Pompe à chaleur à adsorption chimique : le prototype coréen de 10 kW qui valorise la chaleur fatale

Dans le domaine de la transition énergétique, la récupération de la chaleur fatale représente un gisement considérable d’économies d’énergie. Des chercheurs de l’Institut coréen des machines et des matériaux (KIMM) ont récemment développé un prototype de pompe à chaleur à adsorption chimique d’une puissance de 10 kW, spécialement conçu pour le refroidissement des bâtiments commerciaux, des usines et des centres de données. Cette innovation pourrait bien transformer la manière dont nous produisons du froid, en utilisant une source de chaleur à basse température qui serait autrement perdue.

Comprendre le fonctionnement d’une pompe à chaleur à adsorption chimique

Une pompe à chaleur à adsorption chimique est un système thermiquement entraîné qui repose sur un phénomène physique bien connu : l’attraction réversible entre un adsorbant solide et la vapeur d’un fluide frigorigène. Ce principe permet de transférer de la chaleur pour produire du chauffage ou du refroidissement, avec un recours très limité à la compression mécanique.

Contrairement aux pompes à chaleur conventionnelles qui utilisent un compresseur alimenté électriquement, le système à adsorption est activé par l’apport de chaleur. Cette chaleur peut provenir de diverses sources, notamment de la chaleur fatale industrielle, c’est-à-dire la chaleur générée par les procédés industriels et habituellement rejetée dans l’atmosphère.

Le cycle de fonctionnement se décompose en plusieurs étapes clés :

• La chaleur est apportée à l’adsorbant, ce qui provoque la libération du fluide frigorigène précédemment retenu à sa surface.
• Le fluide frigorigène est ensuite condensé, ce qui entraîne un rejet de chaleur.
• Le fluide frigorigène s’évapore à basse pression et absorbe la chaleur provenant de l’espace ou du procédé à refroidir.
• Lors de la phase d’adsorption, la vapeur est à nouveau captée par l’adsorbant solide, et le cycle peut recommencer.

Ce mécanisme ingénieux permet de transformer une chaleur résiduelle à basse température, qui serait autrement inexploitée, en froid ou en chaleur utile, tout en ne consommant que très peu d’électricité. C’est cette caractéristique qui rend la technologie particulièrement attractive dans un contexte de raréfaction des ressources énergétiques et de hausse des coûts de l’électricité.

Un système principalement alimenté par de la chaleur fatale

L’un des atouts majeurs de la pompe à chaleur à adsorption chimique réside dans sa capacité à fonctionner presque exclusivement à partir de chaleur fatale. L’électricité n’est nécessaire que pour faire fonctionner les équipements auxiliaires, tels que les pompes, les vannes et les systèmes de contrôle. Cette caractéristique réduit considérablement la dépendance du système au réseau électrique et diminue les émissions de gaz à effet de serre associées à son fonctionnement.

Dans le contexte industriel actuel, la récupération de chaleur fatale est un enjeu de taille. Selon une étude de l’ADEME, la chaleur fatale industrielle représente en France plus de 109 TWh par an, soit environ 20 % de la consommation d’énergie de l’industrie. Une partie significative de cette chaleur, rejetée à des températures inférieures à 100 °C, demeure difficile à valoriser avec les technologies conventionnelles. La pompe à chaleur à adsorption chimique pourrait changer la donne en offrant une solution efficace pour les sources de chaleur à très basse température.

Le prototype du KIMM : une avancée technologique majeure pour le froid

Le prototype développé par les chercheurs coréens se distingue par sa capacité à produire du froid à partir d’une source de chaleur d’environ 40 °C. Cette température est nettement inférieure aux 70 °C ou plus que requièrent généralement les systèmes de refroidissement à adsorption conventionnels. Cette capacité à fonctionner avec des températures aussi basses ouvre la voie à la valorisation de sources de chaleur industrielles jusqu’alors délaissées.

Le cœur du système est constitué d’un lit d’adsorption, un composant essentiel qui stocke et libère le fluide frigorigène tout en assurant un transfert efficace de chaleur entre l’adsorbant et la source de chaleur externe. La conception de ce lit d’adsorption a été optimisée pour maximiser les échanges thermiques et améliorer les performances globales du système.

Une puissance frigorifique spécifique de 346,5 W/kg

Les résultats des tests réalisés sur le prototype sont impressionnants. Le dispositif aurait atteint une puissance frigorifique spécifique (SCP) de 346,5 W/kg. Selon les chercheurs du KIMM, cette valeur est plus de deux fois supérieure aux performances des technologies internationales comparables. Ils qualifient ce résultat de « niveau de performance de premier plan mondial ».

