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 – Crisalhyd

La production de froid est un besoin fondamental de développement dans de nombreux domaines (conservation des aliments, chimie, électronique, transport, conditionnement d'air), mais elle représente un coût énergétique équivalent à 15% de l'électricité consommée dans les pays industrialisés. En incluant l'impact direct des fluides frigorigènes courants de type hydrofluorocarbures (HFC), avec un fort potentiel de réchauffement global (PRG), l’industrie frigorifique représente 8 % des rejets de gaz à effet de serre (GES). De plus, la réglementation sur ces fluides impose des contraintes (faible PRG, taxes) qui nécessitent une adaptation technologique orientée vers l’utilisation de fluides alternatifs ou de procédés limitant les quantités de fluides, tels que la réfrigération secondaire. En raison de l'expansion du marché de la réfrigération et de la climatisation (RC) dans les années à venir, toute innovation améliorant l’efficacité énergétique des systèmes frigorifiques et réduisant leur impact environnemental contribuera donc de manière significative à la réduction des émissions de GES.
Ainsi, Irstea s'intéresse depuis 10 ans aux hydrates appliqués dans les procédés de RC. Ces cristaux, semblables à la glace et composés d’eau et de molécules invitées (gaz/sels), sont stables sur une large plage de température (253-313 K) et donc valorisable comme matériaux à changement de phase (PCM) pour le stockage à froid. L’hydrate de CO2 est particulièrement intéressant car c’est le PCM ayant la chaleur latente de fusion la plus élevée (500 kJ.kg-1, à P > 1 MPa) aux températures usuelles de climatisation. Irstea et l'ENSTA ont pu former des hydrates mixtes de CO2-sel à basse pression (P < 1 MPa) présentant une forte chaleur latente de fusion (330-450 kJ.kg-1). En les dispersant en phase liquide, il est possible de former des coulis d’hydrates de CO2 neutres pour l'environnement (faible GWP du CO2) capables de transporter le froid dans des boucles secondaires, permettant ainsi de réduire la quantité de fluide frigorigène dans le système. Grâce à la forte densité énergétique des hydrates, le dimensionnement des installations est amélioré (réduction des diamètres de tubes et des puissances de pompage). Les coulis les plus courants sont les coulis de glace (> 100 sites dans le monde) et à une moindre échelle les coulis d'hydrates de sel. Les boucles à coulis sont généralement couplées à des réservoirs de stockage, ce qui optimise le dimensionnement, la flexibilité et l'efficacité énergétique de l'installation. Cependant, les générateurs de coulis sont souvent limités en puissance (échangeurs à surface raclée/brossée). La génération des coulis d’hydrates de CO2 s’appuie sur l'injection de gaz en solution, ce qui peut réduire ces limites technologiques.
Aujourd'hui, les propriétés thermodynamiques (équilibre, enthalpie) de nombreux hydrates (CO2, sels) sont connues et différentes études existent sur la rhéologie des coulis d’hydrates (aqueux, organiques). Irstea a étudié la faisabilité de ce type de transport et mis en évidence deux limitations liées à la cinétique lente de formation et à l'agglomération rapide des hydrates en écoulement (en solution aqueuse), bien connue de l'industrie pétrolière. Ainsi, le contrôle de la cinétique de cristallisation des hydrates et de leur distribution en taille est toujours un verrou scientifique pour une application industrielle. Ces paramètres cinétiques sont en effet liés à l’écoulement, la rhéologie et les transferts massiques et thermiques des coulis, propriétés cruciales pour la fiabilité et l'efficacité des procédés de RC.
Ce projet vise à valider le concept de RC par coulis d’hydrates de CO2 basé sur une approche multi-échelle allant de l'intensification des processus microscopiques de cristallisation, en passant par l'étude de leur impact sur les propriétés thermophysiques des coulis et la modélisation de boucles secondaires, jusqu'à l'évaluation et le dimensionnement d’installation à l'échelle pilote.