Agroalimentaire, papier, textile : dans de nombreux secteurs, des quantités importantes d'énergie sont rejetées à des températures insuffisantes pour être réutilisées directement. Cette chaleur dite « fatale », aux alentours de 80 °C, constitue pourtant un levier majeur d'efficacité énergétique si l'on parvient à en rehausser le niveau de température. C'est précisément l'objectif des transformateurs de chaleur à absorption développés au CEA-Liten, dans une logique de boucle énergétique fermée. « Nous recyclons en quelque sorte un déchet thermique : à partir d'une chaleur fatale à 80 °C, la machine produit de la chaleur exploitable à plus de 100 °C, en ne consommant qu'une infime quantité d'électricité, » résume Hai Trieu Phan, chercheur au CEA-Liten.

Le prototype étudié repose sur un mélange ammoniaque-eau comme fluide de travail. Contrairement aux pompes à chaleur classiques à compression mécanique (grandes consommatrices d'électricité), ce système exploite une compression thermique basée sur les phénomènes d'absorption et de désorption de l'ammoniaque dans l'eau. Le principe : à haute pression, la vapeur d'ammoniaque se réabsorbe dans l'eau lors d'une réaction exothermique qui produit de la chaleur à plus de 100°C. Les pompes du cycle ne consomment qu'une fraction infime de cette énergie, avec un coefficient de performance électrique atteignant environ 30 dans les conditions optimales.

Architecture du procédé de transformateur de chaleur à absorption, représentée dans un diagramme P-T montrant la chaleur résiduelle à température moyenne transformée en chaleur à plus haute température, avec désorption et absorption de NH₃ se produisant respectivement à basse et haute pression.

Ce démonstrateur de laboratoire de 10 kW s'appuie sur une architecture intégrant générateur, condenseur, évaporateur et absorbeur, et se distingue notamment par l'utilisation d'échangeurs à plaques — des composants compacts et commerciaux, pensés dès la conception pour faciliter une future montée en échelle industrielle.

L'étude expérimentale, publiée dans Applied Thermal Engineering*, a permis de caractériser finement le comportement du prototype sur plus de quinze heures de fonctionnement stable, en faisant varier la température de la source froide, les températures d'entrée à l'absorbeur et les débits du fluide caloporteur. Elle met en évidence un paramètre clé : le ratio entre les débits de fluide en circulation dans le cycle, qui conditionne directement les performances, mais dépend fortement de la conception mécanique du prototype et de la quantité de fluide en charge. « L'enjeu de cette étude n'était pas tant d'atteindre un record de performance que d'identifier les conditions limites de fonctionnement et les points de conception à améliorer, » souligne Lucie Desage, ingénieure-chercheuse et première auteure de la publication.

Ces résultats confirment que les performances relèvent autant de la thermodynamique que de la conception du système et de son pilotage. La stratégie de contrôle-commande de la machine reste en particulier un verrou à lever : aujourd'hui encore largement dépendante de l'expérience de l'opérateur, elle constitue une voie d'amélioration prioritaire identifiée par les chercheurs. Les travaux futurs s'orienteront vers la modélisation dynamique du système et l'optimisation du pilotage, pour préparer le passage à des échelles supérieures et, à terme, une intégration industrielle en partenariat avec des acteurs du secteur.