Groupes frigorifiques à adsorption dans la construction navale : technologie et applications

Un moteur diesel marin moderne développe des puissances considérables, mais présente également une limite fondamentale : plus de la moitié de l’énergie contenue dans le carburant est dissipée sous forme de chaleur résiduelle. Les groupes frigorifiques à adsorption offrent une solution particulièrement intéressante dans la construction navale.

Au lieu de produire de l’électricité supplémentaire avec des groupes électrogènes diesel pour alimenter des installations frigorifiques mécaniques conventionnelles, les groupes frigorifiques à adsorption utilisent la chaleur résiduelle déjà disponible au niveau du système de propulsion du navire. Cette énergie thermique est alors transformée en froid utile à bord.

Cette approche devient de plus en plus pertinente dans le contexte des exigences de l’IMO en matière de réduction des émissions de CO₂ et d’efficacité énergétique, notamment l’EEDI (Energy Efficiency Design Index) et le CII (Carbon Intensity Indicator).

Les points essentiels en un coup d’œil

• Les groupes frigorifiques à adsorption utilisent une énergie thermique résiduelle déjà disponible, par exemple de l’eau chaude issue du refroidissement du moteur à environ 80 °C, réduisant ainsi le recours à des compresseurs électriques.
• De l’eau distillée est utilisée comme fluide frigorigène et présente un Global Warming Potential (GWP) nul.
• Comme le système comporte très peu de pièces mobiles, il nécessite peu de maintenance et résiste bien aux vibrations et aux conditions difficiles rencontrées en mer.
• L’utilisation de matériaux sorbants solides empêche les mouvements du fluide absorbant de perturber le fonctionnement, même lorsque le navire subit un roulis ou un tangage important.
• Des systèmes de tuyauteries durables et résistants à la corrosion en PP-RCT facilitent l’installation et contribuent à limiter les pertes thermiques dans les réseaux de distribution de chaud et de froid.

Qu’est-ce qu’un groupe frigorifique à adsorption ?

Un groupe frigorifique à adsorption est une machine frigorifique à entraînement thermique. Contrairement à un groupe frigorifique à compression traditionnel, le système ne fait pas appel à un compresseur mécanique. Son fonctionnement repose sur le phénomène physique d’adsorption. Lors de l’adsorption, un gaz se fixe à la surface poreuse d’un matériau solide.

Ce matériau solide, appelé sorbant, est installé de manière fixe dans des chambres appelées adsorbeurs. Même lorsque le navire navigue par mer agitée, le matériau sorbant reste donc en place. Cette caractéristique rend la technologie d’adsorption particulièrement robuste pour les applications maritimes.

Matériaux sorbants : zéolite et gel de silice

Les adsorbants utilisés présentent une surface interne extrêmement importante. Les matériaux les plus couramment utilisés sont le gel de silice et la zéolite. Grâce à ses pores et canaux microscopiques, un seul gramme de zéolite peut présenter une surface interne supérieure à 1 000 m². Le matériau agit ainsi comme une véritable éponge moléculaire.

Le fluide frigorigène : l’eau distillée

De l’eau distillée est utilisée comme fluide frigorigène. L’eau est facilement disponible à bord des navires, non toxique et non inflammable, tout en présentant une enthalpie de vaporisation élevée. Lorsqu’elle s’évapore, elle absorbe une quantité importante d’énergie thermique de son environnement.

Comme l’eau présente dans le groupe frigorifique à adsorption est placée sous un vide poussé, elle ne s’évapore pas à 100 °C, mais déjà à environ 3 à 5 °C. L’installation exploite ensuite la capacité du gel de silice sec ou de la zéolite à capter cette vapeur d’eau froide dans ses pores.

Comment fonctionne un groupe frigorifique à adsorption ?

Le principe d’un groupe frigorifique à adsorption peut être expliqué relativement simplement. Par nature, l’adsorption est un processus discontinu : le matériau sorbant absorbe d’abord l’humidité avant de devoir être séché ou régénéré. Les installations assurant une production continue de froid sont donc généralement constituées de deux modules fonctionnant alternativement et en opposition de phase.

