Energy performance and optimization of a transcritical R744 heat pump for electric ferries
Cette étude démontre qu'un système de pompe à chaleur transcritique R744 optimisé, doté d'une configuration de refroidisseur de gaz en parallèle et d'un contrôle PI décentralisé, offre une solution de gestion thermique fiable, écologique et économe en énergie pour les ferries électriques à zéro émission, surpassant les systèmes standards au R410A sur une large gamme de températures de fonctionnement.
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Le voyage vers des déplacements à zéro émission est en train de remodeler la façon dont nous transportons les personnes sur l'eau. Les ferrys électriques, alimentés par des batteries plutôt que par des moteurs diesel, offrent un avenir plus propre et plus silencieux pour les communautés côtières. Pourtant, ces navires sont confrontés à un défi unique que leurs prédécesseurs diesel n'ont jamais connu : ils ne génèrent presque aucune chaleur résiduelle. Les navires traditionnels brûlent du carburant pour se déplacer, et ce processus de combustion crée une quantité massive de chaleur excédentaire qui chauffe naturellement les cabines des passagers. Les ferrys électriques, en revanche, dépendent entièrement de leurs batteries pour la propulsion et le confort. Dans les climats froids, maintenir un ferry au chaud peut drainer une partie importante de l'énergie de la batterie, consommant parfois près de la moitié de la puissance totale disponible. Cela crée un arbitrage difficile où le besoin de chaleur réduit la distance que le navire peut parcourir. Pour résoudre ce problème, les ingénieurs se tournent vers les pompes à chaleur, des dispositifs qui déplacent la chaleur plutôt que de la créer, mais ils doivent trouver un moyen de faire fonctionner ces systèmes efficacement dans les conditions de mer rudes et variables sans ajouter trop de poids ou de complexité.
Des chercheurs de l'Université du Danemark du Sud et de ses partenaires ont entrepris de trouver la meilleure façon de gérer cet équilibre thermique pour les ferrys électriques. Ils se sont concentrés sur un type spécifique de pompe à chaleur qui utilise le dioxyde de carbone comme fluide frigorigène, une substance naturelle, sûre pour l'environnement et non inflammable. Contrairement aux anciens systèmes utilisant des produits chimiques synthétiques, le dioxyde de carbone fonctionne différemment lorsque l'air extérieur est chaud, nécessitant une conception spécialisée pour fonctionner correctement. L'équipe a construit une simulation informatique détaillée du système de chauffage et de refroidissement d'un ferry pour tester la performance d'une configuration au dioxyde de carbone par rapport aux systèmes standards actuellement utilisés sur les navires. Leur objectif était de voir si ce réfrigérant naturel pouvait assurer le confort des passagers tout en préservant l'énergie de la batterie pour le trajet, le tout sans rendre le navire trop lourd pour être pratique.
L'étude a commencé par comparer un système standard utilisant un réfrigérant synthétique courant à une nouvelle conception utilisant le dioxyde de carbone avec un évaporateur à bain de liquide, un composant qui permet au réfrigérant de couvrir entièrement la surface d'échange thermique pour une meilleure efficacité. Les simulations ont révélé que la performance du système au dioxyde de carbone dépend fortement de la température extérieure. Lorsque l'air était très froid, descendant à moins cinq degrés Celsius, le système standard était légèrement plus efficace. Cependant, à mesure que la température augmentait, le système au dioxyde de carbone prenait l'avantage. À quatre degrés Celsius, il était près d'un quart plus efficace que le système standard, et même par temps chaud d'été à trente-cinq degrés, il maintenait un avantage significatif. Cela suggère que pendant la majeure partie de l'année, le réfrigérant naturel est le choix supérieur, à condition que le système soit conçu pour répondre aux demandes spécifiques de la boucle de chauffage d'un ferry.
Pour améliorer les performances du système lors des journées hivernales les plus froides, les chercheurs ont testé plusieurs configurations différentes. Ils ont exploré l'ajout de composants supplémentaires, tels que des échangeurs de chaleur additionnels, pour aider le dioxyde de carbone à libérer sa chaleur plus efficacement. Une conception spécifique, qui ajoutait une seconde unité refroidie par air travaillant en parallèle avec le système principal, s'est avérée être la plus efficace. Cette configuration a permis au système de surpasser la référence standard même à moins cinq degrés Celsius, offrant une efficacité de chauffage supérieure de près de six pour cent. Cependant, cette amélioration avait un coût : l'ajout de matériel augmentait le poids total du système de vingt-cinq pour cent. L'équipe a dû peser cette masse supplémentaire par rapport aux économies d'énergie, concluant que l'arbitrage était acceptable pour les ferrys électriques où la maximisation de l'autonomie de la batterie est critique.
La gestion de ces systèmes nécessite une stratégie de contrôle sophistiquée car le comportement du dioxyde de carbone change radicalement selon les variations de température. Les chercheurs ont développé un système de contrôle qui utilise quatre boucles distinctes pour surveiller et ajuster la vitesse du compresseur, l'ouverture des vannes et la vitesse des ventilateurs en temps réel. Cette approche décentralisée a permis au système de réagir rapidement aux changements météorologiques sans nécessiter une puissance de calcul complexe et lourde. Dans leurs simulations, le système a réagi de manière fluide aux changements soudains de température, maintenant un fonctionnement stable sans pics de pression dangereux ou cycles inefficaces. La logique de contrôle a réussi à maintenir le système sur sa trajectoire la plus efficace, prouant qu'une méthode de contrôle relativement simple peut gérer la physique complexe d'une pompe à chaleur au dioxyde de carbone.
L'analyse finale a réuni les gains énergétiques et le poids physique des différentes conceptions. Bien que la configuration la plus efficace ajoute un poids significatif, les chercheurs ont déterminé que l'énergie économisée sur la durée de vie du ferry compenserait probablement la pénalité initiale. L'étude a confirmé qu'une pompe à chaleur au dioxyde de carbone bien conçue est une solution viable et respectueuse de l'environnement, capable de gérer à la fois le chauffage hivernal et le refroidissement estival. En utilisant un réfrigérant naturel et en optimisant la configuration du système, ces navires peuvent maintenir le confort des passagers sans sacrifier leur autonomie électrique. Ce travail souligne que, bien qu'aucune solution unique ne soit parfaite pour chaque température, un système flexible et optimisé peut fournir une voie fiable vers l'avenir du transport maritime propre.
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