PRI 6 1 Conglation 30C par procd thermochimique

PRI 6. 1 Congélation (-30°C) par procédé thermochimique à partir d’une source solaire basse température (70°C) Axe du programme : Maîtrise des vecteurs énergétiques Thème 6 : Habitat u PRI 6. 1 – CONGELATION SOLAIRE / 1 Apport des En. R et Maîtrise des énergies Colloque Energie 11 -13/12/2002 - Perpignan

Equipes de recherche impliquées • Institut de Science et Génie des Matériaux et Procédés (IMP) UPR 8521 – Perpignan u Equipe " Génie de la réaction solide-gaz appliquée à des fins énergétiques" • Laboratoire d'Etudes Thermiques (LET – ENSMA) UMR 6608 – Poitier u Equipe "Rayonnement" u Equipe "Systèmes" • Laboratoire d'Energétique (ex LESETH) EA 810 – Toulouse u Equipe "Convection et Environnement thermique" PRI 6. 1 – CONGELATION SOLAIRE / 2 Colloque Energie 11 -13/12/2002 - Perpignan

Contexte • Développement durable (diminution des GES, protection ozone) • Augmentation prévue des besoins en froid • Diminution des pics de puissance demandés pour la production de froid en été • Réduction de la consommation en énergie primaire • Contexte favorable à l'utilisation de l'énergie solaire thermique (adéquation entre la disponibilité énergétique et la demande en froid) PRI 6. 1 – CONGELATION SOLAIRE / 3 Colloque Energie 11 -13/12/2002 - Perpignan

Etat de l’art de la production de froid solaire : • Rafraîchissement/Climatisation solaire (5/15°C) (source chaude minimale requise 90°C) : • production d’eau glacée 7°C par absorption H 2 O /Li. Br • production d’eau glacée 10/15°C par adsorption (zeolithe/eau, silicagel/eau) • dessicant cooling (production d'air frais par deshumidification) • Réfrigération solaire (-10/4°C) (source chaude requise 110/130°C): • production de glace • absorption (NH 3 / H 2 O) • adsorption (méthanol ou NH 3 /charbon actif) • réaction solide/gaz (Sr. Cl 2 / NH 3, Ca. Cl 2 / NH 3) Inexistence de procédés de congélation solaire à – 30°C. • nécessité de disposer d'une source chaude minimale de 140/160°C • technologie coûteuse des capteurs solaires (à concentration ou sous vide) • ou nécessité de disposer d'un puits de chaleur à proche de 0°C PRI 6. 1 – CONGELATION SOLAIRE / 4 Colloque Energie 11 -13/12/2002 - Perpignan

Objectifs du PRI : • Démontrer la faisabilité du concept de de congélation solaire basé sur l'utilisation d'un procédé thermochimique à fonctionnement cyclique jour/nuit avec pour objectifs : • simplicité technologique • intégrabilité • coût • Conception et expérimentations d'un prototype de 200 W de puissance moyenne (sur 24 h) frigorifique avec stockage • analyse des performances (capacité et puissance de congélation, efficacité énergétique, …) • Identifier les verrous socio-économiques pour le développement du procédé • analyse géographique de la disponibilité des ressources et de la demande • environnement concurrentiel • indicateurs seuils de rentabilité économique PRI 6. 1 – CONGELATION SOLAIRE / 5 Colloque Energie 11 -13/12/2002 - Perpignan

Procédé thermochimique de base • Couplage de deux processus physico-chimiques renversables (L/G + S/G) • Gestion des effets thermiques • Procédé discontinu alternant phase de production / phase de régénération diurne G G→L (SG) →(S) + G phase de production nocturne G L→G (S) + G→(SG) PRI 6. 1 – CONGELATION SOLAIRE / 6 Colloque Energie 11 -13/12/2002 - Perpignan

Mise en œuvre pratique du procédé PRI 6. 1 – CONGELATION SOLAIRE / 7 Colloque Energie 11 -13/12/2002 - Perpignan

CHOIX DES COUPLES REACTIFS Couples réactifs sélectionnés PRI 6. 1 – CONGELATION SOLAIRE / 8 Ba. Cl 2 (8/0) / NH 3 Na. Br (5/0) / NH 3 Colloque Energie 11 -13/12/2002 - Perpignan

