L’Allemagne a placé la barre très haut pour la transition énergétique : la part des énergies renouvelables doit ainsi atteindre 80 % de la consommation d’électricité d'ici 2050. Avec le développement de l'éolien, du photovoltaïque et d’autres sources d'énergie renouvelables ainsi qu'avec l'électrification croissante de la société, le monde économique, politique et scientifique doit faire face à un grand défi : l'énergie produite de manière décentralisée doit être stockée de manière efficace et surtout durable en cas de surproduction afin de pouvoir être injectée dans le réseau lors des pics de consommation. Il existe un concept très prometteur dans le secteur de l'énergie qui s'appelle le « Power to Gas ». Il s’agit de produire du méthane à partir d’énergie éolienne ou solaire par électrolyse et méthanation. L’énergie est ainsi stockée sous forme de gaz et peut être récupérée si besoin est. Dans le secteur automobile, la méthanation pourrait aider à une plus large diffusion des véhicules fonctionnant au gaz. Le méthane requis pourrait en effet être produit de façon écologique. Des chercheurs du monde entier travaillent d’arrache-pied pour rendre cette technologie plus simple et économiquement envisageable, en particulier l’institut Max-Planck pour la dynamique des systèmes techniques complexes de Magdebourg qui travaille dans ce domaine de recherche depuis déjà sept ans. Pour ses travaux, l’institut utilise dans son installation pilote une installation de thermorégulation de LAUDA qui doit répondre aux besoins très spécifiques des chercheurs.
Refroidissement rapide et très précis exigé
Le département Systèmes de chauffage et de refroidissement LAUDA, la branche industrielle du fabricant d’appareils de thermorégulation LAUDA, conçoit et fabrique des installations de thermorégulation sur mesure parfaitement adaptées au souhait du client. Il a ainsi conçu une installation de thermorégulation de type ITH 350 pour l’institut Max-Planck. Cette installation sert à thermoréguler un réacteur. Pour cela, l’installation LAUDA doit pouvoir assurer un refroidissement de 100 Kelvin par minute, sans dépassement vers le bas à la fin. Elle doit donc refroidir très rapidement, mais ne pas aller en-deçà d’un point de température déterminé pour ne pas compromettre le processus effectif. Cela constituait un défi, même pour les ingénieurs de LAUDA, car les installations de thermorégulation sont généralement utilisées avant tout pour assurer des températures constantes. Pour le projet de recherche de l’institut Max-Planck, l’installation devait au contraire refroidir de façon très réactive.
Refroidissement de 340 °C à 150 °C en quelques minutes – avec précision
La réaction de méthanation produit beaucoup de chaleur et de fortes températures qui peuvent endommager le réacteur et surtout le catalyseur. Jusqu’à présent, de tels processus étaient généralement lancés lentement, puis fonctionnaient de manière constante pendant des semaines. « Nous essayons tout d’abord de voir avec quel dynamisme ce processus peut fonctionner et en déduisons de premières approches pour de nouvelles stratégies de fonctionnement ou conceptions de réacteur. De premiers résultats très prometteurs basés sur des calculs informatiques ont déjà été obtenus. Nous voulons maintenant vérifier ces résultats avec l’installation pilote », déclare Jens Bremer, le chef de projet, pour présenter l’objectif des chercheurs. Les attentes envers la thermorégulation sont donc très élevées. L’installation de thermorégulation LAUDA fournit la précision requise. « La performance et la dynamique du réacteur dépendent beaucoup de son refroidissement. Une thermorégulation réglable rapidement permet de pouvoir réagir en souplesse aux influences extérieures, par exemple une baisse de l'alimentation en hydrogène, sans avoir à arrêter le réacteur », précise Jens Bremer.
Pendant le processus, le réacteur est chauffé électriquement à 340 °C. À partir d’une température définie, une réaction exothermique se produit qui doit impérativement être refroidie brusquement à 150 °C. Une vanne électronique, utilisée normalement comme organe régulateur, serait beaucoup trop lente dans ce cas précis. En fonction de la grandeur réglante, la capacité de refroidissement peut être modifiée à l’aide de la vanne. En cas de refroidissement avec de l’eau, la capacité de refroidissement est normalement limitée afin de préserver les matériaux des écarts importants de température. Dans ce cas précis, la tâche exigeait cependant une ouverture rapide afin d’atteindre la vitesse de refroidissement requise sans soumettre le matériel à une trop forte sollicitation. Les ingénieurs LAUDA ont donc mis en place un distributeur pneumatique 3 voies qui s’ouvre en seulement deux secondes afin de garantir un refroidissement du fluide caloporteur de plus de 150 °C par minute.
L’installation de thermorégulation comprend deux circuits de thermorégulation. Alors que le premier circuit thermorégule un récipient tampon, le second circuit thermorégule le montage d’essai de l’institut Max-Planck. Les deux circuits sont reliés l’un à l’autre par le réservoir de fluide car ils utilisent le même fluide. Le client exigeait également que le fluide caloporteur choisi puisse être utilisé jusqu’à 350 °C. LAUDA a donc opté pour une huile thermique qui satisfait aux exigences élevées du matériel.
Exigences spécifiques du client satisfaites
LAUDA a conçu et fabriqué cette installation de thermorégulation spéciale selon les souhaits de l’institut Max-Planck. Le faible espace disponible a été pris en compte dès la phase de développement sur ordinateur. L’installation devait en effet loger dans un dôme de sécurité spécial, ce qui nécessita d’installer les armoires de commande sur le côté. Les raccords se trouvent, comme le souhaitait le client, en partie sous l’appareil. L’installation fut livrée par LAUDA à Magdebourg en deux parties, puis placée dans le coffrage en verre de sécurité à l’aide d’une grue.
Cette installation de thermorégulation pour la recherche dans le domaine de la méthanation est déjà la deuxième installation que LAUDA fournit à l’institut Max-Planck. On est là-bas plus que satisfait des prestations du fabricant d’installations de thermorégulation : « Du premier développement du concept jusqu’à la mise en place finale sur site, nous avons été très bien conseillés et accompagnés. Aucun autre fabricant contacté n’a pu apporter cette flexibilité pour notre tâche spécifique », explique le chef de projet Jens Bremer.
