Peut des packs déshydratants de gel de silice, souvent trouvé dans les boîtes à chaussures et l'électronique, être la réponse à nos enjeux énergétiques pour les bâtiments ? Un projet de quatre ans prouve que oui, sorte de.

Selon la Commission européenne, le chauffage et le refroidissement dans les bâtiments et l'industrie représentent la moitié de la consommation d'énergie de l'UE, et les combustibles fossiles génèrent 84 pour cent de ce chauffage et de ce refroidissement. Le secteur devrait jouer un rôle crucial dans le CO 2 réduction des émissions pour atteindre les objectifs climatiques de l'UE d'ici 2050. Dans le même temps, la quantité de chaleur gaspillée par les processus industriels et les bâtiments dans l'UE, y compris les centres de données, devrait couvrir l'intégralité des besoins de chauffage de l'UE dans les bâtiments résidentiels et tertiaires.

Qu'est-ce que la chaleur perdue ?

Quelques exemples de chaleur perdue comprennent la chaleur qui s'échappe d'une maison par la cheminée, la chaleur qui s'échappe d'une voiture par l'échappement, et l'air chaud ou l'eau rejetée d'une cuisinière, douche, lave-vaisselle, lave-linge ou sèche-linge. Au total, ces flux de chaleur résiduelle sont comparables à la quantité totale d'électricité consommée par les ménages résidentiels.

Dans les procédés industriels, la chaleur résiduelle est principalement produite par les centrales électriques, procédés de combustion et équipements de fabrication. Globalement, environ 70 pour cent de toute l'énergie produite se retrouve sous forme de chaleur résiduelle.

Souvent, cette chaleur perdue ne peut pas être utilisée car sa température n'est pas adaptée et elle peut être difficile à capter. Par conséquent, il existe une demande de technologie de conversion de chaleur afin d'accéder à l'énorme potentiel de cette chaleur essentiellement « gratuite ». Et si ce n'était pas assez difficile, cette technologie devrait également avoir une consommation électrique minimale afin d'alléger la charge sur le réseau, qui est associée aux variations quotidiennes et saisonnières de la demande de chauffage et de refroidissement.

Apportez THRIVE

Il y a quatre ans, scientifiques d'IBM Research – Zurich, Université des Sciences Appliquées Rapperswil (HSR), Empa, ETH Zurich, la Haute Ecole de Gestion et d'Ingénieur Vaud (HEIG-VD), Institut Paul Scherrer (PSI), et un certain nombre de collaborateurs supplémentaires se sont associés pour résoudre ce problème et se sont réunis dans un projet appelé THRIVE (Thermally Driven Heat Pumps for Substitution of Electricity and Fossil Fuels). Les recherches ont porté sur la technologie des pompes à chaleur à adsorption (AdHP), qui repose sur l'utilisation de matériaux adsorbants comme le gel de silice, bien connu de ces petits packs "Ne pas manger" que nous trouvons souvent dans les produits emballés.

Pourquoi du gel de silice ? Bien qu'il soit souvent jeté à la poubelle, c'est en fait une substance remarquable qui peut adsorber 40 pour cent de son propre poids en humidité de son environnement. Ce faisant, il produit une sorte d'effet d'aspiration qui peut être utilisé pour pomper de la chaleur un peu comme un climatiseur conventionnel, mais sans utiliser d'électricité. Une application de cette technologie est dans les centres de données pour exploiter la chaleur perdue des serveurs hautes performances refroidis à l'eau chaude pour produire de l'air frais pour refroidir les alimentations et le stockage de données dans le même centre de données, permettant essentiellement aux centres de données de se refroidir avec leur propre chaleur résiduelle.

Les résultats sont en

Le 8 novembre, après 47 mois de recherche, nous avons rendu compte de nos résultats finaux.

Outre le refroidissement des centres de données et d'autres processus industriels, HEIG-VD a identifié des applications prometteuses pour les AdHP afin d'augmenter l'efficacité et la capacité des réseaux de chauffage urbain ainsi que de réduire les émissions et les coûts énergétiques pour les ménages. Sur la base des potentiels de chauffage et de refroidissement des AdHP dans quatre de ces scénarios d'application, Le PSI prévoit une baisse de 4 à 9 % de la consommation d'énergie totale en 2050 pour le secteur de l'énergie stationnaire en Suisse des AdHP utilisant la chaleur résiduelle disponible pour les industries et les ménages, qui, selon l'Institut Paul Scherrer (PSI), pourraient réduire de 3 à 6 % la consommation totale d'énergie en 2050 en Suisse.

Dans PROSPÉRER, plusieurs étapes techniques ont été franchies pour faire progresser la technologie des pompes à chaleur à adsorption.

Au lieu de gel de silice, Les scientifiques de l'Empa ont développé un nouveau type d'adsorbant monolithique au charbon actif, semblable au charbon de bois, qui peuvent être moulés et usinés dans des formes arbitraires pour s'adapter aux échangeurs de chaleur pour AdHPs. Le matériau a fourni une puissance de refroidissement 3,8 fois supérieure par unité de masse par rapport au gel de silice pour la régénération par chaleur résiduelle à 60 degrés C.

Plus loin, des scientifiques d'IBM Research et de l'ETH Zurich ont développé de nouvelles méthodes pour caractériser les adsorbants en action et les ont utilisées pour révéler le goulot d'étranglement limitant le débit dans les échangeurs de chaleur à adsorption de pointe avec seulement quelques cm2 de matériau. Un cadre pour prédire la géométrie des adsorbants de forme optimale a été développé, et les revêtements adsorbants ont été structurés en conséquence pour fournir une triple amélioration du taux d'adsorption par rapport aux revêtements non structurés. Ces adsorbants structurés sont capables de supporter une puissance frigorifique de 5 kW pour chaque m2 de surface d'échangeur de chaleur d'adsorption.

Ensemble, les matériaux et les améliorations structurelles peuvent augmenter la densité de puissance des échangeurs de chaleur à adsorption jusqu'à un facteur 10. Cela se traduit par une réduction substantielle du coût des futurs AdHP, les rendant globalement économiquement, technologiquement et environnementalement supérieur aux autres approches pour de nombreuses applications

Pour prouver que l'approche fonctionne également à plus grande échelle, Les scientifiques du HSR ont construit un banc d'essai équipé d'une balance sous vide, capable de caractériser des échangeurs de chaleur à adsorption qui produisent une puissance frigorifique jusqu'à 1,5 kW. Pour les systèmes encore plus grands, ils ont également construit un système de pompe à chaleur à adsorption à quatre chambres qui fournit jusqu'à 10 kW de puissance de refroidissement, ce qui répondrait aux exigences de climatisation typiques d'une maison unifamiliale dans les climats chauds.

Et enfin, nous avons développé un cadre pour concevoir des échangeurs de chaleur à adsorption hautes performances pour des industries ayant des exigences différentes. Cette technologie AdHP compacte est en cours de développement pour le refroidissement des centres de données et un projet de suivi est déjà en cours dans lequel les AdHP sont évalués en tant que transformateurs de chaleur dans les réseaux thermiques. D'autres applications prometteuses des AdHP compacts sont la gestion thermique des voitures et la séparation des gaz, comme le CO 2 capture – c'est maintenant une approche à plusieurs volets pour améliorer l'efficacité énergétique, réduire les coûts et lutter contre le changement climatique.

Cette histoire est republiée avec l'aimable autorisation d'IBM Research. Lisez l'histoire originale ici.