Cnrs programme énergie gat 9 : Production, stockage et transport

CNRS - PROGRAMME ÉNERGIE


GAT 9 : Production, stockage et transport

du froid et de la chaleur

Rapport annuel sur l'état d'avancement des travaux (2002)

1. Préambule

L'utilisation rationnelle de l'énergie, dont le concept a été fortement mis en avant dans les années soixante-dix et quatre-vingt pour des raisons essentielles de pression sur les ressources énergétiques et de coût de ces mêmes ressources, reste d'actualité notamment en raison des problèmes environnementaux liés à l'emploi et à la transformation de ces ressources énergétiques, tant au niveau national qu'au niveau international. Or, parmi les diverses formes que revêt l'énergie, la forme thermique est, d'une part, très importante en quantité, d'autre part, très diversifiée quant à son utilisation et aux niveaux de température correspondants. De ce dernier point de vue, on classe l'énergie thermique en "chaud" et "froid", selon que les utilisations sont faites à une température supérieure ou inférieure à la température ambiante. Dans l'un comme dans l'autre de ces deux cas, il importe aujourd'hui de conduire une politique, donc des recherches, en vue de la gestion optimisée de cette forme d'énergie, gestion qui englobe sa production, son stockage et son transport.

Si certaines recherches à développer peuvent apparaître comme utiles, voire nécessaires ou encore évidentes, il est apparu tout autant nécessaire de constituer un groupe de réflexion sur les opérations à initier ou à développer ainsi que sur les synergies à mettre en place et sur les priorités à accorder à ces actions.

2. Equipes impliquées dans le GAT

Lors de la création du GAT 9, dix équipes, appartenant à dix laboratoires, avaient manifesté leur intention de participer aux travaux du groupe. Il s'agissait des laboratoires suivants (le nom du responsable scientifique est noté entre parenthèses) :

• 
  Centre de Thermique de Lyon, CETHIL, UMR 5008, CNRS-INSA-UCB (André Lallemand) ;
  
• 
  Centre d'Energétique de l'Ecole des Mines de Paris, CENERG-EMP (Renaud Gicquel) ;
  
• 
  Groupement de Recherche sur les Echangeurs thermiques, GRETH-CEA, Grenoble (Pierre Mercier) ;
  
• 
  Institut des Matériaux et des Procédés, IMP, UPR CNRS 8521, Perpignan (Bernard Spinner) ;
  
• 
  Laboratoire d'Energétique et de Mécanique théorique et appliquée, LEMTA, UMR 7563, CNRS-INPL, Nancy (Michel Feidt) ;
  
• 
  Laboratoire du Froid du CNAM, Paris (Francis Meunier) ;
  
• 
  Laboratoire des Sciences du Génie chimique, LSGC, UPR CNRS 6811, Nancy (Daniel Tondeur) ;
  
• 
  Laboratoire de Thermique, Energétique et Procédés, LaTEP, Pau (Jean-Pierre Dumas) ;
  
• 
  Laboratoire de Thermocinétique, LT, UMR 6607, CNRS-Polytech Nantes (Hassan Peerhossaini) ;
  
• 
  Unité de Recherche Génie de Procédés frigorifiques d'Antony, UR GPAN-CEMAGREF (Jacques Guilpart).
  

Parmi ces dix équipes, deux n'ont jamais participé aux travaux et réflexions du GAT. Il s'agit du Laboratoire du Froid du CNAM et du Laboratoire de Thermocinétique. En revanche, outre les responsables scientifiques mentionnés ci-dessus, deux collègues ont contribué plus particulièrement aux travaux : Pierre Neveu pour l'IMP et Diogo Queiros-Condé pour le CENERG.

3. Résumé des travaux du GAT

3.1. Première phase

Comme annoncé dans notre réponse à l'appel d'offres du Programme ENERGIE, une première réunion du GAT a eu lieu en juillet (le 25). L'essentiel de cette réunion a été consacré à la présentation par chaque responsable de son point de vue sur les problèmes de production, de transport et de stockage de la chaleur et du froid. Considérant l'importance des problèmes et leur diversité, il a été décidé de constituer trois sous-groupes de travail (SGT), pilotés chacun par un coordonnateur :

• 
  Sous-groupe 1 : Machines et systèmes de production de chaleur ou de froid (Michel FEIDT)
  
• 
  Sous-groupe 2 : Stockage de l'énergie thermique (Jean-Pierre DUMAS)
  
• 
  Sous-groupe 3 : Réseaux de chaleur ou de froid (Diogo QUEIROS CONDE).
  

