Valorisation énergétique des hydrates : Application à la réfrigération

Overview & Synopsis

Mes travaux de recherche au sein d’Irstea visent à étudier les hydrates de gaz dans le but de réduire l’impact énergétique et environnemental des systèmes frigorifiques. Ces cristaux, formés d’eau et de gaz, présentent une chaleur latente de fusion élevée. Ils peuvent donc être utilisés pour le stockage de froid et permettre d’optimiser le dimensionnement, la flexibilité et le rendement des installations. En les dispersant en phase liquide, il est également possible de former des coulis d’hydrates capables de transporter leurs réserves de froid dans des systèmes de réfrigération secondaire destinés à limiter l’usage de gaz frigorigènes à effet de serre. Deux approches ont guidé cette étude de valorisation énergétique des hydrates : l’utilisation d’hydrates comme matériaux de stockage (approche thermodynamique) et la mise en œuvre des coulis d’hydrates pour la distribution de froid (approche rhéologique). Ces travaux ont donné lieu à une production scientifique comptant dix-huit publications et une quarantaine de communications. Ma participation à l’encadrement de thèses et de post-doctorats a largement contribué au développement de ces thématiques, soutenues par le financement de projets collaboratifs pour la plupart en coordination. Concernant l’approche thermodynamique, nos études calorimétriques ont montré que les hydrates de CO2 présentent une chaleur latente de fusion élevée (501 kJ.kgeau-1) et des conditions d’équilibre ajustables (T > 273 K, P > 1,4 MPa). Néanmoins, afin de réduire leurs pressions d’équilibre et ainsi améliorer la viabilité économique du procédé, différents additifs thermodynamiques (tétrahydrofurane, sels d’alkyl-onium) ont été utilisés pour former des hydrates mixtes avec le CO2, entraînant une diminution de pression de l’ordre de 80 % par rapport à l’hydrate simple de CO2 tout en conservant une bonne enthalpie de dissociation, supérieure à 330 kJ.kgeau-1. Les hydrates simples/mixtes présentent ainsi un potentiel d’application important pour le stockage de froid à des températures adaptées pour différents procédés frigorifiques (process, ambiance…). Nos résultats ont également confirmé l’intérêt d’utiliser ces structures pour des applications de traitement gazeux (captage, stockage de gaz naturel/CO2…). Par ailleurs, les propriétés rhéologiques des coulis d’hydrates jouent un rôle essentiel sur les énergies de pompage mises en jeu, mais aussi sur les coefficients d’échanges thermiques des fluides, c’est-à-dire sur leur capacité à transférer l’énergie. L’approche rhéologique a consisté à étudier différents coulis d’hydrates (CO2, sel) dans deux dispositifs basés sur le principe du viscosimètre capillaire (boucles de circulation avec ou sans réacteur agité). Les modèles rhéologiques développés ont montré qu’au-delà de 10 % de cristaux en solution, les coulis d’hydrates étudiés présentent un comportement rhéofluidifiant quel que soit le dispositif. En présence de certains surfactants, leur comportement peut toutefois devenir Newtonien. Par ailleurs, la viscosité apparente et la contrainte seuil des coulis d’hydrates de CO2 diminue de manière importante lorsque ces derniers sont formés en réacteur agité. Ainsi, l’ensemble des travaux a permis de contribuer à la définition de coulis d’hydrates possédant des conditions d’écoulement adaptées aux applications de réfrigération secondaire. Les perspectives envisagées visent à compléter ces travaux en les orientant selon les trois axes suivants : l’étude de nouveaux hydrates mixtes ; l’intensification des transferts dans les procédés de formation/dissociation d’hydrates ; l’intégration des hydrates dans les systèmes frigorifiques associée à une évaluation énergétique et environnementale. Un quatrième volet concerne à moyen terme l’ouverture du sujet à d’autres domaines applicatifs, dans le but de caractériser non seulement le niveau de maturité de différentes technologies à base d’hydrates mais aussi le potentiel d’utilisation des hydrates dans des domaines non encore explorés.