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Transport du froid : la recherche s'enflamme

Stéphanie Cohen
- Le coulis de glace est, à ce jour, la solution la plus pertinente pour transporter le froid. Pourtant, un moyen de production fiable manque cruellement. Plusieurs solutions se développent...

C'est l'une des rares entreprises françaises à avoir franchi le pas. Toury (Clermont-Ferrand, Puy-de-Dôme) s'est tournée cet été vers le coulis de glace pour refroidir le lait au cours de son process. « Face aux difficultés réglementaires que rencontrent les fluides frigorigènes, nous avons délibérément opté pour une solution pérenne », explique Michel Brun qui a supervisé l'installation. Une décision qui s'inscrit dans le cadre du projet de développement durable engagé avec Carrefour.

Environnemental, économique, performant..., le coulis de glace est une véritable aubaine pour toute industrie qui utilise le froid. Sa vocation ? Remplacer les circuits de fluide frigorigène ou d'eau glycolée qui véhiculent le froid de son lieu de production à son lieu d'utilisation.

Les frigoporteurs diphasiques arrivent

Bien que très répandues, ces deux dernières solutions sont largement décriées. Concernant les HFC (hydrofluorocarbures), les tout derniers fluides frigorigènes autorisés pour produire le froid, même s'ils ne détruisent pas la couche d'ozone comme leurs prédécesseurs, contribuent malgré tout à l'effet de serre. Or, quand on a recours à des kilomètres de canalisation, comme c'est le cas dans la grande distribution, les fuites peuvent être nombreuses... et l'impact sur l'environnement non négligeable. L'idée est donc de restreindre l'utilisation de ces fluides à la production de froid uniquement. « Des fluides frigoporteurs neutres prendraient le relais pour transporter le froid jusqu'à son lieu d'utilisation », précise Laurence Fournaison, ingénieur au Cemagref.

Dans cette optique, le plus simple est le recours à l'eau glycolée. Seulement, le problème qui était environnemental... devient énergétique ! « La densité énergétique de ce fluide étant très faible, le débit doit être élevé ce qui implique l'utilisation de pompes puissantes », souligne Laurence Fournaison. D'où une forte perte énergétique .

Voilà pourquoi on en vient aujourd'hui à développer des fluides frigoporteurs dits diphasiques qui libèrent de la chaleur latente en changeant d'état physique. « Leur température étant constante, il n'est plus nécessaire de descendre très bas en température comme avec les fluides monophasiques », souligne Étienne Merlin du département industrie de l'Ademe. Si plusieurs types de fluides diphasiques se développent (comme le CO2 ou encore les billes de gel renfermant le fluide à changement de phase), le coulis de glace, composé de microcristaux de glace de 0,1 mm de large, d'eau et d'un soluté, tient le haut du pavé.

Stocker du froid en grande quantité

Tout d'abord, il a un potentiel énergétique important, jusqu'à cinq fois plus élevé par unité de volume que l'eau glycolée. « Cette densité énergétique permet de réduire fortement les débits véhiculés et par conséquent le diamètre des conduites et la puissance des pompes », précise André Lallemand du Centre thermique de Lyon (Cethil), affilié à l'Insa. Par ailleurs, contrairement aux fluides monophasiques, la température est constante en tout point du réseau, garantissant ainsi l'homogénéité des températures. Enfin, dernier avantage, et non des moindres, la commodité d'accumulation de froid qu'offre le coulis de glace. Un avantage considéré par David Liope, responsable du développement des technologies coulis de glace chez Heatcraft Europe, comme « la motivation première des industriels ».

Le stockage permet en effet de pallier aux variations de besoins en froid selon la saison et les heures de pointe et de réduire la taille de l'équipement frigorifique pour ne faire fonctionner ce dernier qu'à son point nominal. Il permet en outre de produire le froid aux heures où le tarif de l'électricité est le plus bas et quand les conditions extérieures de températures augmentent les rendements des compresseurs frigorifiques. Pour cette application, le coulis de glace offre un avantage majeur. « Les phases solides et liquides du coulis de glace ont des masses volumiques très voisines, par conséquent il est possible de stocker une grande quantité de froid dans un volume très réduit », souligne André Lallemand.

Quelques points faibles restent à résoudre

Le coulis de glace multiplie si bien les avantages qu'on envisage même d'exploiter ses propriétés pour d'autres applications que la distribution du froid. Par exemple, pour le refroidissement direct des produits alimentaires, qui s'avère extrêmement rapide et efficace, ou le transport par camions (voir encadré p. 46). Son intérêt énergétique est tel qu'EDF s'intéresse très sérieusement à cette technologie.

