Procédé thermochimique de production de froid de forte puissance pour application mobile

De nos jours, la maitrise de la chaine du froid est un enjeu majeur de santé publique et de sécurité sanitaire. Environ la moitié des denrées alimentaires produites pour la consommation humaine est perdue [1] à cause de défaillances dans la logistique et dans le stockage. D’autre part, environ 17% des coûts logistiques de l’industrie biopharmaceutique [2] sont dédiés au transport à température dirigée de produits médicaux thermosensibles de haute valeur économique et humaine. La congélation et la surgélation permettent une meilleure conservation longue durée de certains de ces produits, mais augmentent les contraintes techniques et règlementaires de leur transport.

La règlementation dans la chaine du froid est de plus en plus exigeante et contraint à pouvoir justifier d’un maintien de température très précis et contrôlé, pendant toute la durée du transport. Les standards concernant le transport de produits réfrigérés sont définis dans un accord international [3] (norme ATP) qui spécifie pour le transport de denrées périssables les gammes de températures selon leur typologie. Ainsi, la plupart des produits congelés doivent être transportés à des températures inférieures ou égales à -18°C avec une tolérance de +/- 3°C [4]. En particulier pour le secteur médical, certains produits doivent être maintenus à des températures de -25°C ou -30°C.

Par ailleurs, on estime que les systèmes de réfrigération conventionnels qui se basent essentiellement sur des cycles à compression, consomment à eux seuls 15% de l’électricité finale mondiale [5]. Dans le cas du transport, ces systèmes de réfrigération sont alimentés en électricité produite par l’alternateur du moteur du véhicule ou par un moteur thermique auxiliaire spécialement dédié. Ils entrainent une consommation accrue d’énergie, et donc de carburant, induisant une augmentation des rejets de CO2 [6]. L’étude menée par James et al. sur l’impact climatique de la chaine du froid agro-alimentaire montre que le transport réfrigéré est responsable d’environ 1% du CO2 produit mondialement [7].

L’augmentation du volume des produits transportés à des températures négatives sur de longues distances et la multiplication des points finaux de distribution apparaissent également comme un véritable défi à surmonter. Les ouvertures du compartiment réfrigéré aux points de charge et de livraison ou le déplacement du produit dans d’autres conteneurs entrainent des oscillations de température pouvant compromettre la qualité finale du produit. Le contrôle de la température reste décisif pour éviter ces fluctuations. Le système de réfrigération doit alors être réactif et fonctionner sur une large gamme de puissance afin de compenser les apports extérieurs de chaleur et leur variabilité : ceci pénalise fortement le rendement global du système .

Des critères de performances (coefficient de performance COP, d’efficacité [8]) sont de plus en plus pris en compte dans le choix d’une technologie de transport réfrigéré, ainsi que l’utilisation de substances respectueuses de l’environnement. Parallèlement à la direction prise par la réglementation visant à interdire à l’horizon 2020 les gaz frigorigènes fluorés à effet de serre [9] et nocifs sur la couche d’ozone, les nouvelles technologies s’orientent à présent vers leur réduction, leur remplacement ou leur suppression. L’utilisation de substances biodégradables et respectueuses de l’environnement telles que l’ammoniac semble aujourd’hui privilégiée.

La logistique de la chaine du froid nécessite des améliorations constantes. Nous nous centrons spécifiquement sur les dispositifs pour le transport de produits à température négative. Des modèles dynamiques [10] confirment l’importance d’un contrôle précis de la température pour assurer la qualité du produit transporté. Une possible solution est de transporter les produits destinés à une même destination finale dans un même caisson autoréfrigéré facilement déplaçable d’un véhicule à un autre et qui limite au strict minimum les ouvertures des portes pour éviter les fluctuations de température.

Les systèmes de réfrigération conventionnels pour le transport se basent essentiellement sur des cycles à compression mécanique de vapeur (cycle de Rankine inverse). La compression des vapeurs peut être réalisée soit de manière mécanique via un piston rigide (compresseur mécanique) ou hydrauliquement via un piston liquide, soit en exploitant l’effet Venturi via un éjecto-compresseur.

Ces systèmes nécessitent une source mécanique pour fonctionner (ou électrique via un moteur électrique). Longtemps inégalés en termes de performances, de coût et de rendement, les systèmes à compression mécanique de vapeur (CMV) représentent la majorité des systèmes de production de froid. Ils utilisent des gaz aux propriétés thermodynamiques optimisées pour la production de froid dans des gammes de températures données. Ces fluides, gazeux à température ambiante et à pression atmosphérique, ont pour la plupart des conséquences néfastes sur la couche d’ozone et/ou possèdent un fort potentiel de réchauffement par effet de serre [11].

Les systèmes CMV se basent sur un cycle thermodynamique comportant des changements d’état physique liquide/vapeur réalisés à des températures différentes par le biais d’un détendeur et d’un compresseur. Il s’agit d’une technologie mature où de constantes améliorations sont effectuées, notamment sur la phase de compression afin d’en réduire le coût énergétique. En effet, un gaz s’échauffe lorsqu’on le comprime, ce qui augmente le travail nécessaire à sa compression. L’une des solutions adoptée est d’échelonner judicieusement la phase de compression afin de trouver le meilleur compromis des ratios de compression. Après chaque compression partielle (ou chaque étage de compression), le fluide peut être à nouveau refroidi avec l’air ambiant et la compression sur l’étage suivant sera moins coûteuse. Dans la plupart des cas, une détente de Joule-Thomson (détente isenthalpique) assure la diminution de la pression et de la température du liquide à évaporer.

Table des matières

Introduction générale
État de l’art sur la production de froid négatif de forte puissance pour applications mobiles et autonomes
I.1- Technologies de production de froid autonomes couplées à un système de stockage externe
I.1.1- Systèmes à compression de vapeur
I.1.2- Systèmes thermoélectriques
I.1.3- Réfrigération magnétique
I.1.4- Réfrigération thermo-acoustique
I.2- Technologies de production de froid incluant la fonction stockage
I.2.1- Stockage par changement de phase
I.2.2- Cycle à air et stockage par air comprimé
I.3- Réfrigération par cycle à sorption et stockage thermochimique
I.3.1- Procédés à absorption liquide-gaz et application au stockage
I.3.2- Procédé à sorption solide/gaz
I.4- Comparaison des performances des différentes technologies
I.4.1- Méthodologie pour la comparaison des performances
I.4.2- Discussions sur les performances
Conclusion générale

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