Sur le plan hydraulique, un groupe frigorifique à adsorption comprend trois circuits distincts :

• le circuit d’entraînement thermique, alimenté par l’eau chaude de refroidissement du moteur du navire
• le circuit d’eau glacée, qui transporte le froid utile vers les consommateurs
• et le circuit de refroidissement, généralement couplé à un système utilisant l’eau de mer

Contrairement aux groupes frigorifiques à compression traditionnels, aucun compresseur mécanique n’est nécessaire. L’eau chaude déjà produite par les moteurs du navire joue en quelque sorte le rôle d’un compresseur thermique. La production de froid se déroule dans des chambres hermétiquement fermées sous vide poussé et suit quatre phases.

1. Désorption ou régénération

Dans la première chambre, le matériau sorbant, par exemple le gel de silice, est saturé d’eau. De l’eau chaude d’environ 70 à 90 °C, provenant du circuit haute température du moteur principal ou auxiliaire, est envoyée vers l’adsorbeur. Cette chaleur provoque l’évaporation de l’eau retenue dans les pores microscopiques du matériau sorbant. L’adsorbant est ainsi séché et régénéré. Ce processus est appelé désorption.

2. Condensation

La vapeur d’eau chaude libérée se dirige ensuite vers le condenseur. Elle y est refroidie, via des échangeurs thermiques, par le circuit de refroidissement du navire, généralement alimenté en eau de mer. La vapeur d’eau cède sa chaleur, se condense et redevient de l’eau liquide.

3. Évaporation et production de froid

Le fluide frigorigène liquide est ensuite dirigé vers l’évaporateur via une vanne. Le vide joue ici un rôle essentiel. Avec une pression de fonctionnement de seulement 10 mbar, par exemple, l’eau ne s’évapore plus à 100 °C, mais déjà à environ 5 à 7 °C. Pour passer de l’état liquide à l’état gazeux, l’eau a besoin d’énergie d’évaporation. Cette énergie est prélevée au circuit d’eau glacée.

C’est à ce moment-là que le froid utile est produit.

4. Adsorption

La vapeur d’eau froide provenant de l’évaporateur se dirige ensuite vers la deuxième chambre. Celle-ci contient du gel de silice ou de la zéolite sèche, qui fixe de nouveau la vapeur d’eau. Ce processus est appelé adsorption. Cette liaison libère de la chaleur, qui doit être évacuée en continu via le circuit de refroidissement utilisant l’eau de mer. Une fois le matériau sorbant saturé, le système commute et le cycle recommence.

Refroidissement par adsorption dans la construction navale : sources de chaleur et applications

Un navire moderne constitue un environnement technique largement autonome. Il doit parfois pouvoir fonctionner pendant plusieurs semaines, voire plusieurs mois, sans dépendre d’infrastructures à terre. Une gestion thermique efficace constitue donc un élément essentiel de la conception navale. Mais pourquoi le froid est-il nécessaire à bord ? On peut distinguer quatre grands domaines d’application :

• climatisation et CVC pour les passagers et l’équipage
• refroidissement de l’électronique sensible, des locaux serveurs et des installations IT
• conservation réfrigérée des denrées alimentaires pendant les longues traversées
• et réfrigération des marchandises afin de maintenir la chaîne du froid, notamment pour les conteneurs frigorifiques

Toutes ces applications présentent une caractéristique commune importante. Lorsqu’elles sont refroidies exclusivement à l’aide de groupes frigorifiques à compression entraînés électriquement, elles consomment de grandes quantités d’électricité. Cette électricité doit être produite à bord par des groupes électrogènes diesel ou des moteurs auxiliaires. Cela augmente à la fois la consommation de carburant et les émissions.

Les groupes frigorifiques à adsorption offrent une alternative en produisant en continu de l’eau glacée à environ 5 à 7 °C à partir de chaleur résiduelle disponible. Ils peuvent donc être particulièrement intéressants en soutien de grands consommateurs d’énergie tels que le refroidissement des cabines et celui des locaux techniques ou serveurs.

Rendement d’un groupe frigorifique à adsorption en pratique

Les professionnels habitués aux systèmes frigorifiques conventionnels peuvent être surpris par le rendement d’un groupe frigorifique à adsorption. Le COP (Coefficient of Performance) se situe généralement entre environ 0,5 et 0,7. Cela signifie que 100 kW d’énergie thermique d’entraînement permettent de produire environ 50 à 70 kW de puissance frigorifique. Sur le papier, cette valeur peut sembler relativement faible.

