nouveaux coefficients de l'équation de Langmuir trois termes

I ai ci B0,i Ei

0 0,152 -0,896 - -

1 -155,36 843,85 1,508.10-10 7726,58 2 6,37.104 -2,54.105 5,42.10-10 6074,71 3 -8,45.106 2,78.107 1,71.10-10 5392,17

1.3.2.4 Eau / Gel de silice

Ce couple est très intéressant pour récupérer l’énergie solaire à faible température car la température de désorption peut être très basse, de l’ordre de 50°C.

Toutefois, la capacité d’adsorption est faible pour ce couple, et la température de désorption doit être inférieure à 120°C.

1.3.3 Amélioration du transfert de masse et de chaleur

L’intensification du transfert de masse et de chaleur dans l’adsorbeur est un paramètre crucial pour améliorer les performances des machines à adsorption. En effet, la conductivité thermique de l’adsorbant est généralement faible, ce qui ralentit le transfert de chaleur dans le lit et augmente la durée des cycles. De plus, le transfert de masse dépend de la géométrie du lit et influe sur la durée des cycles. C’est pourquoi de nombreux travaux de recherche sont entrepris à ce sujet. Différents leviers d’améliorations sont envisageables.

27

1.3.3.1 Amélioration de l’adsorbant

L’objectif est d’améliorer la conductivité thermique de l’adsorbant. L’ajout de matériaux avec une bonne conductivité thermique (comme le cuivre) dans l'adsorbant est une des méthodes les plus couramment utilisées. Une autre méthode consiste à consolider l’adsorbant. Le tableau 1.4 suivant permet de quantifier les améliorations obtenues :

Tableau 1.4 : Exemple d’amélioration de la zéolite. (Demir, et al., 2008)

Adsorbant λ (W/m.K) U (W/m².K)

Zéolite 0.09 20

Zéolite améliorée (cuivre) 0.17 35 Zéolite consolidée 0.36 45 Zéolite améliorée et consolidée 8.3 180

Il a également été remarqué que l’utilisation d’un mélange de grains de différentes tailles d’adsorbant permettait de renforcer le transfert de chaleur. Avec cette méthode simple, la conductivité thermique augmente de 35% pour le charbon actif, et de 22% pour la zéolite (Wang, et al., 2010). Cependant, ces techniques d’amélioration du transfert de chaleur pénalisent le transfert de masse dans l’adsorbant, il y a donc un compromis à déterminer. L’épaisseur de la couche d’adsorbant peut être limitée afin de ne pas pénaliser le transfert de masse.

1.3.3.2 Amélioration de la géométrie du lit

L’augmentation de la surface d’échange entre le lit et le fluide caloporteur secondaire en utilisant des ailettes permet d’améliorer le coefficient d’échange thermique de l’adsorbeur et de réduire le temps de cycle. La puissance frigorifique spécifique est alors meilleure. Cette méthode est couramment utilisée, mais présente généralement l’inconvénient d’augmenter l’inertie du système du fait de la présence d’une masse de métal supplémentaire. L’énergie de chauffage nécessaire est alors plus élevée, et le COP en est détérioré. Un compromis est également à déterminer en fonction des objectifs de compacité (PFS), de l'efficacité énergétique (COP), de la légèreté, etc.

1.3.4 Systèmes à adsorption pour les applications mobiles

Le secteur du transport routier, ferroviaire et maritime possède un important potentiel de développement pour la climatisation par adsorption. En effet, contrairement aux systèmes à compression de vapeur type R134a actuels, la machine à adsorption utilise un réfrigérant naturel et, de surcroît, valorise la chaleur inutilisée provenant du moteur ou des gaz d’échappement sans

Chapitre 1 : Systèmes de production de froid par sorption

28 perte d’énergie mécanique. Les instances européennes estiment la surconsommation de carburant due à la climatisation automobile classique entre 4 et 8 % (Cristoph, et al., 2008). Le développement des machines à adsorption s’inscrit alors comme une alternative efficace aux systèmes classiques pour réduire la consommation d’énergie fossile et les émissions de gaz à effet de serre directes et indirectes. De plus, ces systèmes ne requièrent aucune pièce mécanique en mouvement, ce qui garantie une meilleure fiabilité et un fonctionnement silencieux (Zhang, et al., 1997). Les systèmes à adsorption seraient plus compétitifs que les machines à absorption en raison des niveaux de températures de sources chaudes élevées et des vibrations importantes rencontrées avec ces applications (Wang, et al., 2010).

