La réfrigération solaire à adsorption

LESBAT: Catherine Hildbrand, Olivier Cherbuin, Julien Mayor. Chef de projet : Philippe Dind

Le but de cet article est de vous présenter le principe de la réfrigération solaire à adsorption qui permet tout simplement de faire du froid avec le rayonnement solaire.

C’est quoi la réfrigération solaire ?

Le Laboratoire d’Énergétique Solaire et de Physique du Bâtiment1 (LESBAT) de la Haute Ecole d’Ingénieurs et de Gestion du Canton de Vaud (HEIG-VD) en Suisse est actif dans le domaine des énergies renouvelables depuis plus de deux décennies.

Le développement de réfrigérateurs solaires à adsorption est l’un des axes principaux de recherche appliquée de ces dernières années.

Ces systèmes ont été prévus initialement pour la production de froid dans des zones non électrifiées des pays de la zone du Sahel où la réfrigération est recherchée pour la conservation de produits médicaux et alimentaires.

Sur la base de travaux réalisés par différentes équipes de chercheurs dans les années 80, nous avons réalisé en 1999 un prototype de démonstration, puis différents prototypes de laboratoire pour aboutir à un réfrigérateur solaire à adsorption dont la construction est réalisable en petites séries dans les pays en développement.

Nous avons accompagné nos développements par un transfert technologique avec le Centre Ecologique Ouagadougou.

Dans cet article, nous présentons le principe de fonctionnement des réfrigérateurs solaires à adsorption, des exemples d’évolutions constructives ainsi que le transfert technologique vers le Burkina Faso.

Le financement de ce développement expérimental a été principalement assuré par la FONDATION GEBERT RÜF (Bâle – Suisse).

Pourquoi la réfrigération solaire ?

Proposer une solution alternative et propre pour les pays en voie de développement afin de stocker médicaments et aliments.

La climatisation solaire est une alternative aux solutions suivantes:

• • la réfrigération par absorption (et non adsorption) qui transforme également le chaud en froid mais qui nécessite des températures plus élevés dont une combustion,

 

• • la réfrigération classique par un circuit frigo thermodynamique dont la pompe est alimentée par une génératrice,

 

• • réfrigération électro-solaire qui pose de gros problème de stockage de l’énergie électrique (batteries dont la durée de vie est très réduite…)

Aucune de ces 3 solutions ne répond parfaitement aux besoins des pays en voie de développement car elles consomment des hydrocarbures (rares et chers en Afrique) et rejettent du CO2 ou polluent indirectement de part les technologies employées (batteries, fluides frigorifiques…).

La climatisation solaire par adsorption utilisant la conversion directe de l’énergie solaire thermique en froid, ne présente pas de tèls inconvénients.

Comment marche la réfrigération solaire par adsorption ?

L’adsorption est le phénomène qui apparaît lors de l’établissement d’un équilibre entre un gaz et un solide.

La concentration des molécules du gaz est toujours plus grande à proximité de la surface du solide que dans la phase gazeuse. Ainsi, dans tout solide, les atomes de surface sont sujets à des forces d’attraction non compensées, perpendiculaires à la surface. L’équilibre de ces forces est partiellement rétabli par l’adsorption des molécules gazeuses.

Il est fréquemment parlé de couple lorsque l’on fait référence à l’adsorption. Le couple est composé d’un adsorbant (solide) et d’un adsorbat (liquide faisant office de fluide frigorigène).

Les corps utilisés en tant qu’adsorbants sont généralement des corps qui présentent une très grande surface extérieure. Nous pouvons citer les alumines activées, les charbons actifs, les gels de silice et les zéolites. Le choix de l’adsorbant se fera en fonction de la température désirée au niveau de l’évaporateur et de la température à disposition au niveau de la source chaude (capteur solaire).

L’autre partie du couple (l’adsorbat) doit répondre à deux conditions essentielles : posséder une grande chaleur latente d’évaporation et être constituée de petites molécules, facilement adsorbables. Les fluides possédants ces caractéristiques sont notamment l’eau, l’ammoniac, le méthanol et le dioxyde de carbone. En plus de ces deux conditions à caractères ″physiques″, il faut prendre en considération la nature du fluide ainsi que sa dangerosité (inflammabilité, toxicité,..).

Nos applications ont utilisés successivement les couples charbon actif-méthanol, silicagel-eau et zéolite-eau. L’utilisation de ces couples impose un niveau de vide moyen (10-3 mbar) afin de diminuer au minimum la présence de gaz incondensables pouvant obstruer le passage des vapeurs d’adsorbat. Le cycle fonctionne par intermittence, car le froid est produit seulement durant la nuit.

Les réfrigérateurs tels que conçus dans nos développements comportent quatre éléments principaux:

• • Le capteur-adsorbeur: partie contenant l’adsorbant qui est chauffé par le rayonnement solaire, avec pour effet la
    désorption de l’adsorbat.