Cette performance exceptionnelle est l’un des principaux arguments mis en avant par les chercheurs pour démontrer le potentiel de leur prototype. En effet, la puissance frigorifique spécifique est un indicateur crucial pour évaluer l’efficacité d’un système de refroidissement par adsorption. Une valeur élevée signifie que le système peut produire une quantité de froid importante avec une masse réduite d’adsorbant, ce qui se traduit par un encombrement et un coût moindres.

Un compresseur électrochimique sans pièces mobiles : la rupture technologique

L’innovation du prototype du KIMM ne se limite pas à son lit d’adsorption haute performance. Le système intègre également un compresseur électrochimique sans pièces mécaniques mobiles. Cette technologie, comparée aux compresseurs mécaniques conventionnels, présente plusieurs avantages significatifs :

• Une réduction de la consommation d’énergie grâce à l’absence de frottements mécaniques.
• Une production de bruit quasi nulle, ce qui rend le système adapté aux environnements sensibles tels que les hôpitaux, les écoles et les zones résidentielles.
• Une absence de vibrations, qui simplifie l’installation et le fonctionnement.
• Une maintenance allégée, car il n’y a pas de pièces d’usure à remplacer.

Cette architecture combinant adsorption chimique et compression électrochimique représente une avancée notable par rapport aux technologies existantes. Elle permet de s’affranchir des contraintes liées aux compresseurs mécaniques, tout en conservant une grande efficacité énergétique. Un article publié dans la revue Applied Thermal Engineering détaille les principes de cette technologie et ses applications potentielles dans le domaine de la production de froid.

L’ammoniac comme fluide frigorigène naturel : un choix écologique et réglementaire

Le prototype utilise de l’ammoniac comme fluide frigorigène. Ce choix répond à une double préoccupation : le respect des réglementations internationales relatives aux fluides frigorigènes et la volonté de proposer une solution de chauffage et de refroidissement plus respectueuse de l’environnement que les systèmes traditionnels.

Les fluides frigorigènes synthétiques, tels que les hydrofluorocarbures (HFC), possèdent un potentiel de réchauffement global (PRG) très élevé. Leur utilisation est de plus en plus encadrée par des réglementations comme le règlement européen F-Gas, qui prévoit une réduction progressive de leur mise sur le marché. L’ammoniac, quant à lui, est un fluide frigorigène naturel qui ne contribue ni à la destruction de la couche d’ozone ni à l’effet de serre. Selon les informations publiées par le site spécialisé Refindustry, l’ammoniac est largement utilisé dans les systèmes de réfrigération industrielle pour ses excellentes propriétés thermodynamiques, son faible coût et sa disponibilité.

Les applications concrètes pour les bâtiments commerciaux, les usines et les centres de données

Le prototype de pompe à chaleur à adsorption chimique du KIMM est conçu pour répondre aux besoins de refroidissement de plusieurs secteurs d’activité. Les applications potentielles sont nombreuses et variées.

Le refroidissement des centres de données

Les centres de données sont de gros consommateurs d’énergie pour le refroidissement des serveurs. Ils génèrent une quantité significative de chaleur qui doit être évacuée en continu pour éviter toute surchauffe. La technologie développée par le KIMM pourrait permettre de mutualiser les flux : la chaleur fatale produite par les serveurs serait captée pour alimenter une pompe à chaleur à adsorption, qui produirait ensuite le froid nécessaire au refroidissement des équipements. Le système pourrait fonctionner en circuit fermé, avec un rendement global bien supérieur à celui des installations de climatisation conventionnelles. Le site de l’Agence internationale de l’énergie estime que la demande mondiale de refroidissement va tripler d’ici 2050, ce qui rend ce type d’innovation crucial.

La climatisation des bâtiments commerciaux et des usines

Dans les bâtiments commerciaux et les usines, le système pourrait être utilisé pour la climatisation des espaces de travail et des entrepôts. En valorisant la chaleur fatale issue des procédés industriels ou des systèmes de cogénération, la pompe à chaleur à adsorption permet de réduire à la fois la facture énergétique et l’empreinte carbone des installations. Le fonctionnement silencieux du compresseur électrochimique est un atout supplémentaire pour le confort des occupants.

