Refroidir sans surchauffe énergétique

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Aujourd’hui, le « froid » – qui désigne tout procédé de refroidissement ou de maintien en température de produits alimentaires, médicaments, transports réfrigérés, entrepôts, chambre froides ou congélation – et la climatisation représentent 17 % de la consommation électrique des pays industrialisés. En France, le taux de pénétration de la climatisation est encore faible au regard d’autres pays, comme les États-Unis où la croissance du taux d’équipement est très élevée (55 % des foyers américains contre 9 % des foyers français). Avec le changement climatique, le recours à la climatisation risque sans aucun doute de s’intensifier et les puissances frigorifiques nécessaires pour refroidir les produits, qu’ils soient alimentaires ou médicamenteux, devraient connaître la même progression.

Pour produire ce froid, on utilise des systèmes dits « à compression de vapeur » qui mettent en jeu des compresseurs grands consommateurs d’énergie. Le principe de base de la production de froid consistant à prélever de la chaleur sur un milieu à refroidir (air ou eau) et à la transférer vers un milieu extérieur (eau ou air extérieur) qui, lui, est réchauffé.

Ce transfert d’énergie est réalisé par l’intermédiaire d’un fluide frigorigène soumis en continu à un cycle thermodynamique de succession de changements d’états vapeur/liquide. Le cycle comporte les quatre phases : la compression, la condensation, la détente et l’évaporation au cours de laquelle le froid est produit.

Il faut retenir qu’on ne peut produire du froid sans rejeter de la chaleur : l’air extérieur dans un environnement proche se trouve ainsi réchauffé. Pour 1 kW de froid produit, on dégage au moins 1 kW. Il existe bien d’autres systèmes, dits « à absoption » – souvent utilisés avec une source chaude solaire – qui n’ont pas recours aux fluides frigorigènes, mais ils sont, en moyenne, 2 fois moins efficaces.

Les nouvelles façons de produire du froid.

Les nouveaux moyens de produire du froid

De nouveaux systèmes de réfrigération magnétique sont en développement dans les laboratoires et pourraient voir le jour dans les prochaines années si leur capacité à fonctionner pour des puissances supérieures à 100 W est confirmée. Aujourd’hui, les prototypes développés dans les laboratoires produisent au maximum la puissance nécessaire au fonctionnement d’un réfrigérateur. Le changement d’échelle n’est pas trivial, il dépend entre autres de l’aptitude à récupérer la chaleur lors de la des-aimantation.

Le froid magnétique consiste à soumettre un matériau à un champ magnétique. Lorsque le matériau est soumis à ce champ, il se réchauffe par agitation des électrons. Lorsque le champ magnétique est arrêté, le matériau se refroidit et il est alors possible de récupérer cette quantité de « froid ». Ces systèmes fonctionnent sans fluides frigorigènes, ce qui en fait un intérêt majeur. Leur efficacité est encore en cours d’évaluation.

On peut considérer que le froid du futur s’appuiera encore sur des machines à compression de vapeur, mais avec des fluides frigorigènes neutres vis-à-vis de l’environnement (aujourd’hui on utilise les HFC, qui ont un pouvoir de réchauffement élevé). Ils auront ainsi un pouvoir de réchauffement très faible, donc peu de contribution à l’effet de serre. Néanmoins, le recours à du stockage d’énergie thermique permettra de réduire la puissance de la machine frigorifique. Pour faire face aux heures de forte demande de réfrigération, le froid qui aura été stocké sera utilisé. On peut, par exemple, stocker de gros volumes de glace qui, en fondant, relarguent une forte quantité d’énergie.

Cette réserve de froid pour la climatisation pourra également être utilisée dans les parois des bâtiments. En période de fortes chaleurs, le froid serait stocké la nuit (température de l’ordre de 26 °C) et lorsque qu’il fait chaud la journée (à partir de 30 °C), ce matériau contenu dans la paroi fondrait et restituerait son froid vers les occupants d’une pièce, selon le principe du stockage par matériau à changement de phase (l’eau sous forme glace/eau est un matériau à changement de phase).