Filière du froid : moins de fluides nocifs grâce aux coulis d’hydrates

Coulis constitué de mini-cristaux de glace © G. Maisonneuve
Coulis constitué de mini-cristaux de glace © G. Maisonneuve

Conserver les aliments, les médicaments ou climatiser des locaux, des hôpitaux…, produire du froid est devenu essentiel. Mais face au changement climatique qui pourrait augmenter les besoins en froid, et à la nécessaire réduction de la consommation énergétique et des émissions de gaz à effet de serre, la filière du froid doit aujourd’hui se réinventer. Porté par Irstea, le projet ANR Crisalhyd met en lumière le potentiel des coulis d’hydrates de CO2 pour la réfrigération secondaire, ce procédé de distribution du froid qui permet de supprimer une partie des fluides frigorigènes nocifs, et de stocker et restituer le froid de façon adaptée à la demande.

Améliorer l’efficacité énergétique des systèmes frigorifiques et réduire leur impact environnemental est aujourd’hui l’enjeu majeur de la filière du froid. Le défi est donc double : limiter son coût énergétique et réduire l’utilisation des fluides frigorigènes – ou réfrigérants – qui produisent de fortes quantités de gaz à effet de serre (GES). Parmi les solutions explorées, la réfrigération secondaire s’avère particulièrement pertinente. Dans ce procédé, le froid est produit par une machine conventionnelle, mais il est ensuite transporté par un fluide non nocif dans un circuit secondaire jusqu’aux lieux d’utilisation. Si l’usage de tels dispositifs reste marginal en France, il se répand de plus en plus dans les pays où le coût de l’énergie est très élevé, comme au Japon notamment.

Schéma système de réfrigération secondaire
Système de réfrigération secondaire à coulis d’hydrates : à gauche, la machine de production du froid, à droite le réservoir de stockage du coulis et les canalisations qui le redistribuent jusqu’aux lieux d’utilisation. © Irstea

Des « coulis de glace » aux propriétés remarquables

Dans le cadre du projet Crisalhyd qui vient de s’achever, les chercheurs du centre Irstea d’Antony et les quatre laboratoires et entreprises partenaires ont précisément étudié le comportement d’un de ces fluides capables de transporter et de stocker le froid : le coulis d’hydrates de dioxyde de carbone (CO2), soit de l’eau dans laquelle sont en suspension des milliers de petits cristaux1 de structure proche de la glace et renfermant du CO2. « Les coulis d’hydrates de CO2 sont des matériaux à changement de phase2 à très forte densité énergétique, ce qui signifie qu’ils gardent le froid plus longtemps que la glace elle-même. De plus, alors que la glace fond au-dessus de 0°C, les hydrates de CO2 sont stables jusqu’à 10°C. Deux atouts qui en font de très bons candidats pour concevoir des systèmes de réfrigération secondaire », explique Anthony Delahaye, directeur de recherche à Irstea et coordinateur du projet. En effet, leur exceptionnelle qualité énergétique permet de réduire la quantité de fluide à utiliser et, de fait, la taille des canalisations dans lesquelles ils circulent, diminuant drastiquement le coût financier des installations. Par ailleurs, leur stabilité thermique limite les variations de températures, incompatibles avec l’efficacité de ces procédés.

Une fabrication mieux maîtrisée et des performances confirmées

Boucle coulis hydrates
Dispositif expérimental de réfrigération secondaire à coulis d’hydrates de CO2 (projet Crisalhyd) © G. Maisonneuve

Malgré leur évident potentiel, restait encore à bien comprendre et maîtriser le comportement des hydrates de CO2 avant d’envisager de les transférer dans des dispositifs industriels. Et c’est là tout l’intérêt des résultats du projet Crisalhyd. En étudiant finement le phénomène de cristallisation des hydrates, soit la formation des cristaux, les scientifiques ont déterminé deux caractéristiques fondamentales pour la maîtrise du processus : la vitesse à laquelle se forment les cristaux et leur taille. Ils ont aussi mis en évidence plusieurs méthodes dont l’utilisation d’additifs, pour accélérer la formation des cristaux et améliorer leur écoulement dans les canalisations.
Et qu’en serait-il des performances d’un système basé sur l’utilisation de ces coulis ? « A partir de modèles de simulation numérique du système que nous avons validés expérimentalement sur un pilote de réfrigération secondaire développé au laboratoire, nous avons pu prédire le dimensionnement d’une telle installation et évaluer son fonctionnement. Nous avons ainsi démontré que, par rapport à l’utilisation d’un fluide frigoporteur tel que l’eau liquide par exemple, le procédé permet de réduire de plus 80 % le volume des réservoirs de stockage du froid et de 25 % la taille des échangeurs de chaleur, réduisant ainsi le coût de l’installation », précise le chercheur.
Autre aspect étudié dans le projet Crisalhyd : le stockage du froid grâce aux coulis d’hydrates qui permet d’envisager des chaînes de production du froid encore plus durables. Elles pourraient consister par exemple à fabriquer le froid durant la nuit où les températures sont plus basses et donc le besoin énergétique moins élevé, puis à le stocker pour le restituer le jour, moment où les demandes - et le coût de l’énergie - sont les plus forts. Ainsi, le procédé de réfrigération secondaire à base de coulis d’hydrates de CO2 permet non seulement de réduire la quantité de fluides frigorigènes (10 fois inférieure), mais aussi d’optimiser l’efficacité énergétique de la filière du froid.

Fiche d’identité du projet

  • Nom : Crisalhyd
  • Objectif : Application de réfrigération secondaire par coulis d’hydrates de CO2 : de la cristallisation des hydrates à leur intégration dans des procédés de stockage et de transport de froid
  • Coordinateurs : Anthony Delahaye et Laurence Fournaison, centre Irstea d’Antony
  • Dates : 2015 - 2019
  • Coût total : 2,1 M€ - Financement ANR 570 k€
  • Partenaires : Irstea, ENSTA-ParisTech, LIMSI, SOLVAY, HEATCRAFT-LENNOX

En savoir plus


1- Cristaux de quelques micromètres.
2- C’est-à-dire qu’ils passent de l’état solide à l’état liquide (lorsque les cristaux d’hydrates fondent).