À bord d’un navire, l’évaluation économique et environnementale est toutefois différente. L’énergie thermique utilisée provient en effet de chaleur résiduelle qui serait autrement rejetée en mer par le système de refroidissement. Le fonctionnement propre du groupe frigorifique à adsorption ne nécessite qu’une quantité limitée d’électricité, principalement pour les pompes de circulation, les pompes à vide et les capteurs.

La chaleur résiduelle disponible est ainsi transformée en une énergie utile.

Avantages et limites du refroidissement par adsorption dans les applications maritimes

Le refroidissement à entraînement thermique peut répondre simultanément à plusieurs défis importants auxquels la navigation moderne est confrontée.

Réduction de la consommation électrique

Les groupes frigorifiques à compression conventionnels font partie des principaux consommateurs d’électricité à bord. En utilisant la chaleur résiduelle existante comme source d’énergie, un groupe frigorifique à adsorption peut réduire considérablement les besoins électriques liés à la production de froid. Selon l’article source, la consommation électrique associée au refroidissement peut être réduite de jusqu’à 80 %.

Les moteurs auxiliaires sont ainsi moins sollicités, la consommation de carburant diminue et la performance CII du navire peut également s’améliorer.

Fonctionnement robuste en mer agitée

Un navire est continuellement soumis au roulis, au tangage et aux vibrations. Dans les groupes frigorifiques à absorption, qui utilisent des absorbants liquides, ces mouvements peuvent avoir une influence sur le fonctionnement du système. Un groupe frigorifique à adsorption utilise au contraire un matériau solide tel que le gel de silice ou la zéolite.

Comme ce matériau ne se déplace pas, le processus reste stable même lorsque la mer est agitée.

Usure mécanique limitée

L’absence de grand compresseur mécanique signifie que le système comporte relativement peu de pièces mobiles. Les principaux composants mobiles sont les pompes de circulation et les pompes à vide. Cela limite l’usure mécanique et peut prolonger les intervalles de maintenance tout en réduisant le besoin en pièces de rechange.

Fluide frigorigène respectueux de l’environnement

De nombreux fluides frigorigènes traditionnels font l’objet d’une réglementation de plus en plus stricte en raison de leur contribution à l’effet de serre. Les groupes frigorifiques à adsorption utilisent au contraire de l’eau pure comme fluide frigorigène. L’eau est :

• non toxique
• non inflammable
• et présente un GWP nul

En cas de fuite, elle n’entraîne donc pas de problème environnemental comparable à celui des fluides frigorigènes fluorés.

Contribution aux exigences d’efficacité plus strictes

Depuis 2023, le transport maritime international est soumis à des exigences plus strictes de l’IMO en matière d’efficacité énergétique et d’intensité carbone, notamment EEXI et CII. Comme l’électricité à bord est généralement produite par des moteurs à combustion, chaque kilowattheure économisé permet également de réduire la consommation de carburant et les émissions associées.

Les technologies capables de valoriser la chaleur résiduelle existante peuvent donc contribuer de manière intéressante à la décarbonation du transport maritime. Dans le cadre du projet européen de recherche ENGIMMONIA, ce type de technologie est par exemple testé à bord du ferry de passagers F/B Elyros, où la chaleur résiduelle des moteurs est utilisée pour le refroidissement de grandes zones passagers.

Refroidissement par adsorption dans la construction navale : exigences pour le réseau de tuyauteries

Même le groupe frigorifique à adsorption le plus performant installé dans la salle des machines perd une partie importante de son intérêt technique et économique si le froid produit est perdu lors de son transport vers les consommateurs. Sur les grands navires de charge et les navires de croisière, l’eau refroidie à environ 5 à 7 °C dans l’évaporateur doit parfois être distribuée sur plusieurs centaines de mètres.

Elle peut notamment alimenter :

• les centrales de traitement d’air des cabines
• les chambres froides destinées aux denrées alimentaires
• les locaux serveurs
• les locaux techniques
• et d’autres consommateurs CVC

La qualité du système dans son ensemble dépend donc fortement de la distribution du fluide caloporteur froid. Les conditions maritimes imposent des exigences particulièrement élevées aux systèmes de tuyauteries.