Naturellement, la compacité et la légèreté des systèmes à adsorption pour la climatisation mobile sont deux paramètres essentiels pour assurer leur développement commercial. Le volume occupé par le système doit être faible pour faciliter son intégration. La masse a une influence directe sur la consommation de carburant du véhicule, et doit donc être minimisée. Ainsi, l’amélioration de la puissance frigorifique spécifique est au cœur des sujets de recherche pour ces applications. L’optimisation du COP n’est pas primordiale, car l’énergie fatale est généralement présente en quantité suffisante.

Le projet européen TOPMACS (Thermally Operated Mobile Air Conditioning Systems) a récemment permis de réaliser trois démonstrateurs novateurs dans ce domaine (Magnetto, 2005) :

- Prototype CRN couple Eau/Zéolite amélioré pour équiper un camion - Prototype ECN couple Eau/Gel de silice destiné à équiper une voiture

- Prototype UW couple NH3/Charbon actif consolidé en vue d’une intégration à une voiture

La récupération d’énergie est effectuée sur la boucle de refroidissement du moteur à une température de 90 à 95°C pour une voiture, et de 80 à 85°C pour un camion. La récupération sur les gaz d’échappement est également possible et présente l’avantage d’être disponible à une température plus élevée. Cependant, cette solution unique est jugée moins intéressante (Verde, et al., 2010), en raison du potentiel énergétique moindre, du surinvestissement, et de l’encombrement plus important d’un échangeur gaz/liquide. La variation des conditions de fonctionnement (phases d’arrêt et démarrage du moteur, conditions climatiques…) influence fortement les performances.

29 Les essais en laboratoire du prototype CRN TOPMACS destiné à un camion (figure 1.10) se sont révélés prometteurs. En effet, la puissance frigorifique spécifique obtenue est élevée, entre 300 et 600 W/kg. La machine utilise deux adsorbeurs (composés d’échangeurs en aluminium à ailettes) sans récupération de masse de 1.9 kg de zéolite chacun, pour un volume global de 170 dm3, et une masse de 60 kg. Aux conditions de fonctionnement de 90°C, 28 à 33°C et 7 à 10°C correspondant respectivement aux températures de source chaude, de condensation et d’évaporation, la puissance obtenue est comprise entre 1 et 2.3 kW, et un COP de 0,25 à 0.45.

Figure 1.10 : Prototype CRN Zéolite amélioré /Eau. (Magnetto, 2005)

Les essais concernant le prototype ECN TOPMACS Eau / Gel de silice destiné à une voiture (figure 1.11) ont mis en évidence des performances encore meilleures. La récupération de chaleur est effectuée sur le système de refroidissement du moteur via une boucle d’eau. Une récupération partielle sur les gaz d’échappement est également entreprise afin de réduire le temps de démarrage de la machine à adsorption (pour atteindre la température de désorption souhaitée rapidement). La machine utilise deux adsorbeurs composés d’échangeurs à ailettes sans récupération de masse de 1 kg de gel de silice chacun, pour un volume global de 180 dm3, et une masse de 86 kg.

Chapitre 1 : Systèmes de production de froid par sorption

30 La puissance frigorifique peut atteindre 2,5 kW et un COP compris entre 0,3 à 0,5. Les tests en laboratoire (non intégrés au véhicule) ont permis d’obtenir une puissance frigorifique spécifique d’environ 800 W/kg. Toutefois, son fonctionnement intégré au véhicule testé en chambre climatique s’est révélé moins efficace en raison du couplage avec les échangeurs terminaux de faible dimension (pour respecter le volume alloué au système dans le véhicule), et probablement d’un défaut d’étanchéité (micro-fuite). L’objectif est d’obtenir une puissance frigorifique d’environ 4 kW pour satisfaire les besoins de climatisation. Il est donc envisagé d’améliorer les performances. Une distribution directe du fluide frigorigène est préférable pour réduire les pincements de température et améliorer les performances. Ainsi, une nouvelle conception des adsorbeurs du prototype ECN avec des matériaux plus légers (plastique et aluminium), une géométrie optimisée, des vannes compactes et une distribution directe est envisagée.

Le projet UW TOPMACS est un pilote d’une machine à adsorption avec récupération de masse développé par l’université de Warwick en laboratoire, utilisant un nouveau type d’adsorbeur. Le charbon actif consolidé est placé dans un échangeur à plaques comme l’illustrent les figures 1.12 et 1.13. Un adsorbeur seul occupe un volume de seulement 8 dm3 pour 0.91 kg d’adsorbant.

