Adieu à la réfrigération traditionnelle à base de compresseurs ?

Adieu à la réfrigération traditionnelle à base de compresseurs ?

De Ozgun Danaci, DNV GL

Jusqu'à récemment, le secteur de la santé s'appuyait sur des congélateurs à ultra-basse température (ULT) équipés de systèmes de réfrigération en cascade à compresseur. Les systèmes en cascade sont simplement deux cycles de réfrigération séparés, actionnés par un compresseur, dans un arrangement en cascade qui atteint des températures ultra-basses en retirant la chaleur du congélateur en deux étapes. Le premier cycle retire la chaleur du congélateur avec son évaporateur et rejette cette chaleur dans le second cycle avec son condenseur. Comme il existe une différence de température importante entre le condenseur du premier cycle et l'évaporateur du second cycle, il est possible d'obtenir des températures ultra-basses. Le deuxième cycle renvoie ensuite cette chaleur dans l'atmosphère pour compléter le cycle de réfrigération.

Figure : Système de réfrigération en cascade basé sur un compresseur [1].

Les congélateurs ULT équipés d'un système de réfrigération en cascade à compresseur peuvent consommer annuellement autant d'énergie qu'un ménage américain typique. Les systèmes en cascade peuvent émettre plus de 70 tonnes de CO2 au cours de leur durée de vie[2], contribuant ainsi de manière significative au réchauffement climatique. Les systèmes en cascade utilisent des réfrigérants synthétiques qui provoquent un appauvrissement de la couche d'ozone. En plus des inconvénients environnementaux, ces systèmes nécessitent une maintenance importante en raison du nombre de pièces mobiles et du fonctionnement marche/arrêt des compresseurs.

Récemment, des congélateurs utilisant un système de refroidissement Stirling ont été introduits sur le marché comme alternative aux systèmes de réfrigération à compresseur pour les applications à très basse température. Ces nouveaux congélateurs sont sans compresseur et utilisent un refroidisseur Stirling de type bêta qui est entraîné par un moteur linéaire intégré. Le système se compose d'un piston, qui est déplacé par le moteur linéaire, et d'un plongeur, qui est déplacé par le fluide de travail (le piston et le plongeur ne sont pas couplés mécaniquement). Le plongeur a un côté chaud et un côté froid, où la compression et l'expansion se produisent pendant le cycle de transfert de chaleur. Le côté froid du refroidisseur est relié à un thermosiphon actionné par gravité où le réfrigérant circule dans le tube sous forme liquide, absorbe la chaleur du congélateur, passe à l'état de vapeur, remonte dans le tube et se condense à nouveau en liquide du côté froid du refroidisseur Stirling. L'ensemble piston/dispositif de déplacement du refroidisseur Stirling déplace la chaleur vers le côté chaud grâce à un réfrigérant, puis disperse la chaleur dans l'atmosphère à l'aide d'un ventilateur.

Figure : Système de refroidissement Stirling [3]

Un système de refroidissement Stirling consomme en moyenne 60 % d'énergie en moins qu'un système de réfrigération en cascade. Les économies d'énergie et de coûts liées au remplacement d'un système en cascade par un système de refroidissement Stirling peuvent atteindre 75 %, selon l'équipement de base et les conditions de fonctionnement. Les refroidisseurs Stirling peuvent moduler en continu, permettant ainsi un fonctionnement entre -20oC et -86oC, par rapport au fonctionnement de -60oC à -86oC des systèmes en cascade. En prime, ces systèmes peuvent atteindre ce degré de refroidissement en utilisant des réfrigérants 100% naturels qui peuvent éliminer le besoin de produits chimiques appauvrissant la couche d'ozone. Ces systèmes ne contiennent que deux pièces mobiles (un piston et un plongeur), n'ont pas de vannes, ni de paliers à huile et à gaz, ce qui réduit également les coûts de maintenance.

Une étude de My Green Lab réalisée en 2015, intituléeMarket Assessment of Energy Efficient Opportunities in Laboratories [4], a révélé qu'il existe entre 440 000 et 890 000 congélateurs ULT aux États-Unis, dont 58 000 en Californie seulement, selon les estimations. En se basant sur les économies d'énergie estimées des congélateurs ULT, les laboratoires californiens pourraient à eux seuls économiser jusqu'à 59 millions de dollars par an en remplaçant les congélateurs ULT à compresseur par des congélateurs Stirling [3].

Un congélateur équipé du système de refroidissement Stirling est devenu le premier congélateur à ultra-basse température certifié Energy Star de l'industrie, établissant ainsi la norme. Certaines entreprises et institutions paient des primes pour les congélateurs Stirling afin d'influencer le marché. L'industrie des soins de santé bénéficie déjà de cette technologie.

Le défi : Cette technologie peut-elle remplacer les systèmes de réfrigération à compresseur pour les applications commerciales et les programmes d'efficacité énergétique des services publics doivent-ils aller dans ce sens ?

Publié initialement ici

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À propos de l'auteur

Ozgun est un ingénieur en énergie ayant six ans d'expérience dans l'évaluation énergétique, la réduction des émissions de carbone et les systèmes d'énergie renouvelable. Ozgun est titulaire d'une maîtrise en énergies renouvelables et d'une licence en génie chimique. Il est gestionnaire certifié en énergie et est un professionnel accrédité LEED en conception et construction de bâtiments.

Sources

[1],2,3 Stirling Ultracold, Global Cooling Inc. [4] www.etcc-ca.com/sites/default/files/reports/ceel_market_assessment_et14pge7591.pdf