Les objectifs et les modalités de travail fixés à chaque SGT se résument comme suit :

• 
  faire le point sur les connaissances actuelles des thématiques relevant du champ du SGT, puis évaluer les besoins de connaissances supplémentaires. Ces analyses peuvent, si nécessaire, s'appuyer sur des études complémentaires ponctuelles, bibliographiques ou d'analyse d'ordres de grandeur par exemple, etc. De telles études, conduites par des membres du GAT ou sous-traitées seront rétribuées (selon un mode à définir) ;
  
• 
  rechercher si d'autres groupements de recherche, français ou étrangers, ont pour objectif de produire des avancées scientifiques et/ou technologiques dans la thématique considérée. Etablir des contacts avec ces groupements ;
  
• 
  analyser la situation de la France dans la thématique et celle des pays les plus avancés ;
  
• 
  examiner l'intérêt du monde industriel (au sens large) et du public pour le développement de la thématique, de la recherche à son application (développement durable). Pour cela, il est nécessaire de prendre contact avec des industriels, des représentants du monde socio-économique (groupements d'intérêts, associations, collectivités régionales, locales, etc.) et des spécialistes de socio-économie (GAT 12).
  

Une liste des thématiques à envisager pour chaque sous-groupe a été établie.

Sous-groupe 1

• 
  Machines à compression : fluides naturels (C0₂, par exemple pour les pompes à chaleur de forte puissance destinées à des réseaux de chauffage, hydrocarbures), minimisation de la quantité de fluide frigorigène (minicanaux, miniéchangeurs ? voir avec le GAT 8), comportement en régime transitoire
  
• 
  Machines trithermes à sorption solide (systèmes physico-chimiques et thermo-chimiques), thermotransformateurs
  
• 
  Machines hybrides (compression / absorption ou thermo-chimiques – apport des dipôles thermochimiques) notamment dans le cas des PAC
  
• 
  Minimisation de la taille de toutes les machines
  
• 
  Systèmes particuliers (froid magnétique, thermoacoustique, à changement de phase solide, à tension de surface,…) pour très basses températures, pour microsystèmes, à efforts intenses (faible puissance, force importante), pour refroidissement local, ... Définition d'une limite des études à considérer en fonction de l'objectif du programme ENERGIE
  
• 
  Cogénération, trigénération, cycles combinés
  
• 
  Compression mécanique de vapeur
  
• 
  Production de chaleur ou de froid autonome en énergie, à partir d'un procédé ayant stocké cette capacité de production à partir d'une transformation (et non d'une conversion) d'une source de chaleur ou de froid
  
• 
  Analyse des possibilités de domotique thermique par de nouveaux systèmes, alliant une source d'énergie fluctuante (solaire), un puits ou une source de grande dimension (géothermie de surface) et des demandes à des niveaux de température variés (en liaison avec le GAT6)
  
• 
  Analyse temporelle du fonctionnement des systèmes. Machines à flux énergétique continu ou variable pour une utilisation continue de niveau de puissance différent ou discontinue
  
• 
  Optimisation des systèmes (méthodes exergétiques, thermodynamique en temps fini, etc.). Relations avec le PRI CARNOT
  

Sous-groupe 2

• 
  Matériaux à changement de phase pour diverses températures (coopération avec des chercheurs de disciplines scientifiques connexes – matériaux, chimie, etc.). Prise en compte de la faisabilité économique
  
• 
  Charge et décharge des stocks, énergie stockée, puissance de stockage et de déstockage – Réponse à des transitoires rapides
  
• 
  Stratification
  
• 
  Problèmes de surfusion, de fusion non congruante, etc.
  
