Quels fluides caloporteurs sont utilisés dans les systèmes solaires thermiques Demax ?

Options principales pour les fluides caloporteurs des systèmes solaires thermiques Demax

Eau : idéale pour les installations Demax à basse température et sous pression

Pour les applications solaires thermiques fonctionnant à des températures inférieures à 100 degrés Celsius, l’eau reste l’une des options les plus économiques et efficaces disponibles comme fluide caloporteur. Les propriétés avantageuses de l’eau découlent de sa capacité thermique massique relativement élevée (environ 4,18 kJ par kg·K), tout en nécessitant peu d’énergie de pompage. Lorsqu’un système Demax sous pression est utilisé pour le refroidissement, l’eau constitue un choix idéal, car elle ne peut pas bouillir et est sûre ainsi que respectueuse de l’environnement. Toutefois, l’eau gèle à 0 degré Celsius, ce qui limite le fonctionnement de ces systèmes aux régions exemptes de gel. Lorsque les systèmes risquent de geler en raison des conditions hivernales, les techniciens doivent entièrement vidanger l’eau afin d’éviter tout dommage. Des données de performance issues de logements méditerranéens continentaux montrent que, en 2023, la Fédération européenne de l’industrie solaire thermique (ESTIF) a démontré qu’un système à base d’eau atteignait une efficacité saisonnière d’environ 60 %.

Solutions axées sur la sécurité et la protection contre le gel

En ce qui concerne la protection contre le gel, les mélanges de propylène glycol et d’eau se révèlent très prometteurs. Ils restent opérationnels jusqu’à moins 30 degrés Celsius et présentent un risque moindre que les autres solutions disponibles, qui utilisent de l’éthylène glycol et peuvent s’avérer dangereuses en cas de fuite. Ces mélanges empêchent également la corrosion lorsque les systèmes sont conçus conformément aux bonnes pratiques, notamment à l’aide d’acier inoxydable et de certains autres plastiques. En revanche, les mélanges de propylène glycol et d’eau peuvent présenter une viscosité 30 à 50 % supérieure à celle de l’eau à 20 degrés Celsius, ce qui oblige les pompes à fournir un effort nettement plus important. Toutefois, grâce à leurs excellentes performances à basse température, ils constituent le fluide caloporteur privilégié dans la majorité des régions d’Amérique du Nord et d’Europe du Nord. Récemment, les fabricants ont également amélioré ces fluides en y ajoutant des produits chimiques spécifiques, protégés par des droits de propriété industrielle, qui ralentissent la dégradation du fluide. Lorsqu’ils sont testés dans des systèmes Demax à boucle fermée, conformément aux normes industrielles en vigueur, ces fluides ont une durée de vie estimée de 5 à 7 ans.

Fluides de silicone thermiquement stables et air : utilisations spécialisées dans les applications solaires thermiques sans pression et à des températures élevées

Les fluides de transfert thermique à base de silicone constituent les seuls fluides capables de fonctionner sur de longues périodes dans les systèmes solaires thermiques concentrés à boucle ouverte non sous pression, fonctionnant à des températures élevées comprises entre 200 et 400 °C. Les fluides de silicone possèdent également les capacités de transfert thermique nécessaires pour une utilisation dans la plage de hautes températures des systèmes solaires thermiques concentrés. Toutefois, les fluides caloporteurs ne sont pas utilisés dans les systèmes où l’air constitue le fluide de travail. L’air, combiné à des systèmes à boucle ouverte, assure une fiabilité de fonctionnement et une facilité de maintenance dans les systèmes solaires thermiques non sous pression. La combinaison de ces fluides spécialisés, même lorsqu’ils sont optimisés, représente moins de 15 % du total mondial des installations solaires thermiques.

Ce chiffre provient de l’analyse de marché la plus récente de l’initiative SolarPACES 2024 de l’Agence internationale de l’énergie.

Critères clés de sélection des fluides caloporteurs thermiques solaires

Stabilité thermique et résistance à la dégradation

Dans les applications solaires thermiques utilisant des fluides caloporteurs (FC), ces derniers doivent présenter une stabilité chimique à long terme, car ils sont parfois exposés à des températures avoisinant 200 degrés Celsius pendant de longues périodes (voire plusieurs années). Lorsque les fluides sont chimiquement instables, cela a des répercussions négatives sur l’ensemble du système, notamment une baisse des performances thermiques. Dans certains cas documentés, les fluides ont subi une réduction de leurs performances thermiques de 22 % sur une période de cinq ans. Cela est souvent dû à une augmentation de la viscosité causée par l’oxydation du fluide et à la formation ultérieure de boues. De telles conditions entraînent également une augmentation de la fréquence des opérations de maintenance et une diminution des performances des échangeurs de chaleur. Bien que les inhibiteurs d’oxydation puissent atténuer certains des problèmes mentionnés ci-dessus, une attention accrue doit être portée à la compatibilité à long terme des fluides avec les matériaux constitutifs du système. Des matériaux tels que le cuivre et l’aluminium, ainsi que le caoutchouc présent dans certains joints d’obturateurs, peuvent subir diverses réactions chimiques avec le fluide au fil du temps. En particulier, dans les systèmes Demax sous pression, on estime que le taux de corrosion est environ 30 % plus élevé avec des fluides stables qu’avec des fluides instables.

Ce type d'usure ne réduit pas simplement la durée de vie des équipements. Il augmente également de façon significative les budgets d'entretien à long terme.

Sélection des fluides selon les zones climatiques sur le marché solaire thermique en Amérique du Nord et en Europe

La sélection du fluide doit être rigoureusement respectée en tenant compte des extrêmes climatiques propres à la région d'installation.

