INTERVIEW D’EXPERT – Technologies avancées et alternatives de production de froid

Rodrigo RIVERA TINOCO : En 2014, on assistait au déploiement des Instituts pour la Transition Energétique (ITE), destinés à doter la France de filières économiques compétitives dans des secteurs d'avenir liés aux énergies décarbonées et à l’efficacité énergétique. Cela a donné une dynamique à la recherche, avec le soutien de l’ANR et des collaborations avec des industriels divers. Mon centre de recherche a notamment été impliqué dans l’Institut Paris Saclay Efficacité Energétique (PS2E) avec des entreprises comme Total, Air Liquide, EDF…

La motivation des travaux partait d’un constat simple : dans un contexte de prix élevés du pétrole et de devoir limiter les émissions de GES, il était très dommage de voir « partir à la poubelle » tous ces rejets thermiques et il aurait été regrettable de ne pas saisir l’opportunité de trouver des solutions pour récupérer ces rejets. Certes, il existait déjà des systèmes de thermo-réfrigération depuis des décennies avec récupération de chaleur utile, mais ils avaient alors une efficacité très limitée et étaient peu opérationnels aux niveaux de température affichés par les rejets thermiques.

Il se trouve que plus de 50% des rejets sont en dessous de 100 degrés, et c’est une température sur laquelle il est très difficile de faire de la récupération de chaleur.

Nous avons travaillé tout d’abord sur la sélection des fluides utilisés dans les machines de réfrigération : celui-ci est soumis à différentes règles, et la première, en matière environnementale, c’est la réduction du potentiel d’émission de GES (PRG – Potentiel de Réchauffement Global) : certains fluides réfrigérants peuvent avoir des émissions correspondant à 3 ou 4000 équivalent CO2.

Le premier travail a donc été de trouver les solutions par la voie de :

-        soit trouver des fluides de remplacement

-        soit avoir un système de récupération de chaleur fatale efficace en basse température.

 

Le premier axe - trouver des fluides de remplacement - se décline lui-même autour de deux types de solutions :

-        Utiliser des fluides déjà existants dans d’autres domaines, qu’ils soient naturels ou de synthèse, pour les appliquer aux besoins industriels ;

-        Inclure des calculs pour de nouveaux fluides, notamment les liquides ioniques, les réfrigérants oxygénés (HFO)… Mais leurs caractéristiques ne sont pas encore toutes parfaitement maîtrisées et la recherche doit encore progresser. Leurs émissions de GES ne sont pas le seul facteur à prendre en compte, ils peuvent aussi avoir un certain niveau de toxicité, être parfois corrosifs, engendrer une dégradation des matériels…  

Le deuxième axe de travail - celui de l’amélioration des machines à récupération de chaleur - dépend des éléments qui composent la machine. Certes, il y a toujours un système de pompage, à compression ou à absorption, des échangeurs de chaleur et des vannes, mais en fonction de l’agencement et de l’adéquation des composants de la machine, l’efficacité de la récupération de chaleur varie beaucoup ! Nous travaillons donc sur les leviers à actionner pour optimiser la conversion : comment faire que chaque kWh de chaleur fatale récupéré produise le plus possible de froid ou de chaleur ?  

Jusqu’en 2016, nous avons essentiellement étudié les caractéristiques des composants en eux-mêmes. Depuis 2017, nous sommes en phase d’expérimentation de machines à absorption en laboratoire et nous analysons l’ensemble des combinaisons possibles : en effet, l’efficacité d’une machine ne dépend pas uniquement de ses composants mais aussi de ses conditions d’utilisation. Par exemple, aujourd’hui, on voit se développer la commercialisation de machines à éjecteur, voire multi-éjecteurs. Mais la question à se poser c’est : comment j’utilise ma machine ? Un système qui contient un éjecteur supporte mal les arrêts / démarrages fréquents. Pour la climatisation d’un bâtiment, où celle-ci va devoir être manipulée souvent en fonction de la température extérieure et de l’utilisation des locaux, la technologie n’est peut-être pas très adaptée. En revanche, dans le cadre d’une application industrielle comme par exemple une station réfrigérée en permanence, la technologie est performante.

La clé est de trouver le bon équilibre entre l’utilisation de la machine et ce qu’elle est capable de faire.

 

Ici encore, les chiffres « dans l’absolu » n’ont pas forcément une signification très exploitable : ils peuvent être très attractifs sur le papier, mais il faut surtout qu’ils collent à une réalité industrielle.

Aujourd’hui, pour une petite machine, un COP de 3 ou 4 est très bien. Demain, avec une machine à absorption, on pourrait envisager un COP de 100. Mais est-ce l’objectif ? L’objectif n’est-il pas plutôt la capacité de récupération de chaleur ? Quelle production de froid j’obtiens à partir de ma puissance électrique ? Ici, on vise de pouvoir convertir entre 30 et 80% de la chaleur rejetée en froid ou en chaleur utiles alors qu’aujourd’hui, la plupart des machines en récupération de froid ne récupèrent pas l’énergie fatale.