• 
  Stockage à long terme à pertes minimales (à partir de processus thermo-chimiques) – restitution à diverses températures
  
• 
  Gestion des moyens de production et de stockage en fonction de la demande
  

Sous-groupe 3

• 
  Approche systémique des réseaux, intégration des systèmes avec contraintes de temps et d'espace, intégration des réseaux
  
• 
  Gestion des réseaux, gestion de la distribution de l'énergie thermique (parallèle avec les réseaux électriques , hydrauliques, gazier : transferts de technologie)
  
• 
  Concepts adaptés aux réseaux existants ou aux réseaux à créer
  
• 
  Problème des multi-échelles, intégration des micromachines
  
• 
  Transport par vecteur gaz (à partir de systèmes thermochimiques)
  
• 
  Développement des méthodes d'optimisation des réseaux (pincement, exergie, entropie, approche constructale, …)
  

Pour tous les sous-groupes

• 
  Optimisation thermo-économique
  
• 
  Prise en compte des demandes des institutionnels (besoins sociétaux), notion de pertinence des études du point de vue d'une approche globale. Examen des intérêts individuels en rapport avec les intérêts collectifs. Couplage des études scientifiques et techniques, d'une part, aux études sociologiques, d'autre part, aux études économiques
  
• 
  Prise en compte, dans la mesure du possible, de l'analyse du cycle de vie du système.
  

3.2. Deuxième Phase

La deuxième phase du travail a été réalisée par les SGT. Elle s'est concrétisée par la synthèse faite en séance plénière le 29 octobre et la préparation du colloque de Perpignan. Cette réflexion a conduit à une première hiérarchisation des verrous scientifiques et technologiques et des activités à développer. En gardant la classification par sous-groupe, cette hiérarchisation s'établit comme suit.

Sous-groupe 1 : Machines et systèmes de production de chaleur ou de froid

• 
  Analyse temporelle du fonctionnement des systèmes - Modélisation. Machines à flux énergétique continu ou variable pour une utilisation continue de niveaux de puissance différents, ou une utilisation discontinue
  
• 
  Minimisation de taille (poids ou charge) pour les machines de production de froid ou de chaud
  
• 
  Machines frigorifiques à compression (fluides naturels, mélanges zéotropiques, huile)
  
• 
  Machines à sorption
  
• 
  P.A.C. – Cogénération – Trigénération – Cycles combinés
  
• 
  Systèmes particuliers (effet Peltier, tension superficielle, thermoacoustiques, Stirling, etc.)
  
• 
  Production de chaleur ou de froid autonome en énergie
  
• 
  Production de chaleur à partir de solaire, biomasse, déchets (relation avec d'autres GAT – PRI)
  
• 
  Domotique thermique (relation avec le GAT 6).
  

Sous-groupe 2 : Stockage de l'énergie thermique

• 
  Stockages "statiques" : surfusion des MCP encapsulés, recherche d'agents nucléants à faible coût ; comportement des stocks horizontaux et maîtrise de la stratification ; maîtrise de l'équilibre à la fusion des eutectiques et surtout des péritectiques ; recherche de MCP "bon marché" pour températures positives ; connaissance et maîtrise du positionnement des MCP dans le stock
  
• 
  Stockages "dynamiques" (frigoporteurs ou caloporteurs) : élaboration des coulis de glace ; maîtrise des écoulements de fluides diphasiques à densités différentes ; amélioration de la connaissance des transferts thermiques en situation diphasique avec changement de phase ; dispositif de détermination en continu de l'état du fluide frigo ou caloporteur ; études sur les microémulsions et les microencapsulation ; modélisation de la charge et de la décharge des stocks, étude des puissances de stockage et de déstockage
  
• 
  Étude des systèmes globaux comprenant à la fois le stockage et son environnement "réseau"
  

Sous-groupe 3 : Réseaux de chaleur ou de froid

• 
  Optimisation des systèmes énergétiques (composants, ensemble de composants dans un réseau) à partir de l'adaptation de diverses méthodes : méthodes thermodynamiques basées sur les grandeurs entropiques ou exergétiques (cf CARNOT), réseaux de neurone, approches statistiques, algorithmes génétiques. Etude comparative des diverses méthodes
  
• 
  Approche multi-échelles : réseaux = structures multi-échelles par la taille des composants et la diversité des temps caractéristiques  systèmes arborescents  théorie fractale ou théorie constructale
  
• 
  Réseaux : fluides caloporteurs ou frigoporteurs adaptés ; particularités des réseaux de petite taille (décentralisation des sources énergétiques) et leur optimisation.
  

Certaines remarques sont à faire, en marge de cette présentation des axes forts de recherches futures.

1. 
   Une forte synergie existe entre les problèmes de stockage dynamique et de transport de chaleur et de froid.
   
2. 
   Il est absolument indispensable de procéder à une analyse exhaustive des études faites dans les années 70 à 80 sur le stockage de l'énergie solaire.
   