Figure 1.12 : Schéma de principe de l’adsorbeur à plaques. (Cristoph, et al., 2008)

31 L’ammoniac est utilisé comme fluide frigorigène car il présente l’avantage de fonctionner à haute pression, ce qui est favorable pour une application avec ce type d’échangeur très compact. Le transfert de masse n’est alors pas pénalisé comme avec les fluides fonctionnant à pressions faibles. La conduction et la surface d’échange sont plus élevées que les adsorbeurs classiques, ce qui améliore la puissance frigorifique spécifique (transfert de chaleur intensifié et temps de cycle réduit). Cependant, le système utilise une distribution indirecte par fluide caloporteur pour confiner l’ammoniac. La puissance frigorifique spécifique obtenue est de l’ordre de 800 W/kg pour un encombrement très faible. Aux conditions de fonctionnement de 90°C, 31.5°C et 20°C correspondant respectivement aux températures de source chaude, de rejet et de source froide, la puissance obtenue est de 1.6 kW et un COP de 0,22.

Comme le présente la figure 1.14, en comparaison à l’état de l’art des systèmes de petites puissances commercialisés (certes non destinés à une application mobile) le volume alloué peut être réduit jusqu’à 9 fois et surpasse alors les systèmes à absorption. Cependant, pour devenir réellement compétitif face aux systèmes à compression mécanique, l’adsorption nécessite davantage de recherche, afin de réduire encore le volume et la masse du système, ainsi qu’une distribution directe du fluide frigorigène (lorsqu'il n'est pas toxique) dans les échangeurs pour améliorer les performances.

Figure 1.14 : Comparatif de densité de puissance entre les systèmes commercialisés de faibles puissances et les prototypes TOPMACS. (Magnetto, 2005)

Chapitre 2 : Conception de la pompe à chaleur à adsorption

32

2.

Conception de la pompe à chaleur à adsorption

2.1

Principe de fonctionnement du système global GAPPAC®

Le projet GAPPAC© a été programmé et financé par l’Agence National de la Recherche (ANR) sur le Programme d’Action sur l’Hydrogène (ANR PAN-H, 2006).

L’objectif global de ce projet est de créer un groupe auxiliaire de puissance à pile à combustible générique pour des applications de transports (terrestre, aérien, maritime, fluvial), afin de réduire les consommations, émissions de CO2, et émissions sonores pendant les phases de veilles des véhicules militaires et les phases au sol des avions (Projet GAPPAC, 2009). A l’origine, un groupe auxiliaire de puissance, dit « GAP », désigne un turbogénérateur auxiliaire destiné à produire de l’électricité à bord des avions pour l’alimentation au sol des différents systèmes de bord (auxiliaires, pressions pneumatiques et hydrauliques, climatisation), lorsque les moteurs sont à l’arrêt, afin d'économiser le carburant. Ce groupe auxiliaire est un turbomoteur situé dans le fuselage de l’aéronef, souvent dans la partie arrière appelée l’empennage. Il permet, en outre, d’assurer le démarrage des turboréacteurs au sol, et même de servir de générateur électrique de secours (au sol et en vol), lorsque tous les turboréacteurs sont inopérants.

L’enjeu du projet GAPPAC est la réalisation d’un démonstrateur préfigurant le développement d’un produit industriel et commercial sur le marché (en particulier européen) en pleine croissance de l’électricité à bord. Les principales innovations concernent le reformage multi-combustible couplé avec une PEMFC HT (Proton Exchange Membrane fuel Cell, Haute Tolérance), l’application de trigénération, la pressurisation du système, les capteurs en ligne de monoxyde de carbone et de sulfure de dihydrogène pour le contrôle de la qualité du reformat, et le fonctionnement en atmosphère polluée (ANR PAN-H, 2006).

Ce projet de recherche de quatre ans a débuté en décembre 2006 et s’est poursuivi jusqu’en février 2010, avec une coordination effectuée par NEXTER Systems, groupe industriel de l’armement français. De nombreux partenaires industriels, tels que NEXTER, N-GHY et AIRBUS France, ainsi que des partenaires de recherche institutionnels comme ARMINES, FC-LABS, INRETS, LMFA et l'IFFI, ont été présents pour apporter leur savoir-faire et mener à bien l’ensemble du projet.

