Réutiliser au lieu de jeter
Dübendorf, St. Gallen und Thun, 27.07.2015 - Dans le cadre du programme national de recherche "Virage énergétique" PNR 70, le Fonds national suisse (FNS) soutient le projet de recherche interdisciplinaire «THRIVE». Sous la direction de IBM Research – Zurich et de la Haute école technique de Rapperswil et en collaboration avec des partenaires industriels, des chercheurs de l'Empa, de l'EPF Zurich, de la HEIG-VD et du PSI développeront, jusqu'en 2017, une pompe à chaleur alimentée par des rejets thermiques. 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.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.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.Alimentation à base de chaleur au lieu d'électricitéLa 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.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.Chauffer et refroidir des bâtiments avec un centre de donnéesDe 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».Haute interdisciplinaritéDans 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.
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.
Photovoltaïque de la prochaine générationLa fabrication de composants photovoltaïques hautement efficaces utilise des matériaux ultra-purs aux propriétés électroniques et optiques optimisées. En plus des couches « captant la lumière », le fonctionnement d'une cellule photovoltaïque repose également sur des couches séparant la charge et collectant les charges électriques sur les électrodes. En vue d'augmenter encore l'efficacité de conversion énergétique des cellules, l'équipe autour de Frank Nüesch souhaiterait continuer l'optimisation de ces couches intermédiaires. Béton à faible consommation d'énergieL'objectif du projet est la réduction considérable d'énergie grise dans la construction en béton. Il s'agit là aussi bien de l'énergie grise de matériaux de construction indigènes tel que le ciment, que de l'énergie grise de matériaux importés, tel que l'acier de construction. Des chercheurs de l'Empa sous la direction de Pietro Lura et Giovanni Terrasi se penchent actuellement sur l'élaboration d'une méthode pour remplacer l'acier d'armature usuel par des fibres de carbone précontraintes. Énergies renouvelables pour la production d'électricité« Power-to-gas » est un concept de conversion d'électricité en combustibles tel que le méthane, produit à l'aide d'un catalyseur à partir d'hydrogène (H2) et de CO2. Le projet vise le CO2 généré lors de la production de ciment et qui présente encore des concentrations élevées de composés de soufre pouvant détruire des catalyseurs conventionnels. Des chercheurs de l'Empa autour d'Andreas Borgschulte veulent maintenant copier les processus de méthanisation naturels, qui utilisent précisément ce genre de composés de soufre comme catalyseur. Référence bibliographiquePrognos AG, Infras AG, TEP Energy GmbH sur mandat de l'Office fédéral de l'énergie (BFE) Berne, Analyse de la consommation énergétique suisse 2000 – 2012 par usage prévu (2013) http://www.bfe.admin.ch/themen/00526/00541/00542/02167/index.html?lang=de&dossier_id=02169
Weitere Informationen über das NFP 70: www.nfp70.ch
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