3. 
   La modélisation doit accompagner les études de base. Elle est indispensable pour analyser les très nombreux cas pratiques et pour faire des extrapolations de solutions expérimentées.
   

Par ailleurs, des contacts ont été pris avec certains industriels et une présentation du programme ENERGIE et plus particulièrement du GAT 9 ont été faites à une cinquantaine d'industriels présents lors de l'assemblée générale du GRETH en novembre.

3.3. Troisième phase

Les réflexions du GAT se sont poursuivies lors du colloque de Perpignan (11-13 décembre). Elles se sont soldées par une prise de position quant aux trois points forts soumis à la réflexion des GAT.

1) Ruptures technologiques

Dans le domaine de la production, du transport et du stockage de la chaleur et du froid, les actions du GAT 9 peuvent conduire à deux véritables ruptures technologiques.

Transport : à terme, le processus de thermotransformation chaleur  exergie chimique, qui autorise aussi potentiellement le stockage et la revalorisation (en froid et en chaud), devrait conduire au transport sur de longues distances de l'énergie thermique sans pertes thermiques. Il permettra de récupérer des quantités très importantes de chaleurs "fatales", notamment celles des grandes centrales de production d'électricité (plus de 60 % de l'énergie primaire mise en œuvre), ainsi que celles d'un grand nombre de procédés industriels actuellement non utilisées. Les quantités d'énergie ainsi valorisables dans des réseaux de distribution thermique sont considérables.

Stockage : la généralisation du stockage de la chaleur et du froid, par une bien meilleure gestion de la production et de la distribution de ces formes d'énergie, est aussi de nature à économiser une part importante d'énergie et de réguler son utilisation, ce qui est aussi un avantage indéniable. Les stockages, utilisés actuellement en très faible nombre, pourraient voir leur développement s'accélérer grâce à la mise à disposition des décideurs d'outils informatiques basés sur des modélisations de type thermo-économiques.

2) Bénéfices à attendre des actions à développer dans le cadre du GAT

a . En matière d'économies d'énergie

Les méthodes d'optimisation (de type exergétiques notamment) lors de la conception de systèmes thermiques ont déjà montré, sur un certain nombre d'exemples industriels qu'elles pouvaient conduire à des économies d'énergie dépassant 20 % dans la plupart des cas. Un gain du même ordre de grandeur a été constaté lorsqu'on optimise le fonctionnement réel des machines thermiques (frigorifiques par exemple). Ainsi, la mise au point d'outils d'optimisation généralisés pour une application à de nombreux systèmes et éléments de systèmes est de nature à produire les mêmes effets. Même si ces outils n'étaient appliqués qu'à 50 % des installations à venir (voire à des installations en réhabilitation), cela représenterait encore 10 % d'économie d'énergie dans les secteurs du génie climatique, de l'agroalimentaire, de nombreux procédés industriels, etc.

Le transport d'énergie thermique sur de longues distances est encore plus bénéfique. Un tel procédé permettrait certainement, grâce au développement concomitant de réseaux de chaleur avec systèmes de stockage (notamment diphasique) d'économiser une bonne partie de la consommation de chaleur à des fins de chauffage (par exemple, la puissance thermique rejetée par une centrale nucléaire de 4 tranches pourrait servir à chauffer de l'ordre de 1,5 million de logements !...). Si on ne visait, à terme, qu'un approvisionnement en chaleur récupérée de 5 % du parc d'habitations, cela représenterait plus de 2 % d'économies d'énergie sur la consommation globale du pays. Par ailleurs, le procédé de thermotransformation, en rehaussant le niveau thermique des rejets, conduirait à des économies substantielles d'énergie dans le secteur industriel.

b. En matière d'impact sur l'environnement

Les économies d'énergie, dans les procédés industriels et le chauffage de l'habitat, peuvent se traduire directement en minimisation de la quantité de CO₂ produit. On peut y adjoindre la diminution de production de ce même gaz à effet de serre du fait qu'il n'y a plus à produire certains matériels (notamment dans le cas de la récupération de la chaleur).