33 Le projet a été entrepris en collaboration avec les différents acteurs potentiellement impliqués dans une future industrialisation, NEXTER représentant le secteur militaire, AIRBUS le secteur de l’aéronautique, et l’INRETS les applications routières. Voici une brève description des différents systèmes énergétiques impliqués :

Figure 2.1: Principe de fonctionnement global GAPPAC®

A l’origine du projet, une production de puissance de 25 kW d’électricité par la pile à combustible est prévue. Le dégagement thermique de l’ensemble reformeur / pile à combustible est d’environ 33 kW thermique, dont 10 à 24 kWdisponibles pour la climatisation. Cette énergie thermique disponible peut être utilisée en fonction des besoins pour le conditionnement d’air, permettant ainsi une évolution attractive vers la trigénération. L’application de rafraichissement, vers 30°C pour les situations extrêmes, place l’adsorption en position favorable.

2.1.1 Le reformeur

Différents moyens d’alimentation d’une pile à hydrogène existent : soit l’alimentation en hydrogène se fait directement par un réservoir de stockage (production externe), soit l’hydrogène est produit directement au niveau du système pile par reformage en fonction des besoins. Ainsi, la possibilité d’éviter le stockage de l’hydrogène par un système de reformage embarqué à bord permet d’éviter les contraintes de volume, de stockage, de sécurité et d’approvisionnement. Le reformage multi-combustible permet de faciliter l’approvisionnement

Chapitre 2 : Conception de la pompe à chaleur à adsorption

34 en carburant ou biocarburant à travers le monde. Dans notre cas, le reformage externe est utilisé pour produire un gaz riche en hydrogène à partir d’un composé hydrocarboné (gazole) d’air et d’eau. Le vaporeformage d’hydrocarbures s’écrit de la forme générale suivante :

G+ 2kA→ m _A + 2kn A+ kA

Avec le gazole (C21H44) aux conditions stœchiométriques, nous obtenons : A'DD+ 42A→ 64 A+ 21A

Dans le cas d’un reformage externe, le combustible doit être purifié (présence de soufre), et la teneur en monoxyde de carbone du gaz arrivant à la pile doit être contrôlée pour un bon fonctionnement, d’où l’intérêt de développer des capteurs (non disponibles sur le marché) précis pour ce type d’application. Les travaux réalisés par ARMINES ont conduit à la mise au point d’un type de fonctionnement permettant de détecter de fortes teneur en CO (jusqu’à 4000 ppm), de manière réversible, et sans dégradation apparente de la pile (ANR PAN-H, 2006).

2.1.2 La pile à combustible à hydrogène

Figure 2.2 : Principe de fonctionnement d’une pile à combustible

Ce procédé permet la conversion de l’énergie chimique en énergie électrique. Le principe de fonctionnement est décrit en figure 2.2. La pile est constituée de deux électrodes alimentées par une source d’hydrogène et une source d’oxygène (l’air) séparées par un électrolyte. A l’anode, l’hydrogène est oxydé selon la réaction suivante :

35 L’électrolyte de la PEMFC est une membrane polymère imperméable à l’hydrogène, ne laissant passer que les protons. Ainsi, les protons traversent la membrane et se combinent avec les ions oxygènes issus de la réduction de l’oxygène par les électrons du côté de la cathode. La réaction est la suivante :

4p_{+ 4e}(₊

A → 2A

Par conséquent, les électrons sont acheminés par le circuit externe en produisant un travail électrique. Cette réaction est exothermique, il y a donc dégagement de chaleur.

A+1_{2 A} → A0 + qere7 + .sℎ

Une pile à combustible PEMFC classique (également appelée PEFC : Polymère Electrolyte Fuel Cell) est de nos jours très utilisée pour des applications mobiles et stationnaires de moyennes puissances. Elle fait partie de la famille des piles à combustible basse température. Son principal inconvénient provient du besoin impératif d’utiliser de l’hydrogène de haute pureté. Il a été remarqué que la présence de contaminants comme le soufre ou le monoxyde de carbone créait des dégradations. De plus, sa température de fonctionnement étant de 50 à 80°C, l’évacuation de la chaleur à faible différence de température (avec l’ambiance) est plus difficile. La PEMFC HT utilisée pour le GAPPAC présente l’avantage de fonctionner à une température plus élevée, d'environ 180°C. Son refroidissement est donc plus aisé et, surtout, sa tolérance aux impuretés est plus grande.

