Des ondes acoustiques à la place des HFC

Le 18 octobre 2004 par Claire Avignon
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Le protocole de Kyoto vise notamment la réduction d'émissions de HFC. Tous les acteurs de l'industrie du froid cherchent des nouveaux procédés de refroidissement de substitution. Le glacier Ben et Jerry's a choisi la réfrigération acoustique. Elle utilise un gaz inerte en le comprimant grâce à des ondes acoustiques très puissantes.

Avec leur congélateur acoustique installé depuis avril 2004 dans un magasin Ben et Jerry's de New York, Steven Garrett et son équipe de l'université américaine Penn State ont montré que l'exploitation industrielle de leur invention est maîtrisée. Ils travaillent depuis 30 ans sur la thermoacoustique, discipline qui lie ondes sonores et thermodynamique. Des réalisations intéressantes ont vu le jour: un réfrigérateur acoustique a équipé la navette spatiale Discovery en 1992, et un système de climatisation, toujours acoustique, a été installé en 1999 dans des navires de guerre de la US Navy.

Les machines à compression acoustique s'avèrent être une piste intéressante, parmi les technologies alternatives n'utilisant pas d'hydrofluorocarbones (HFC), en partie responsables du réchauffement de la planète. Différentes pistes de recherche commencent à aboutir, comme l'utilisation du dioxyde d'azote (CO2) ou les systèmes chimiques à absorption. Unilever, groupe auquel appartient Ben et Jerry's, a choisi de s'équiper d'ici la fin de l'année en Europe de 15.000 congélateurs fonctionnant aux hydrocarbures (HC). Seulement la technologie reste interdite aux Etats-Unis et en Europe dans les établissements recevant du public puisque les HC sont inflammables. Unilever s'est donc aussi intéressé à la thermoacoustique en finançant à hauteur de 600.000 dollars (480.000 euros) le programme de recherche de l'équipe de Penn State. Le principe du congélateur testé par Ben et Jerry's apparaît simple: un haut-parleur engendre une onde acoustique très forte (190 décibels environ) qui permet de créer des zones de compression, donc à haute température, et des zones de détente, donc à basse température. En jouant sur la forme de la chambre et sur la fréquence - le gaz est comprimé et détendu environ 100 fois par seconde – Steven Garrett a réalisé un prototype où le gaz est refroidi à un bout de la chambre et réchauffé à l'autre bout. Il évacue la source chaude et utilise la source froide pour faire fonctionner le congélateur par l'intermédiaire d'un échangeur de chaleur helium/éthanol. Ce processus peut se faire avec n'importe quel gaz inerte, comme l'argon ou le xénon, et donc sans polluant. L'équipe américaine a choisi l'hélium car il permet de bons échanges thermiques. «Le processus n'a pas de limite technique. On peut aller facilement jusqu'à –200°C, bien au-delà de ce que sont capables de faire les HFC», commente Maurice Xavier François, thermoacousticien à Paris VI qui a fabriqué un procédé similaire. Il n'a néanmoins pas que des avantages. «L'énergie est un peu plus difficile à transmettre avec l'hélium car il n'y a pas d'échange par chaleur latente», estime Robert Smith, de l'équipe de Penn State.

Ce qui n'est pas le cas pour les HFC. Ils arrivent en phase liquide dans l'évaporateur, donc transfèrent beaucoup plus facilement leur énergie au système à refroidir. Pour le moment, le prototype acoustique de Ben et Jerry's nécessite un réseau secondaire qui fonctionne à l'éthanol liquide pour refroidir le congélateur. Cela induit une consommation plus grande que les appareils à compression mécanique. «Dans un système classique, le compresseur fait aussi office de pompe pour faire circuler le fluide entre l'évaporateur et le condenseur. Avec notre prototype actuel, nous utilisons des pompes supplémentaires pour faire circuler l'éthanol. Mais nous travaillons sur d'autres systèmes», explique Robert Smith. Les chercheurs demeurent optimistes car ils peuvent encore améliorer l'efficacité énergétique de leur système. L'équipe a déposé un brevet en 1999 et fondé cette année sa start-up, Thermoacoustics corporation. Selon Bob Smith, «nous n'avons pas encore décidé quelle est la meilleure application d'un point de vue commercial.» Le chercheur Maurice Xavier François estime tout de même qu'il va être difficile de s'implanter sur le marché des réfrigérateurs: «Il y a trop de concurrence. Mais pour les systèmes de congélation qui demandent des températures beaucoup plus basses,-110°C, -200°C, le marché est plus ouvert.» D'autres pistes sont envisagées comme le refroidissement des microprocesseurs, ou encore la climatisation.


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