Dans le cas des systèmes frigorifiques, l'utilisation des réseaux de frigoporteurs, diphasiques particulièrement, est de nature à minimiser l'emploi de fluides frigorigènes dont l'indice GWP (effet de serre) est loin d'être nul.

c. En matière de développement durable

Les ruptures technologiques annoncées ci-dessus s'inscrivent évidemment dans une optique de développement durable. Les principes à la base des technologies proposées, innovantes ou développées selon des concepts nouveaux, sont de nature à produire des installations totalement nouvelles conduisant à des économies d'énergie importantes à long terme (de l'ordre de 3 à 5 % - voire plus ? - de la consommation totale actuelle en cas d'acceptation sociale et politique). Par ailleurs, et tout en respectant un souhait légitime de développement général et individuel (confort, autonomie, etc.), elles devraient permettre de minimiser les rejets et l'emploi de fluides à effet de serre.

3) Propositions de thématiques pour l'appel d'offres 2003 du programme ENERGIE

Le GAT 9 a proposé :

a. la poursuite du PRI 9.2 qui avait eu une attribution pour 1 an (cf intérêt rappelé ci-dessus) ;

b. le lancement de deux appels d'offres relatifs à l'analyse, à l'aide à la conception et au dimensionnement et à la gestion optimisée du fonctionnement des composants, des systèmes et des réseaux dans le domaine du froid et de la chaleur. Ces appels d'offres sont destinés à faire avancer les recherches dans deux directions pouvant conduire, pour l'une à des applications à court terme, pour l'autre à des applications à moyen terme :

Première thématique d'appel d'offres : "Modélisation du comportement des composants et systèmes thermiques en régime variable ou hors nominal". L'objectif de cet appel d'offre est de disposer d'un outil de conception optimisée des composants et systèmes pour leur fonctionnement réel et d'un outil informatique utilisable en contrôle / commande en vue de l'optimisation du fonctionnement. Les modèles correspondants devront être validés à partir d'études expérimentales.

Deuxième thématique d'appel d'offres : "Développement des méthodes d'analyse basées sur le second principe de la thermodynamique en vue de la conception optimisée des réseaux et de leurs sous-systèmes. Couplage avec les aspects économiques". Il s'agit de proposer, in fine, une méthode générale, de type exergo-économique, applicable à tout type de réseaux (froid et chaleur) et de systèmes plus ou moins complexes (cogénération, cycles combinés, machines à froid couplées, etc.) associant la puissance et l'intérêt scientifique et technique des méthodes exergétiques à l'analyse économique des installations, notamment par les analyses multicritères et l'optimisation sous contraintes, ainsi qu'en développant la notion de "déchet" exergétique (anergie).

4. Conclusion

L'année 2002 doit être considérée comme une année de lancement du travail du GAT 9, ceci d'autant plus que son démarrage a été très tardif. Une première analyse a permis de dégager les thématiques à analyser quant à leur importance pour un développement futur et les verrous qu'elles renferment. Le partage du travail au sein de sous-groupes de travail a permis d'affiner cette analyse et de mettre l'accent sur un nombre plus réduit de thématiques qui devront faire l'objet d'études approfondies. Une option a déjà été prise en fin d'année au travers d'une proposition d'appel d'offres pour le programme ENERGIE 2003.

Par ailleurs, des contacts ont déjà été établis avec certains industriels ; ils seront amplifiés. De même, certaines études bibliographiques ont démarré ; elles vont être poursuivies.

Pour l'année 2003, les thématiques retenues vont être explorées tant sur le plan des activités de recherche à conduire que des développements industriels à réaliser. Pour cela, un canevas de travail sera proposé à des groupes de réflexions élargis à d'autres chercheurs que ceux impliqués dans le GAT (notamment d'autres disciplines) et à des acteurs du secteur aval : industriels, représentants de centres techniques, éventuellement membres de collectivités, etc. Parallèlement, et pour alimenter la réflexion des groupes spécifiques, des études ponctuelles (documentaires ou de faisabilité ou encore d'ordre de grandeur, etc.) seront confiées à des structures diverses (équipes de laboratoires de recherche, groupes d'étudiants, …).

À terme, l'objectif du GAT est de pouvoir constituer un "livre blanc" des activités de recherche (voire de développement) à conduire, en priorité et pour une durée de l'ordre de la décennie, dans le champ d'expertise du GAT, d'identifier les acteurs de recherche de diverses disciplines qui potentiellement apparaissent comme les mieux placés pour conduire ces recherches et d'associer les industriels compétents pour développer les procédés issus de la recherche.

Rapport annuel – 2002 GAT 9