2.1.3 Le système de climatisation du prototype

La possibilité de produire du froid à partir des sources chaudes de la pile à combustible permet d’envisager une application vers la trigénération, et ainsi d'améliorer les performances globales de la machine (Figure 2.1). Ce module de froid par adsorption est entièrement développé par l’IFFI et testé au laboratoire. L’objectif est d’évaluer les possibilités ainsi que les limites de la valorisation des rejets thermiques d’une pile à combustible embarquée sous contrainte de volume et de masse limités. Cette partie sera développée dans la suite de ce mémoire.

2.2

Cahier des charges pour le module de climatisation

Conformément aux cahiers des charges du projet, le module de production de froid est un système à adsorption. A priori, le système peut utiliser quatre sources potentielles de récupération de chaleur du GAPPAC. L’une est à haute température (300-400°C), et les trois

Chapitre 2 : Conception de la pompe à chaleur à adsorption

36 autres se situent autour de températures comprises entre 100 et 200°C. La puissance thermique utilisable est d’environ 10 à 24 kW. Le régime de température, dépendant du couple d’adsorbat/adsorbant retenu, sera compris entre 15 et 20°C pour convenir aux besoins de rafraîchissement de l’habitacle. L’exploitation de ces sources chaudes a été discutée en étroite collaboration avec NEXTER et N-GHY pour s’assurer de leurs disponibilités et accessibilités. Le cahier des charges de NEXTER impose une puissance de froid de 7,5 kW avec une température extérieure de 45°C, et une ambiance à maintenir de 35°C à l’intérieur du véhicule.

Différentes architectures peuvent être étudiées (un ou plusieurs adsorbeurs, amélioration des cycles…) avec différents couples, en fonction des besoins de froid et des niveaux de températures et de puissances. Une attention particulière doit être apportée à la compacité des éléments constituant le prototype, adsorbeurs et échangeurs, compte-tenu d’une possible future intégration aux systèmes embarqués. Ce prototype est un démonstrateur pour étudier une possible évolution vers des systèmes de production de froid mobiles de petites puissances.

2.3

Exploitation du pré-dimensionnement par simulation numérique

Une simulation numérique effectuée avant la réalisation du prototype a été menée par Monsieur Marc Clausse. Les modèles numériques utilisés sont basés sur des travaux déjà développés au laboratoire ayant fait l'objet de publications scientifiques (Clausse, et al., 2008) (Clausse, et al., 2009).

Cette étude permet d'évaluer différentes possibilités technologiques, et d'estimer les performances énergétiques au plus près de la réalité. C'est un outil très utile pour analyser la faisabilité technico-économique du projet.

La simulation numérique des machines à adsorption n’est pas le sujet de ce mémoire. Malgré son intérêt, une description détaillée du modèle représente un travail important, qui ne peut être effectué brièvement. Je me contenterai donc de synthétiser les différentes étapes de l’avant-projet, en présentant les solutions envisagées, et son aboutissement. A mon arrivée au laboratoire, les résultats du modèle final m'ont servi de références pour l'étude technique et financière destinée à planifier la réalisation du prototype.

37

2.3.1 Solutions envisagées

Dans un premier temps, les différentes puissances récupérables du système reformeur et pile à combustible ont été discutées avec les acteurs concernés, N-GHY et NEXTER. Trois couples ont principalement été étudiés : Ammoniac/charbon actif, méthanol/charbon actif et eau/zéolite. La simulation est basée sur les conditions opératoires suivantes (figure 2.3) :

Figure 2.3 : Conditions opératoires de simulation pour la comparaison des trois couples

• Evaluation de la source chaude :

Une pile PEMFC HT fonctionnant à une température de 180°C a été retenue. Elle présente une source de chaleur suffisante provenant de son système de refroidissement. Néanmoins, le couplage avec la machine à adsorption a été jugé trop compromettant pour la durée de vie de la pile. En effet, le cyclage en température des adsorbeurs entraîne un cyclage en température de la pile elle-même. Cette solution a dû être écartée.

Le reformeur présentait des niveaux de puissances conformes, mais les différents niveaux de température de ses modules chauds et froids nous empêchaient d'utiliser ces derniers. Les résultats obtenus nous amènent à retenir uniquement la récupération de chaleur sur les gaz de postcombustions de la pile. Seule cette possibilité peut satisfaire aux conditions de température et de puissance.