Les caractéristiques techniques du prototype en résumé

Pour mieux visualiser l’innovation du KIMM, voici un récapitulatif des principales caractéristiques du prototype :

• Puissance de refroidissement : 10 kW
• Température de la source de chaleur : environ 40 °C
• Puissance frigorifique spécifique : 346,5 W/kg
• Fluide frigorigène : ammoniac
• Type de compresseur : électrochimique, sans pièces mobiles
• Domaines d’application : bâtiments commerciaux, usines, centres de données

Quels sont les défis à relever avant une commercialisation à grande échelle ?

Malgré les résultats prometteurs obtenus en laboratoire, la route reste longue avant une commercialisation à grande échelle. Plusieurs défis doivent être relevés pour que cette technologie puisse être déployée massivement.

La question des coûts de production

Le développement de ce type de système nécessite l’utilisation de matériaux spécifiques pour les lits d’adsorption et le compresseur électrochimique. La production de ces composants à grande échelle devra permettre de réduire les coûts pour que la technologie devienne compétitive face aux solutions de refroidissement conventionnelles. Les économies d’échelle et l’optimisation des procédés de fabrication seront des facteurs clés.

Les défis de l’intégration dans les bâtiments existants

Pour équiper les bâtiments existants, il faudra concevoir des systèmes compacts et modulaires, faciles à installer et à intégrer aux réseaux de distribution de chaleur et de froid déjà en place. Des travaux de recherche supplémentaires seront nécessaires pour adapter le prototype aux contraintes réelles du terrain et développer des solutions clés en main pour les installateurs.

Une innovation coréenne dans la course mondiale à la performance énergétique

Le travail des chercheurs du KIMM s’inscrit dans un contexte de course mondiale à l’innovation dans le domaine de la production de froid durable. La Corée du Sud, comme d’autres pays industrialisés, investit massivement dans la recherche sur les pompes à chaleur et les systèmes de récupération de chaleur. Les programmes nationaux de soutien à l’efficacité énergétique, détaillés sur le site officiel du KIMM, encouragent le développement de technologies sobres en carbone.

Le prototype de 10 kW présenté par les chercheurs coréens ne constitue qu’une première étape. Les résultats obtenus devront être confirmés par des tests de longue durée et des études de cas réelles. Mais d’ores et déjà, les performances annoncées démontrent le potentiel considérable de la pompe à chaleur à adsorption chimique pour valoriser des sources de chaleur à basse température, aujourd’hui largement sous-exploitées.

Un avenir prometteur pour la valorisation de la chaleur basse température

La capacité de produire du froid à partir d’une chaleur résiduelle de seulement 40 °C ouvre des perspectives extrêmement intéressantes dans la lutte contre le gaspillage énergétique. En France, comme dans le reste du monde, les industriels cherchent des solutions pour valoriser leurs rejets thermiques et améliorer leur bilan carbone.

Le prototype du KIMM démontre qu’il est possible de combiner performance technique, respect de l’environnement et économie d’énergie dans un système de production de froid. En utilisant de la chaleur fatale comme source d’énergie principale, en s’appuyant sur un compresseur électrochimique sans pièces mécaniques et en utilisant de l’ammoniac comme fluide frigorigène naturel, les chercheurs coréens ont conçu une solution qui coche toutes les cases de la transition écologique.

La suite du projet consistera à effectuer des démonstrations à plus grande échelle et à affiner le prototype pour en réduire le coût et en améliorer la fiabilité. Si ces prochaines étapes sont concluantes, cette technologie pourrait bien s’imposer comme une référence dans le domaine du refroidissement durable, aux côtés d’autres solutions comme le free-cooling ou la géothermie. Il s’agit donc d’une piste à suivre de près pour toutes les entreprises qui cherchent à concilier performance économique et responsabilité environnementale.

La recherche sur les matériaux adsorbants et les fluides frigorigènes naturels progressant rapidement, il est probable que les performances de ce type de système continuent de s’améliorer dans les prochaines années. Cela pourrait conduire à une généralisation de la pompe à chaleur à adsorption chimique, non seulement pour les applications de refroidissement, mais aussi pour des applications de chauffage et de production d’eau chaude sanitaire, contribuant ainsi à l’atteinte des objectifs climatiques fixés par les accords internationaux.

Aurélien CHAPUIS

Aurélien Chapuis est diplômé du Master Management et Gestion de l’Énergie de l’ESCP Business School. Expert en stratégie photovoltaïque et business developer pour PV Solaire Énergie depuis 2019, il accompagne les professionnels du secteur dans leur croissance et vulgarise les enjeux de la transition énergétique pour le grand public.

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