1. Les pays nordiques et l'Europe centrale : Une protection jusqu'à –30 °C doit être assurée. À cet effet, un mélange de propylène glycol et d'eau dans un rapport de 50:50 constitue la norme de fait pour les déploiements Demax en climat froid, car il conserve plus de 85 % de l'efficacité de transfert thermique de l'eau.

2. La Méditerranée et le sud-ouest des États-Unis : les températures de stagnation dépassent régulièrement 300 °C. Les températures de stagnation exigent donc une stabilité à haute température combinée à une faible pression de vapeur. À cet égard, les silicones surpassent les glycols, car leur pression de vapeur est inférieure de 40 % à celle des glycols aux températures maximales de fonctionnement, réduisant ainsi la fréquence des activations des dispositifs de décharge de pression et, par conséquent, les pertes de fluide.

3. Le nord-est des États-Unis, à titre d’exemple de climat hybride : une conception offrant une double protection est nécessaire. La dernière génération de mousses hydrocarbonées conserve sa pompage à des températures inférieures à –25 °C et résiste à la dégradation thermique à des températures allant jusqu’à 290 °C. Cela permet une sécurité opérationnelle annuelle sans compromettre l’efficacité.

Bien que leur utilisation augmente la viscosité de 12 à 15 %, ce qui entraîne un effort de pompage accru et des diamètres plus importants pour les cylindres des pompes, une tendance vers l’emploi de liquides présentant une stabilité thermique supérieure se dessine, malgré les contraintes de sécurité supplémentaires qu’ils imposent.

Comparaison des performances en termes d’efficacité, de sécurité et de compatibilité système dans les applications solaires thermiques

Compromis thermophysiques liés à la chaleur spécifique, à la viscosité et à l’énergie de pompage, en relation avec le débit et le rendement énergétique solaire thermique

Les performances thermiques globales de chaque fluide ont été analysées en lien avec trois de ses caractéristiques physicochimiques : sa capacité de stockage d’énergie thermique (chaleur spécifique), son épaisseur (viscosité) et sa dégradation thermique (stabilité thermique). L’eau est un excellent absorbant d’énergie thermique (sa chaleur spécifique est d’environ 4,18 kJ par kg et par kelvin). Toutefois, l’utilisation de l’eau dans ces systèmes pose des problèmes, car les températures peuvent descendre en dessous du point de congélation. Dans ces cas, l’emploi de mélanges de glycol s’avère nécessaire, bien que ces fluides soient 30 à 50 % plus visqueux que l’eau. Cette résistance supplémentaire due à la viscosité du fluide oblige les pompes à fournir davantage de travail, ce qui entraîne généralement une augmentation de la consommation énergétique de 15 à 30 % dans les grands systèmes industriels, réduisant ainsi l’énergie solaire nette collectée. Bien que les fluides siliconés ne deviennent pas aussi visqueux lorsqu’ils sont chauffés, leur chaleur spécifique est limitée à une fourchette de 1,5 à 1,8 kJ. Par conséquent, un opérateur utilisant des fluides siliconés devrait assurer un débit deux fois supérieur à celui nécessaire avec de l’eau. Cette gestion du fluide accroît la nécessité de pompes plus volumineuses, augmente les coûts liés à l’électricité et alourdit la charge de maintenance.

Il a été confirmé par des essais réels menés sur des centrales solaires à champ parabolique que l’inadéquation entre les fluides et les pompes peut réduire la puissance thermique de 12 à 18 % au fil du temps. De façon notable, les fluides de qualité inférieure se dégradent plus rapidement et peuvent voir leur viscosité augmenter de 50 à 80 % après seulement cinq ans, ce qui affecte le débit. Par conséquent, les ingénieurs doivent évaluer rigoureusement tout nouveau fluide en tenant compte de chacun des composants du système avec lesquels il entrera en contact, y compris les réservoirs d’expansion, les vannes et, en particulier, les échangeurs de chaleur à plaques brasées.

Questions fréquemment posées

Quel est le principal avantage de l’utilisation de l’eau comme fluide caloporteur dans les systèmes Demax ?

L’eau est plus efficace pour transporter la chaleur, car sa capacité thermique massique est supérieure à celle des autres fluides. Son utilisation à basse température dans les régions exemptes de gel, ainsi que ses faibles pertes énergétiques liées au pompage, en font un fluide fortement privilégié.

Quels sont les avantages de l’utilisation de mélanges eau/glycol propylénique dans les climats froids ?

Ces mélanges sont plus visqueux que l'eau et plus sûrs que les options à base d'éthylène glycol. Ils constituent une option privilégiée dans les régions froides en raison de leur résistance aux basses températures et de leur viscosité accrue, notamment en Amérique du Nord et en Europe du Nord.

Quelles sont les caractéristiques des fluides siliconés qui permettent leur utilisation dans des applications à haute température ?

Les fluides siliconés possèdent une stabilité thermique remarquable, ce qui permet de les utiliser dans des applications à haute température, telles que les systèmes solaires thermiques à concentration. En outre, les fluides siliconés présentent des pressions de vapeur faibles, ce qui réduit au minimum les risques d'activation des dispositifs de décharge de pression aux températures maximales.

Quelles sont les implications des critères de sélection sur le climat régional lors du choix d'un fluide caloporteur ?

Pour maximiser la fiabilité et l'efficacité du système, les fluides caloporteurs offrant une protection contre le gel doivent être utilisés dans les régions froides, tandis que les fluides dotés d'une forte stabilité thermique doivent être employés dans les régions chaudes.