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Transports Terrestres Durables (TTD)
Edition 2011


ELEC-HP


Pompes à chaleur à haute efficacité énergétique pour véhicules électrifiés routiers et ferroviaires

Développement générique de pompes à chaleur électriques pour des véhicules électriques et des véhicules ferroviaires
Conception d’échangeurs innovants en vue de limiter la formation du givre
Conception système d’intégration pour gérer le givrage et le dégivrage
Conception système pour récupérer et valoriser les chaleurs disponibles
Démonstration sur un pilote.

Chauffer les véhicules électriques en divisant par 3 la consommation due au chauffage
Le projet ELEC-HP vise à développer de manière générique une famille de pompes à chaleur embarquées qui se substituent au chauffage par résistance électrique Les verrous à lever sont :
- l'usage d'un fluide frigorigène dont le GWP est < 150, qui présente de bonnes performances énergétiques en chauffage pour une température extérieure de -20 °C et en rafraîchissement pour une température extérieure de + 40 °C
- la conception d'échangeurs entièrement brasé en aluminium, avec une conception d'ailettes optimisée pour une meilleure gestion des cycles de givrage/dégivrage
- la conception de nouvelles stratégies de dégivrage sans inversion de cycle et n’impactant pas le confort dans l’habitacle
- le développement, pour les véhicules routiers, de stratégies de pré-conditionnement incluant du stockage d’énergie
- la conception de systèmes de diffusion de la chaleur et de la fraîcheur au plus près des passagers pour améliorer le ratio énergie utile/énergie produite.
Les enjeux pour les véhicules électriques est de réduire de plus de 50 % la consommation annualisée du confort thermique et d’obtenir des gains d’autonomie de plus de 50 % sur les périodes froides à forte occurrence (-5 °C / +5 °C) par rapport à un chauffage résistif. Les enjeux pour les véhicules ferroviaires sont de limiter d’au moins un facteur trois la consommation d’énergie qui est assurée actuellement par des résistances électriques et d’améliorer le confort ressenti par les passagers via une meilleure diffusion de la chaleur.

Articulation simulations / conception innovante / essais de composants / intégration système.
La première voie d’innovation réside dans la conception, la simulation et la mise au point de générateurs de tourbillons permettant l’amplification des échanges de chaleur et la gestion du dépôt de givre. Cette gestion est duale soit par une gestion des rangs de l’échangeur pour que l’un soit le bouclier de l’autre, soit par limitation du dépôt solide.
La deuxième voie d’innovation est associée à la conception système à plusieurs échelles : échelle de l’échangeur pour la gestion du dépôt de givrage et du dégivrage, échelle de la pompe à chaleur pour minimiser les pertes énergétiques dues au dégivrage, échelle du véhicule pour minimiser les besoins et récupérer l’énergie sur l’air extrait, échelle de l’usager pour fournir juste la quantité d’énergie nécessaire.

Résultats

Résultats majeurs du projet :
- stratégies de dégivrage à faible impact énergétique
- conception d’évaporateur-condenseur à faible dépôt de givre (en cours)
- développement système d’une pompe à chaleur inversable fonctionnant de -20°C à +40°C (à venir)

Perspectives

Développement de nouveaux systèmes de pompe à chaleur utilisant les mêmes types d’échangeurs et les mêmes types de concept de gestion du givrage et du dégivrage pour les véhicules électriques et les véhicules ferroviaires.

Productions scientifiques et brevets

En cours

Partenaires

ARMINES ASSOCIATION POUR LA RECHERCHE ET LE DEVELOPPEMENT DES METHODES ET PROCESSUS INDUSTRIELS (ARMINES)

ATSA ALSTOM TRANSPORT SA

ENSMA LET ECOLE NATIONALE SUPERIEURE DE MECANIQUE ET D'AEROTECHNIQUE (ENSMA)

ERIE ERIE

VALEO Systèmes Thermiques VALEO SYSTEMES THERMIQUES

Aide de l'ANR 893 706 euros
Début et durée du projet scientifique octobre 2011 - 36 mois

Résumé de soumission

Ce projet vise à développer de manière générique une famille de pompes à chaleur embarquées qui se substituent au chauffage par résistance électrique. Il faut pour cela concevoir et/ou adapter des architectures et composants qui permettent de réaliser des pompes à chaleur embarquées inversables (fonctionnement en rafraîchissement et en chauffage), à haute efficacité énergétique, fiables et adaptées aux véhicules électrifiés et aux trains, utilisant un compresseur électrique.
Les verrous à lever sont :
- d’utiliser une fluide frigorigène dont le GWP est inférieur à 150 et qui présente de bonnes performances énergétiques en chauffage pour une température extérieure de
-30 °C mais aussi en rafraîchissement pour une température extérieure de + 40 °C ;
- de concevoir des échangeurs entièrement en aluminium brasé, avec une nouvelle conception des ailettes, optimisée pour une meilleure gestion des cycles de givrage et dégivrage, qui se révèle être un enjeu majeur pour rendre robuste et pérenniser l’utilisation de pompes à chaleur dans les transports ;
- de concevoir de nouvelles stratégies de dégivrage qui n’inversent pas le cycle et n’impactent pas le confort dans l’habitacle ;
- de développer, pour les véhicules routiers, des stratégies de pré-conditionnement incluant du stockage d’énergie ;
- de concevoir des systèmes de diffusion de la chaleur et de la fraîcheur au plus près des passagers pour améliorer le ratio énergie utile / énergie produite.
Une fois ces verrous levés et les solutions technologiques prouvées au niveau laboratoire, deux démonstrateurs seront conçus, réalisés et testés ; un démonstrateur de pompe à chaleur de véhicule électrique préexistant sera modifié pour inclure les nouveaux échangeurs, modifier le mode de dégivrage, modifier la régulation globale du système. Pour ce faire, il faudra simuler en régime dynamique les besoins de chauffage et de refroidissement ainsi que la gestion énergétique globale associée qui est spécifique pour les véhicules hybrides rechargeables, les véhicules électriques, les trains et les tramways. Les stratégies de pré-conditionnement seront conçues et seront mises en œuvre. Les 2 +1 démonstrateurs de pompes à chaleur inversables seront conçus en parallèle et requièrent des développements propres :
o pour véhicule hybride rechargeable
o pour véhicule électrique
o pour une voiture de tramway.
Les trois prototypes seront réalisés dans le cadre de ce projet et seront testés pendant une année en intégrant les différentes saisons. Ceci permettra le système en pompe à chaleur et en système de climatisation. Pour cela, les prototypes seront en fonctionnement à partir du début de la troisième année du programme et les mesures seront menées pendant une année.

 

Programme ANR : Transports Terrestres Durables (TTD) 2011

Référence projet : ANR-11-VPTT-0005

Coordinateur du projet :
Monsieur Denis CLODIC (ERIE)
denis.clodic@nullerie-sas.fr

 

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L'auteur de ce résumé est le coordinateur du projet, qui est responsable du contenu de ce résumé. L'ANR décline par conséquent toute responsabilité quant à son contenu.