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Projet conjoint "Utilisation de chaleur avec des pompes chaleur d'adsorption"

 

Les combustibles fossiles et l’électricité utilisés pour le chauffage et le refroidissement sont des sources majeures de consommation d’énergie et d’émissions. Le projet conjoint THRIVE a étudié et développé la technologie des pompes à chaleur à adsorption afin d’exploiter les rejets thermiques et la chaleur renouvelable en Suisse en lieu et place de l’électricité et des combustibles fossiles.

Description du projet (projet de recherche terminé)

Les pompes à chaleur à adsorption à entraînement thermique représentent une technologie prometteuse pour tirer profit de rejets thermiques ou de chaleur renouvelable pour assurer le chauffage et le refroidissement à température optimale et avec un excellent rendement exergétique. Les économies en termes de consommation d’électricité et d’émissions de CO2 sont conséquentes par rapport aux technologies traditionnelles de chauffage et de refroidissement. Pourtant, un certain nombre d’obstacles ont jusqu’ici entravé une adoption à grande échelle des pompes à chaleur à adsorption sur le terrain. Tout d’abord, les scénarios de mise en œuvre de pompes à chaleur à adsorption dans le contexte d’infrastructures de chauffage et de refroidissement existantes font défaut ou sont trop superficiels. Ensuite, l’utilisation de matériaux adsorbants et de concepts d’échangeur de chaleur inefficaces implique des volumes système et des investissements importants. Enfin, on ne trouve pas d’analyses détaillant le cycle de vie et les coûts de la technologie des pompes à chaleur à adsorption par rapport à des indicateurs reconnus. Relever ces trois grands défis devrait améliorer la compréhension des schémas de déploiement pertinents et générer des incitations techniques et économiques pour l’adoption des pompes à chaleur à adsorption en guise de technologie durable de chauffage et de refroidissement.

Objectif

L’objectif du projet THRIVE était de contribuer à la réduction de la consommation d’électricité et des émissions de CO2 liées au chauffage et au refroidissement. Les contributions principales ont consisté à identifier des scénarios de mise en œuvre de pompes à chaleur à adsorption en Suisse, à améliorer la technologie de pompe à chaleur à adsorption grâce à l’intégration de nouveaux matériaux, ainsi qu’à évaluer la technologie de pompe à chaleur à adsorption en termes de performances, de durabilité et de coûts.

Résultats

Les résultats clés des différents sous-projets ont été le développement et la mise en évidence de matériaux adsorbants plus performants, des méthodes de façonnage de matériaux pour la préparation et l’intégration de revêtements adsorbants hautes performances aux échangeurs de chaleur, de nouveaux outils et infrastructures de caractérisation expérimentale pour la recherche sur les pompes à chaleur à adsorption d’une puissance de refroidissement de < 1 W à environ 10 kW, ainsi qu’un cadre d’évaluation de la durabilité et des coûts des pompes à chaleur à adsorption tout au long de leur cycle de vie.

Importance

Implications pour la recherche

Les résultats des sous-projets individuels ont de nombreux impacts dans divers domaines et ont été obtenus d’une façon synergique qui n’aurait pas été possible sans ce projet conjoint coordonné. La formulation de scénarios d’application attrayants a permis d’obtenir des exigences bien définies pour les adsorbants dans le cadre du projet conjoint, mais aussi à orienter les efforts de développement de matériaux par d’autres groupes. De nouveaux axes de recherche sur les matériaux sont apparus grâce aux résultats prometteurs rapportés par les équipes des sous-projets pour la synthèse sol-gel d’adsorbants monolithiques à base de charbon actif, ainsi que pour les méthodes de caractérisation et de structuration visant à comprendre et à améliorer les phénomènes de transport au sein des adsorbants. Par ailleurs ont été générées des ressources importantes, susceptibles de faciliter et de soutenir les futures recherches, notamment une unité de pompe à chaleur à adsorption modulaire unique en son genre, d’une capacité de refroidissement de 10 kW, ainsi que des cadres d’évaluation de la durabilité et de calcul des coûts de cycle de vie.

Implications pour la pratique

Le projet THRIVE a clarifié le potentiel technique, environnemental et économique des pompes à chaleur à adsorption, procurant ainsi une aide conséquente à la prise de décisions par les utilisateurs finaux et les parties prenantes du secteur industriel et des organismes de financement. En particulier dans le cadre de la construction de nouveaux réseaux thermiques ou de leur modernisation, l’intégration de pompes à chaleur à adsorption peut être envisagée pour améliorer les capacités et l’efficacité énergétique. De même, les coûts d’exploitation et les émissions des installations décentralisées, telles que les systèmes de chauffage d’immeubles ou de refroidissement de centres de données, peuvent être réduits grâce à l’adoption de la technologie de pompe à chaleur à adsorption.

Titre original

THRIVE: Thermally driven adsorption heat pumps for substitution of electricity and fossil fuels

Responsables du projet

Directeurs du projet conjoint

  • Dr. Bruno Michel, IBM Research GmbH, Rüschlikon; Dr. Elimar Frank, Hochschule für Technik, Rapperswil

Directeur adjoint du projet conjoint

  • Dr. Patrick Ruch, IBM Research GmbH, Rüschlikon

Projets joints

Ce projet conjoint se compose de cinq projets de recherche

THRIVE: Tailored materials for high-performance adsorption heat pumps

  • Dr. Matthias Koebel, Departement Bau- und Maschineningenieurwesen, EMPA Dübendorf; Dr. Bruno Michel, Prof. André R.Studart, Prof. Stéphane Citherlet

THRIVE: Materials assembly for high transport rates in adsorber heat exchangers

  • Prof. André R. Studart, Departement Materialwissenschaft, ETH Zürich; Dr. Dominique Derome, Dr. Matthias Koebel, Dr. Bruno Michel

THRIVE: Development of an adsorption heat pump - Component characterization and integration in compact device

  • Prof. Andreas Häberle, Institut für Solartechnik, Hochschule für Technik Rapperswil; Dr. Matthias Koebel, Dr. Bruno Michel, Prof. André R.Studart, Prof. Stéphane Citherlet

THRIVE: Thermally driven adsorption heat pumps for substitution of electricity and fossil fuels: tests, simulation and validation of applications

  • Prof. Stéphane Citherlet, Laboratoire d'énergétique solaire et de physique du bâtiment, HEIG-VD Yverdon; Dr. Peter Burgherr, Dr. Bruno Michel

THRIVE: Sustainability analysis of thermally driven heat conversion in Switzerland

  • Dr. Peter Burgherr, Laboratory for Energy Systems Analysis, Paul Scherrer Institut, Villigen; Prof. Stéphane Citherlet