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Comparée aux pompes à chaleur à compression
actuelles, cette technologie ne nécessite que très
peu d'électricité et permet par ailleurs d'utiliser
efficacement les rejets thermiques pour la climatisation
d'immeubles. Le projet d'association fait partie de l'initiative
FNS de soutien à la «stratégie
énergétique 2050» de la
Confédération et reste ouvert à la
collaboration avec d'autres partenaires industriels
intéressés.
Selon une étude commandée par l'Office
fédéral de l'énergie (OFEN), la production de
chaleur, par exemple pour le chauffage ou pour divers
procédés techniques tels que sécher, forger ou
fondre, représente près de la moitié de la
consommation énergétique totale de Suisse.
Actuellement, ces besoins énergétiques sont
majoritairement couverts par des énergies fossiles. Le plus
souvent, les rejets thermiques ainsi créés se
dispersent dans l'environnement sans être utilisés.
L'on constate que la production de chaleur et de froid
représente encore près de 40% de la consommation
totale en électricité. La stratégie
énergétique 2050 prévoit l'abandon de
l'énergie nucléaire, qui fournit aujourd'hui 40% de
l'électricité suisse, ainsi qu'une réduction
drastique des émissions de CO2. Afin d'atteindre
cet objectif, il est indispensable d'utiliser plus efficacement les
ressources énergétiques disponibles et de
réduire durablement la consommation en
électricité.
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Pour
permettre cela, des chercheurs se penchent, dans le cadre du projet
«THRIVE» («Thermally driven adsorption heat pumps
for substitution of electricity and fossil fuels»), sur des
nouvelles pompes à chaleur dites d'adsorption. Étant
donné que ces dernières fonctionnent à base de
chaleur et non d'électricité, cette technologie
pourrait, d'une part, décharger le réseau
électrique et, d'autre part, rendre utilisables les rejets
thermiques provenant d'usines, de centrales électriques et
de centres de données ou les sources
énergétiques renouvelables, telles que
l'énergie solaire, la géothermie et la biomasse.
«Les rejets thermiques sont actuellement trop peu
utilisés, étant donné qu'aussi bien les
possibilités techniques pour une utilisation
écologiquement et économiquement judicieuse que la
nécessité d'une telle utilisation manquent»,
dit Bruno Michel, manager du groupe «Advanced Micro
Integration» du Centre de recherche IBM à
Rüschlikon et l'un des chefs de projet. «L'utilisation
à grande échelle de pompes à chaleur
d'adsorption, telles que nous aimerions les développer dans
le cadre du projet «THRIVE», permettrait
théoriquement une réduction de près de 65% des
besoins en électricité pour le chauffage et la
climatisation et de près de 18% de la consommation de
combustibles fossiles pour la production de chaleur d'ici
2040.» Cela correspondrait à des économies de
près de 1,8 million de tonnes de CO2. |
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Les
pompes à chaleur servent actuellement le plus souvent
à revaloriser de la chaleur ambiante d'une
température située entre -5 et 15°C afin de la
transformer en chaleur pour des locaux ou des processus. Les pompes
à chaleur traditionnelles soutirent de la chaleur à
l'environnement, par exemple du sol ou de l'air, afin
d'évaporer un réfrigérant dans un
évaporateur. La chaleur générée monte
dans un compresseur électrique, qui la condense et la
chauffe ainsi. La vapeur se liquéfie ensuite à
nouveau dans le condensateur et transmet la chaleur à un
circuit de chauffage. Ce processus permet de produire aussi bien de
la chaleur pour la climatisation de pièces que du froid tel
que dans un réfrigérateur. |
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Alimentation à base de chaleur au lieu
d'électricité
La pompe à chaleur à adsorption,
alimentée thermiquement, a un fonctionnement similaire. La
grande différence réside dans le fait que le
compresseur est remplacé par un échangeur thermique
à adsorption, qui utilise de la chaleur à partir
d'une température de 60°C au lieu de
l'électricité comme énergie
d'entraînement. Au cours du processus dit d'adsorption,
l'échangeur thermique à adsorption accueille
(adsorbe) des quantités considérables de vapeur de
l'évaporateur et les condense, ce qui dégage de la
chaleur. La transmission de chaleur à partir d'une source
externe expulse à nouveau de l'échangeur thermique
à adsorption le réfrigérant adsorbé
auparavant. La vapeur chaude ainsi libérée se
liquéfie à nouveau dans le condensateur et la chaleur