Mais ce serait trop simple si la technologie n'avait que des avantages. La production de coulis de glace n'est en réalité pas aussi simple qu'elle ne le paraît ! Aujourd'hui, il n'existe que deux modes de fabrication très proches qui consistent soit à racler, soit à brosser la surface d'un échangeur en phase de prise de givre. Si quelques installations existent en France, en grandes surfaces et en laiteries essentiellement, elles sont encore sporadiques. Pour que cette technologie prenne un réel essor, le grand défi consiste aujourd'hui à développer un nouveau mode de production sans entraînement mécanique. Car les machines actuelles sont parfois fragiles et limitées en puissance - 96 kW maximum - ce qui oblige souvent à monter plusieurs générateurs en série !

L'enjeu est tel que la recherche s'agite énormément. De nombreuses pistes sont explorées (voir encadré ci-dessous) par des acteurs aussi variés que le Cemagref, le Pôle cristal à Dinan (Côtes-d'Armor), en partie financé par l'Ademe, le Cethil et bien d'autres encore. D'après Marlène Dresh, à la direction de l'industrie à l'Ademe, un nouveau mode de production devrait émerger d'ici trois ou quatre ans.

Autre point critique : « L'inexistence d'un capteur pour mesurer en continu la teneur en glace », souligne Laurence Fournaison du Cemagref, qui travaille activement à la mise au point d'un tel outil, nécessaire pour une régulation fine des installations en fonction du besoin. La société Heatcraft Europe, qui a développé les générateurs de coulis à surface brossée, s'attèle également à cette tâche. Elle a développé un outil en cours de fiabilisation, qui sera prochainement breveté.

Pour tous ces acteurs, une fois ces limites dépassées, le recours au coulis de glace devrait se généraliser et provoquer avec lui une transformation profonde des métiers du froid.

POUR EN SAVOIR PLUS

Retrouvez les acteurs industriels et de la recherche sur le coulis de glace, sur notre site www.industrie-technologies.com/plus

LES PROMESSES DU COULIS DE GLACE

AVANTAGES - Environnemental : la quantité de fluide frigorigène utilisée est divisée par dix - Économique : la densité énergétique est cinq fois plus élevée que celle de l'eau glycolée - Performance : la température est basse et constante APPLICATIONS - Le stockage de l'énergie frigorifique, notamment pour les process industriels qui nécessitent le froid de manière discontinue comme les laiteries. - Le refroidissement par immersion de produits alimentaires. Intéressant pour l'industrie de la pêche, le refroidissement du foie gras, etc.- Le transport Les camions seront équipés d'une double coque renfermant du coulis de glace. Premières applications d'ici à la fin de l'année. - La climatisation, développée uniquement au Japon pour l'instant. Avantage économique à l'étude.- Les réseaux de froid urbain. Les réseaux d'eau glacée des grandes métropoles pourraient être remplacés par des réseaux de coulis. Solution à l'étude. - La distribution de l'énergie frigorifique dans la grande distribution et les entrepôts frigorifiques est la principale application de la technique du coulis de glace.

PRODUCTION DE COULIS : CINQ MÉTHODES À L'ÉTUDE

Pour pérenniser l'utilisation du coulis de glace, il est nécessaire de développer des moyens de production plus puissants sans entraînement mécanique. Plusieurs voies sont à l'étude Contact direct entre deux liquides non miscibles Le fluide frigorigène liquide est injecté par le bas dans le fluide frigoporteur. En transférant son énergie, il se vaporise puis est récupéré en haut sous forme de vapeur par des compresseurs. Les cristaux de glace sont générés par contact direct. Générateur sous vide Pour produire de la glace, l'eau est amenée à son point triple sous une pression de 6 mbars à 0 °C. Des systèmes de compression puissants sont nécessaires. Lit fluidisé Les cristaux de glace sont créés sur la surface de l'échangeur entre les fluides frigorigène et frigoporteur. Des billes d'acier sont mises en mouvement dans le fluide frigoporteur pour casser la glace. Surfusion L'eau est amenée à une température sensiblement inférieure à 0°C mais reste liquide. Un choc mécanique, thermique ou des micro-ondes sont appliqués pour la prise en glace. Utilisé au Japon pour la climatisation. Raclage hydraulique Les cristaux de glace sont créés sur la surface de l'échangeur entre les fluides frigorigène et frigoporteur. À un niveau préréglé, l'augmentation du débit du fluide frigoporteur et la baisse de la capacité de refroidissement font se détacher la glace (procédé Barth du Pôle Cristal à Dinan).

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