Contribution de l' IMP Caracteriser les couples réactifs sélectionnés • équilibre réactionnel : enthalpie et entropie de réaction • cinétique et renversabilité de la réaction Réaliser la conception, l'experimentation du procédé sur une base de 200 W de production frigorifique moyenne (24 h) Analyser les performances du procédé Identifier les verrous du procédé Proposer des solutions économiquement acceptables PRI 6. 1 – CONGELATION SOLAIRE / 9 Colloque Energie 11 -13/12/2002 - Perpignan

Caractérisation du capteur-réacteur objectif « jour » Phase de désorption Energie absorbée : 10 à 12 k. Wh 70 – 75 °C PRI 6. 1 – CONGELATION SOLAIRE / 10 co nd e ns eu r Fl ux so lai re gaz ammoniac Colloque Energie 11 -13/12/2002 - Perpignan

Caractérisation du capteur-réacteur objectif « nuit » ciel gaz Phase d’absorption PRI 6. 1 – CONGELATION SOLAIRE / 11 Production de froid par evaporation ammoniac évaporateur Énergie évacuée : 10 à 12 k. Wh 0 – 5 °C Colloque Energie 11 -13/12/2002 - Perpignan

Propriétés idéales des vitres de capteur flux solaire 0. 3 -3 mm vitrage opaque > 3 mm absorbeur (70°-75 C) 5– 50 mm (8. 3 mm) jour : effet de serre PRI 6. 1 – CONGELATION SOLAIRE / 12 atmosphère <8 mm >13 mm vitrage transparent 8 - 13 mm absorbeur (0 -5°C) 6– 60 mm (10. 6 mm) nuit : effet de serre inverse Colloque Energie 11 -13/12/2002 - Perpignan

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Solutions possibles spectre idéal de transmission 1 absorbeur 0 position jour 0 2 4 6 8 10 12 14 mm Si. O 2 absorbeur dépôts (Al, Ag, …) position nuit Contrôle passif Contrôle actif sélectivité du vitrage • vitrage amovible ou • utilisation de caloduc activé la nuit PRI 6. 1 – CONGELATION SOLAIRE / 14 Colloque Energie 11 -13/12/2002 - Perpignan

Contribution du LET Évaluer les possibilités du système dans des conditions de captation et de refroidissement idéales (faisabilité) faisabilité Analyser théoriquement plusieurs conceptions de vitrage (systèmes multicouches) multicouches ayant des propriétés de transmission idéale (séquence et épaisseur des couches) Évaluer les performances des systèmes passifs et actifs Proposer des solutions concrètes et économiquement acceptables PRI 6. 1 – CONGELATION SOLAIRE / 15 Colloque Energie 11 -13/12/2002 - Perpignan

CONTRIBUTION DU LESETH ETUDE DU COMPORTEMENT DYNAMIQUE DE L'ENCEINTE Production intermittente de froid T= -23°C Assurer une température quasi -constante dans l'enceinte • Inertie thermique de l'enceinte • Stockage / destockage par matériau à changement de phase PRI 6. 1 – CONGELATION SOLAIRE / 16 Colloque Energie 11 -13/12/2002 - Perpignan

Problématiques scientifiques générales Couplage dynamique de tous les composants du procédé à fonctionnement cyclique avec leur environnement Capteur solaire Radiateur nocturne Couplage dynamique • Double fonction à priori antagoniste d'absorbeur solaire/radiateur nocturne • Transferts couplés rayonnement/convection /conduction • Sélectivité des surfaces et choix des matériaux PRI 6. 1 – CONGELATION SOLAIRE / 17 Procédé Couplage dynamique Enceinte • Caractérisation des systèmes réactionnels • équilibres thermodynamiques • cinétiques réactionnelles • renversabilité des réactions • matériaux composites réactifs • Transferts couplés convection / rayonnement • Inertie thermique • Etude dynamique de l'enveloppe • Transferts couplés de chaleur/masse • Comportement avec réaction dans les milieux poreux dynamique du stockage Colloque Energie 11 -13/12/2002 - Perpignan

Méthodologie Durée du projet : 3 ans • année 1 : étude, modélisation, conception et dimensionnement du procédé • année 2 : construction du prototype, modélisation couplage et liaisons • année 3 : expérimentations, analyse des résultats et conclusions PRI 6. 1 – CONGELATION SOLAIRE / 18 Colloque Energie 11 -13/12/2002 - Perpignan

Moyens humains impliqués PRI 6. 1 – CONGELATION SOLAIRE / 19 Colloque Energie 11 -13/12/2002 - Perpignan