Environnement corrosif

L’air marin salin peut provoquer une corrosion extérieure importante des tuyauteries métalliques conventionnelles. Dans certaines conditions, de la corrosion ou de la corrosion par piqûres peut également se développer à l’intérieur du réseau.

Formation de condensation

L’humidité élevée de l’air en environnement marin constitue un défi important pour les conduites d’eau glacée. Les métaux présentent une conductivité thermique élevée. Lorsque l’isolation d’une conduite métallique est incomplète ou endommagée, de la condensation peut rapidement apparaître sur la surface froide de la conduite.

Poids

Les tuyauteries métalliques présentent un poids propre relativement élevé. Dans la construction navale, chaque kilogramme compte. Un poids plus élevé entraîne un tirant d’eau plus important et peut augmenter la résistance hydrodynamique, ce qui peut finalement se traduire par une consommation de carburant supérieure.

aquatherm blue pour les réseaux de refroidissement à bord

Pour réaliser un circuit thermique sûr, durable et efficace, des systèmes de tuyauteries en matière synthétique tels que aquatherm blue peuvent constituer une solution intéressante. Le système en PP-RCT haute performance est spécifiquement conçu pour les applications de refroidissement et de climatisation et présente également plusieurs avantages dans les installations maritimes.

Résistant à la corrosion

Le polypropylène ne réagit pas à l’air marin salin ou à l’eau de mer comme les matériaux métalliques. Il n’est donc pas sensible à la corrosion classique ni à la corrosion par piqûres. La formation de dépôts est également fortement limitée.

Faible conductivité thermique

Les matières synthétiques présentent une conductivité thermique nettement inférieure à celle des métaux. Le froid contenu dans le fluide est donc moins rapidement transmis à l’environnement. Cela contribue non seulement à limiter les pertes énergétiques, mais peut également réduire le risque de condensation à la surface des conduites.

Réduction du poids

aquatherm blue est nettement plus léger que les systèmes de tuyauteries en acier ou en cuivre. Sur de grands réseaux à bord, cela peut représenter une réduction importante du poids total. La manutention, la préfabrication et le montage au chantier naval sont également facilités.

Connexion homogène du même matériau

Le tube et le raccord sont assemblés par fusion thermique et forment une liaison homogène du même matériau. Contrairement à certaines connexions mécaniques, cette liaison ne nécessite pas de matériaux d’étanchéité supplémentaires susceptibles d’être sollicités par les vibrations permanentes. La connexion est ainsi particulièrement adaptée aux conditions dynamiques rencontrées à bord.

Conclusion : valoriser efficacement la chaleur résiduelle à bord grâce au refroidissement par adsorption

Le secteur maritime doit relever le défi de réduire fortement sa consommation de carburant et ses émissions. Les groupes frigorifiques à adsorption peuvent apporter une contribution intéressante à cet objectif. Ils transforment directement la chaleur résiduelle déjà disponible au niveau des moteurs du navire en froid utile et réduisent ainsi le recours aux groupes frigorifiques à compression entraînés électriquement.

Selon l’article source, cette technologie peut permettre de réduire de jusqu’à 80 % la consommation électrique liée au refroidissement. L’utilisation de l’eau comme fluide frigorigène et de matériaux sorbants solides tels que le gel de silice ou la zéolite rend en outre cette technologie particulièrement adaptée aux conditions dynamiques et exigeantes en mer. L’efficacité de la production de froid ne suffit toutefois pas à elle seule.

L’ensemble de l’infrastructure de distribution doit également être correctement conçu. L’air marin salin, l’humidité élevée et les vibrations permanentes imposent des contraintes importantes aux systèmes de tuyauteries métalliques traditionnels. Une solution durable pour la distribution d’eau glacée à bord nécessite donc également un choix de matériau tenant compte de la corrosion, des pertes thermiques, de la condensation et du poids.

Des systèmes de tuyauteries légers et résistants à la corrosion en PP-RCT, tels que aquatherm blue, peuvent contribuer à la réalisation d’un circuit de refroidissement fiable et efficace.

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