Contexte
Cycle à absorption NH3/H2O pour coproduction de froid et électricité - Valorisation de sources de chaleur à basse température [80-200 °C]

Compte tenu de la demande mondiale d'énergie toujours croissante et de l'attention portée aux questions environnementales et au changement climatique, des recherches se développent de plus en plus sur de nouvelles technologies de production de froid et d’électricité plus efficaces basées sur des sources renouvelables ou de récupération. Dans ce contexte, les systèmes à absorption se prêtent bien à la valorisation d'énergie à basse température pour la production de froid. L’avantage de ces machines est que la compression mécanique est remplacée par une compression thermochimique qui utilise de la chaleur comme source énergétique. En complément des systèmes de contrôle, le principal apport d’électricité se situe au niveau d’une pompe, mais il est inférieur d’environ 10 à 30 fois à celui nécessaire pour un compresseur. Un autre atout de la technologie des machines à absorption est qu’elles permettent de produire du froid en utilisant des fluides frigorigènes déjà bien connus, non nocifs pour la couche d’ozone et non émetteurs de gaz à effet de serre, comme l’ammoniac ou l’eau. Les systèmes de refroidissement à absorption ont jusqu'à présent été des technologies de niche, mais le marché est en croissance avec une réduction de leurs coûts, qui ont été divisés par deux entre 2007 et 2016 selon une étude européenne. De tels systèmes sont prometteurs surtout dans deux domaines : la valorisation de rejets thermiques industriels et l’utilisation de sources de chaleur renouvelables, notamment dans le domaine de la climatisation solaire en raison d’une bonne adéquation entre la ressource solaire et le besoin de froid.

Bien que caractérisée par un faible niveau de maturité technologique (TRL 3-4 sur une échelle de maturité allant jusqu’à 9), la coproduction, au sein d’un même cycle, d’électricité et de refroidissement à partir d’une source thermique à basse température est l’objet de nombreuses études. Un tel système permettrait d'augmenter l'efficacité énergétique du système global et de mutualiser certains composants. Le présent article se concentre sur un système combiné de productions de froid et d'électricité en parallèle à partir d’une source de chaleur à basse température. L’étude s’appuie sur un prototype expérimental de machine à absorption eau/ammoniac de puissance thermique de 10 kW au générateur au sein duquel une turbine est intégrée. Un modèle 1D de la turbine, calibré sur des simulations CFD (Computational Fluid Dynamics), est intégré dans un modèle validé de la machine à absorption et utilisé pour étudier les interactions entre la turbine et le cycle qui la contient. Les contraintes imposées par la turbomachine sur le cycle sont mises en évidence et des solutions pour augmenter la flexibilité du système ont été proposées.

Les analyses réalisées ont permis de définir la plage de fonctionnement du cycle et d’en étudier les performances. Ces résultats ainsi que les retours d’expérience du prototype seront très importants pour un futur développement de démonstrateur à taille réelle pour une application à identifier.