de condensation correspondante est transmise au circuit de
chauffage. La pompe à chaleur à adsorption peut aussi
bien chauffer que refroidir. Étant donné que la
production de chaleur se fait de manière discontinue, le
fonctionnement sans interruption nécessite au moins deux
échangeurs thermiques à adsorption travaillant en
parallèle. |
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Grâce à leur faible consommation
énergétique, les pompes à chaleur à
adsorption peuvent fournir, par rapport à la puissance
électrique utilisée, un multiple de la puissance de
refroidissement ou de chauffage fournie par des pompes à
chaleur conventionnelles. Par ailleurs, de l'eau pure peut
être utilisée comme réfrigérant, au lieu
des réfrigérants parfois peu respectueux de
l'environnement. Un autre avantage de la technologie est le fait
que des sources de chaleur renouvelables peuvent être
utilisées, comme par exemple des installations solaires
thermiques, produisant typiquement des températures allant
jusqu'à 90°C. |
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Chauffer et refroidir des bâtiments avec un centre de
données
De par l'utilisation de la chaleur, il existe pour la
pompe à chaleur à adsorption plusieurs cas
d'application intéressants, auxquels les pompes à
chaleur conventionnelles ne seraient pas adaptées. La pompe
à chaleur à adsorption pourrait par exemple utiliser
les rejets thermiques provenant de futures installations
photovoltaïques concentrées activement refroidies ou de
centres de données refroidis à l'eau chaude, afin de
climatiser des immeubles de bureaux ou d'habitation. Le
système informatique Aquasar, développé par
des chercheurs d'IBM en collaboration avec l'EPF Zurich, est un
précurseur du refroidissement à eau chaude de
systèmes informatiques, qui non seulement réduit
massivement les besoins en énergie pour le refroidissement
de centres de données, mais permet également une
utilisation des rejets thermiques. Pour les chercheurs d'IBM,
«THRIVE» représente la prochaine étape
dans la réalisation de ce projet. Les centres de
données pourraient alors pratiquement se refroidir
eux-mêmes à l'aide de leurs rejets thermiques.
«Avec le projet «THRIVE», nous avons la
possibilité unique d'allier les dernières
connaissances issues de la science des matériaux, de
l'optimisation technologique des échangeurs de chaleur et de
la réunion de techniques de systèmes et de centrales
de diverses disciplines», dit Elimar Frank de la Haute
École technique de Rapperswil et co-responsable du projet
«THRIVE» |
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Haute interdisciplinarité
Dans THRIVE, les chercheurs et partenaires industriels
analysent les possibilités d'utilisation et les conditions
du marché pour les pompes à chaleur à
adsorption en Suisse et développent les technologies
systématiques et matérielles pour les pompes à
chaleur à adsorption futures. Des chercheurs de la division
«Building Energy Materials and Components» de l'Empa,
du département des sciences des matériaux de l'EPF
Zurich et de l'Institut pour la Technologie Solaire de la Haute
École technique de Rapperswil collaborent avec les
fournisseurs de matériaux Zeochem et MOF Technologies, ainsi
qu'avec le fabricant ETS Energie-Technik-Systeme, afin de
développer des matières de sorption, des
échangeurs thermiques et d'autres composants d'une pompe
à chaleur compacte d'une capacité de refroidissement
de 10 kilowatts (kW) et de chauffage de 30 kW. «Le
développement de nouveaux matériaux d'adsorption
à base de carbone ou de silicate permet de
considérablement augmenter leur densité
énergétique thermique, ce qui rend le système
nettement plus efficace et rentable dans l'ensemble»,
explique le chercheur de l'Empa Matthias Koebel.
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Le
«Laboratoire d'énergétique solaire et de
physique du bâtiment» de la «Haute Ecole
d'Ingénierie et de Gestion du Canton de Vaud»
(HEIG-VD) se penche, en collaboration avec l'opérateur
énergétique ewz, Danfoss et l'association InfraWatt,
sur l'identification de scénarios d'application pour des
pompes à chaleur thermiques en Suisse. Le Technology
Assessment Group de l'Institut Paul Scherrer (PSI) effectue une
évaluation de durabilité et des coûts de la
technologie des pompes à chaleur d'adsorption et les compare
avec des technologies conventionnelles. |
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Les
photographies peuvent être téléchargées
ici. |
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