En France, l’industrie émet chaque année 80 millions de tonnes de CO2, soit environ 20 % des émissions nationales de gaz à effet de serre. Décarboner les process industriels s’impose donc comme un axe clé pour atteindre la neutralité carbone à l’horizon 2050. Une nouvelle génération de pompes à chaleur, dites « très haute température », représente une avancée importante pour atteindre cet objetif. Pionniers sur le sujet, la R&D d’EDF et Dalkia ont développé un démonstrateur industriel dont les premiers résultats confirment la performance attendue : Transpac. Découvrez cette innovation.
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Un peu d’histoire
Dès 2010, la R&D d’EDF s’est intéressée à l’utilisation d’un cycle transcritique pour les Pompes A Chaleur (PAC) Très Haute Température (THT) afin de préchauffer l’air sec en entrée d’un sécheur industriel en récupérant l’énergie présente dans les buées extraites à plus basse température. Les études menées à cette époque montraient en effet que la chaleur fatale contenue dans les buées de séchage représentait environ 40 TWh par an en France : un enjeu de taille ! Pour répondre à ce défi la recherche de la meilleure architecture de PAC s’imposait.
Une thèse menée entre 2012 et 2015 en partenariat avec Armines a permis de modéliser différents cycles thermodynamiques adaptés au cas d’usage. Les simulations ont montré que l’utilisation d’un cycle transcritique permet de doubler le coefficient de performance de la pompe à chaleur par rapport à un cycle conventionnel. A partir de ces résultats un brevet a été déposé afin de protéger la solution. Pour valider ces travaux théoriques une maquette de laboratoire d’une puissance de 30 kW a été réalisée et testée dans différentes conditions expérimentales.
Les performances obtenues ont alors convaincu un consortium, composé de la R&D d’EDF, Dalkia, le partenaire académique Armines et le papetier WEPA Greenfield, de déposer un dossier afin d’obtenir le soutien de l’ADEME pour réaliser un démonstrateur à taille réelle sur le site papetier de WEPA Greenfield à Château-Thierry (02).
Depuis 2017, la R&D d’EDF coordonne le projet Transpac. Les deux premières années ont été consacrées aux études de choix et dimensionnement des différents composants (compresseur, fluide frigorigène, huile, échangeurs…). Les années suivantes ont porté sur les essais de dérisquage du compresseur, avec près de 1000 heures de tests et sur la réalisation et l’intégration de la machine sur le sécheur papetier. La mise en service a été réalisée avec succès en avril 2023. Depuis, les performances observées sont conformes à ce qui avait été modélisé dès l’origine de ces travaux, il y a 10 ans.
Qu’est-ce qu’un cycle transcritique ?
Un cycle transcritique est un cycle thermodynamique dans lequel le fluide utilisé peut se trouver en dessous et au-dessus de son point critique. Le point critique d’un corps pur est le point du diagramme température-pression où s’arrête la courbe d’équilibre liquide-gaz. Aux températures et pressions supérieures à celles du point critique le fluide est supercritique : on ne peut plus distinguer une phase liquide d’une phase gaz, on passe continûment des propriétés d’un liquide à celles d’un gaz.
Ainsi, dans le cycle transcritique d’une pompe à chaleur, côté basse pression, le fluide est à l’état subcritique classique, et il s’évapore à température et pression constantes dans l’évaporateur.
Côté haute pression, le fluide est à l’état supercritique et il se refroidit dans un gaz cooler : il n’y a pas de condensation à température constante.
Ce cycle présente donc un intérêt en termes d’efficacité énergétique lorsque l’on souhaite réchauffer un flux avec une grande amplitude de température (de 97 à 138°C par exemple) puisqu’il évite d’avoir un plateau de condensation à température élevée pour réchauffer un flux qui entre dans l’échangeur à beaucoup plus basse température.
Quelles sont les performances de Transpac ?
La phase d’exploitation expérimentale a débuté au 1er aout 2023 pour une durée de 9 mois. Lors de cette phase expérimentale la performance de la machine est conforme aux prévisions. En effet, le coefficient de performance de la machine oscille entre 3,6 et 4,2 avec une moyenne à 4.
La solution Transpac permet donc une baisse de 75 % de la consommation d’énergie nécessaire au réchauffage de l’air et une réduction des émissions de CO2 d’environ 1 000 tCO2/an (à partir du COP de 4). »
Transpac est une première mondiale de PAC très haute performance adaptée aux sécheurs industriels.
Cette solution peut s’adapter à de nombreux sécheurs présents dans l’industrie et ainsi contribuer grandement à la décarbonation de ce procédé énergo-intensif !