 

Nous n’avons pas de modèle complet. Dans les études pré-économiques réalisées, on compte sur une réduction de la consommation de 30 à 40%. C’est bien pour un opérateur, mais il faut évidemment croiser cela avec le coût d’investissement, la pérennité de l’équipement, son entretien sur le long terme… et aussi le coût de l’énergie. En France, on a une vision un peu biaisée du fait du faible coût de l’électricité, qui rend l’énergie thermique moins attractive qu’elle ne l’est dans la plupart des pays.

Au centre, notre modèle repose sur la valorisation de nos résultats par nos partenaires industriels, qui en sont souvent propriétaires. Nous travaillons aussi pour une meilleure diffusion à développer l’implication de start-up, qui peuvent être très efficaces pour valoriser les brevets, mais elles se heurtent aux besoins de capitaux et de disposer de chaînes de production importantes. La coopération des uns et des autres peut permettre à une start-up d’accéder à une chaîne de production adaptée et accélérer la pénétration du marché.

Il y a deux types d’industries : celles qui sont ouvertes en termes d’échanges technologiques et celles qui sont soumises à des impératifs de confidentialité.

Pour les industries ouvertes, le modèle qui se développe est celui du leasing : elles n’achètent plus un système, mais elles achètent une production de froid. Ce modèle fonctionne déjà bien avec la cogénération et la biomasse. L’industriel de l’offre reste propriétaire de la machine, et il vend l’énergie produite, avec un engagement sur cette production, et le client ne prend donc pas de risque, n’investit pas un budget conséquent à un instant T.

Cela nécessite que le fabricant soit solide : déjà, il faut qu’il ait les capacités d’investissements et de trésorerie nécessaires à la production non associée à une vente immédiate, ensuite, il doit faire preuve d’une très grande réactivité en termes de maintenance, de réparation et disposer d’un maillage territorial dense.

C’est un modèle qui se développera efficacement s’il s’inscrit dans une logique de filière, avec des réseaux de partenaires locaux, techniciens, frigoristes… 

Pour les industriels soumis à des exigences de confidentialité ou restriction d’accès sur site, le modèle économique ne devrait pas évoluer : ils continueront de vouloir acheter leurs équipements et les piloter en interne. C’est alors à nous, avec les fabricants, de travailler sur des consignes d’entretien et maintenance clairs !

 

La Chine investit beaucoup, on le voit à travers le nombre de brevets, notamment sur les machines de réfrigération, sur la modélisation… En revanche, sur les machines à éjection, on est plutôt en avance d’un point de vue théorique en France, de façon homogène avec nos partenaires européens.

Il faut noter que, en partie pour des aléas de ressources dans les équipes de recherche, il y a eu un ralentissement des innovations dans les années 90 et 2000. Depuis 2010, l’intérêt et les développements connaissent de nouveau un bon rythme, avec une implication forte de divers centres de recherche en France, mais aussi d’industriels comme Total, Bertin Technologies, CMI, CNIM… 

Ensuite, si les recherches en France sont dynamiques, la production, dans son ensemble, reste située majoritairement en Asie. Par exemple, Johnson Controls York a une équipe R&D d’une vingtaine de personnes en France, mais la production se fait essentiellement en Asie. Le Crédit Impôts Recherche est très utilisé et facilite les investissements des entreprises sur les projets d’efficacité énergétique.

Je conclurai sur un point positif : aujourd’hui, les industriels ne cherchent pas uniquement à améliorer leur efficacité énergétique en fonction des aléas du coût de l’énergie, mais ils s’inscrivent dans une démarche long terme, beaucoup plus solide. Ce n’est plus le seul prix du baril qui guide leurs décisions : elles s’inscrivent désormais dans une stratégie claire de réduction de leurs émissions, avec, pour les plus ambitieux d’entre eux, un objectif d’être neutres à horizon 2050.

 

 

Biographie de Rodrigo RIVERA TINOCO :
Chargé de Recherche au Centre Efficacité Energétique des Systèmes de MINES ParisTech depuis 2014, il a une formation d’ingénieur en Génie de Procédés (Polytechnique Mexique, puis UPMC Paris VI – M2), suivie d’un doctorat à MINES ParisTech en production d’hydrogène haute température. Anciennement post-doc/consultant auprès d’ECN (Pays-Bas), il développe une stratégie de recherche des procédés de valorisation matière/énergie, applicable aux gaz (hydrogène, épuration biogaz, liquéfaction gaz naturel), valorisation de CO2, et valorisation de chaleur fatale par machines à absorption.