 

• • Le condenseur : cet élément sert à condenser les vapeurs d’adsorbat désorbées dans le capteur-adsorbeur.

 

• • L’enceinte frigorifique : cet élément est la partie utile du réfrigérateur, composée de l’enceinte isolée et de l’évaporateur comprenant l’adsorbat sous forme liquide et solide.

 

• • La vanne autonome : Organe permettant de séparer la partie haute pression de la partie basse pression. Cet organe développé au LESBAT est automatique et ne possède aucune électronique (modèle déposé).

Cycle de fonctionnement

Le réfrigérateur solaire fonctionne selon un cycle thermique à adsorption. Le cycle
peut être découpé en quatre phases distinctes comme expliqué ci-dessous. Nous donnons également dans ce tableau le cycle représenté dans le diagramme de Clausius-Clapeyron (Ln(P) (pression) en fonction de (-1/T) (température) ).

Avantages/Inconvénients de la climatisation à adsorption

Inconvénients:

• • Délais de (au moins) 12h entre production de chaud et production de froid (ceci pourrait être assez facilement solvable par des accumulateurs tampons)

 

• • Nécessité d’avoir une source froide (la nuit) pour produire le cycle « froid » d’adsorption

 

• • COP largement (1/10 environ) inférieur aux machines frigorifiques à compresseur (mais est ce vraiment important étant donné que la source solaire est quasiement illimitée?)

Avantages:

• • Aucune source d’énergie autre que le soleil (ou une autre source de chaleur, comme des pertes thermiques) n’est nécessaire.

 

• • Aucune pièce en mouvement (sauf le volet), la maintenance est donc largement facilitée.

 

• • Possibilité d’utiliser des fluides frigorifiques aussi simples que l’eau!

 

• • COP équivalent voir légèrement supérieur aux climatisations électro-solaires (des panneaux photovoltaïques alimentant un circuit frigorifique mécanique), les inconvénients en moins (usure et pollution des batteries, maintenance…) !

Aspects économiques

Concernant le coût de fabrication d’un réfrigérateur solaire à adsorption construit selon la description faite dans cet article, il est très difficile d’articuler des chiffres.

Le coût d’un prototype développé en Suisse ou en France n’a rien à voir avec le prix de revient d’un réfrigérateur construit à quelques dizaines d’exemplaires par année au Burkina Faso avec la main d’œuvre qualifiée du pays (but visé dans un premier temps). Ce prix chuterait d’autant plus en cas de fabrication en série à des milliers d’exemplaires par an dans une chaîne automatisée ici ou en Afrique.

Une étude de marché réalisée en 2002 au Burkina Faso par le CEAS-BF a montré que plus d’une centaine de réfrigérateurs solaires à adsorption de 300 litres pourraient être écoulés par année et ceci durant trois ans auprès d’ONG, d’hôpitaux, d’hôtels et de coopératives agricoles burkinabés à condition que le prix de vente ne dépasse pas 750’000 F CFA (environ 1’250 €).

Le défi est donc double: répondre à la demande du marché après un début de fabrication à un rythme artisanal et pouvoir produire sans dépasser le prix de vente évoqué ci-dessus. Les conditions actuelles du marché et le prix de la main d’oeuvre burkinabé nous font penser que le CEASBF est à même de relever ce défi.

Conclusion

Les expériences menées dans le domaine de la réfrigération solaire à adsorption au sein du LESBAT ont permis d’appréhender l’ensemble des difficultés inhérentes à cette technique.

Afin que celle-ci puisse se propager sans subir des échecs pouvant la discréditer, il est indispensable d’accompagner la transmission de connaissances vers les pays en développement par la création ou le renforcement des compétences effectives sur place, comme nous nous sommes efforcés de la faire dans le cadre de notre collaboration avec le CEAS-BF.

Les évolutions constructives de nos systèmes de réfrigérateurs solaires ont visé une simplification constructive tout en conservant les performances. Cet objectif est atteint. La suite du projet a pour but le développement de petites chambres froides. Il s’agira de définir la taille optimale de la chambre en tenant compte des limites technologiques fixées par notre système.

La réfrigération solaire à adsorption fait partie de l’éventail des solutions aux problèmes environnementaux qu’engendrent nos excès de consommation d’énergies fossiles.

De plus, elle devrait permettre d’améliorer la qualité de vied’un grand nombre de personnes, des pays du Sahel en particulier, en leur donnant accès à la conservation de médicaments, de vaccins et de denrées alimentaires.

En savoir plus:
– Le site du LESBAT
– Télécharger l’article du LESBAT au format .pdf
– Généralités et principe de fonctionnement
– Optimisations du capteur solaire
– Panneau de présentation de la climatisation solaire: fonctionnement
– Panneau de présentation de la climatisation solaire: collaboration africaine