Chapitre 2 : Conception de la pompe à chaleur à adsorption

38 Le chauffage de l’adsorbeur doit être entrepris par l'intermédiaire d'un fluide secondaire (échangeur récupérateur de chaleur HX/adsorbeur), et non directement par les gaz postcombustions. En effet, l’inversion des cycles chauffage/refroidissement (HX/Recooler) sur chaque adsorbeur impose un fluide caloporteur commun de type huile thermique entre les deux sources. Les performances de cet échangeur ont été prises en compte pour définir quelle architecture aboutit au flux de chaleur minimal afin d'atteindre l’objectif de puissance frigorifique. Nous avons retenu la géométrie de deux adsorbeurs pour un encombrement estimé à 0.18 m3 hors connexions.

• Choix du couple adsorbat/adsorbant :

Le modèle numérique tient compte d’une condensation en film sur plaques et d’une évaporation en film ruisselant (solution classique avec échangeur tubes et calandre).

Figure 2.4 : Simulation puissances frigorifiques en fonction du couple et du temps de cycle

Nous pouvons constater que le couple MeOH/AC est le plus avantageux, il développe une puissance frigorifique de 6 kW contre 4.5 kW pour le H2O/13X, et de seulement 3.2 kW pour le NH3/AC. Cependant, la limite grisée représente des niveaux de températures supérieurs à 130°C en fin de désorption dans l’adsorbeur. Il n’est pas souhaitable d’atteindre cette température, car il y a un risque de décomposition du méthanol. Toutefois, même avec cette contrainte, le couple MeOH/AC reste le plus performant en termes de puissance frigorifique avec 5.2 kW.

Les différents niveaux de pression rencontrés en fonction de la nature du fluide doivent être pris en compte pour considérer les contraintes technologiques imposées. L’eau et le méthanol fonctionnent dans des gammes de pressions sous la pression atmosphérique. Cette spécificité peut compromettre la fiabilité du prototype car la technique du vide industriel impose une

0 1 2 3 4 5 6 7 0 1 0 2 0 3 0 4 0 5 0 T e m p s ( m in ) Q 0 ( k W ) M e O H H 2 O N H 3

39 étanchéité parfaite. De plus, la faible pression de fonctionnement de ces systèmes peut compromettre le transfert de masse si la perte de charge est trop élevée. L’ammoniac, par contre, travaille à des pressions supérieures à la pression atmosphérique, mais sa haute toxicité imposerait une distribution par froid indirect avec un frigoporteur pour un confinement hors de l’habitacle. Dans ce cas, l’augmentation des pincements de température créerait une forte diminution des performances. De plus, le faible volume du véhicule ne permettrait pas d’implanter un échangeur supplémentaire. Cette solution n’est donc pas réalisable.

Pour des raisons de toxicité, l’ammoniac et le méthanol ont donc été écartés par NEXTER. Ainsi, les derniers couples concernés sont composés d’eau. Le couple H2O/13X présente les meilleures performances comparé au couple H2O/gel de silice, à savoir 3.3kW contre 2.3 kW à encombrement identique. La zéolite présente des performances supérieures de 44%, c’est pourquoi nous avons retenu cette solution.

Initialement, le couple H2O/13X avait été rejeté car, d’après le cahier des charges NEXTER, le véhicule pourrait se retrouver dans des ambiances à -40°C lors de son transport par voie aérienne ou en période hivernale. Inévitablement, on observerait une cristallisation de l’eau présente dans le circuit primaire, accompagnée d’une détérioration irréversible de l’ensemble du réseau due à l’augmentation du volume massique (environ 10%) lors de cette solidification. Différents moyens pour éviter cette détérioration sont possibles, comme la vidange complète du circuit ou une compensation avec un volume d’expansion libre. La première solution n’est pas envisageable, car elle représente une complexité de mise en œuvre trop contraignante (remise au vide, dégazage, remplissage en eau pure, mise en service…). Par contre, en faisant l’hypothèse que la cristallisation induit une expansion globale (et non localisée), une bouteille tampon pourrait être implémentée pour éviter une prise en glace dommageable (u_Ev > 10% . u_9^yz^E).

2.3.2 Architecture retenue

La décision de retenir le couple H2O/13X a entraîné des conséquences sur l’architecture finale du système. En effet, la température de fin de désorption à atteindre devient alors proche de 200°C, ce qui impose l’utilisation d’un fluide caloporteur tel que de l’huile thermique entre l’échangeur de récupération et l’adsorbeur. L’adsorbeur est également connecté au rejet thermique lors des phases de refroidissement/adsorption. Ce réseau de refroidissement est commun au condenseur, ce qui nous impose d’utiliser l’huile sur l’ensemble du réseau