Caractérisation d'un dispositif de stockage de froid à thermosiphon intégré dans des systèmes de réfrigération à compression de vapeur : application aux meubles de vente et à la gestion de la demande

Les systèmes alimentaires sont responsables d'environ 37 % des émissions mondiales de gaz à effet de serre, une part importante étant liée à la réfrigération. Cette thèse s'inscrit dans le projet européen ENOUGH, qui vise à réduire de 50 % les émissions de la chaîne alimentaire d'ici 2030. L'étude porte sur l'utilisation du stockage d'énergie thermique (TES) dans les systèmes de réfrigération pour la gestion de la demande en électricité (DSM), entendue comme l'ensemble des stratégies permettant d'adapter la consommation d'énergie à la disponibilité du réseau. Ici, le TES est exploité pour stocker l'énergie lors des périodes creuses et la restituer lors des pics, afin de réguler la consommation et de limiter indirectement les émissions.Dans ce contexte, un dispositif innovant de stockage du froid, dénommé Accumulateur Thermique à Thermosiphon (TTA), est proposé. Il associe un matériau à changement de phase (MCP) au principe du thermosiphon diphasique en boucle fermée, afin de maximiser les bénéfices du TES. Le TTA est intégré au cycle à compression de vapeur (VCC) d'un meuble frigorifique de vente à portes fermées (MFV). Le transfert direct de chaleur entre le réfrigérant et le MCP améliore l'efficacité globale du système. L'accumulateur s'intègre à tout système à VCC sans équipements additionnels ni perte d'espace, tout en améliorant l'efficacité thermodynamique et en évitant les coûts d'une boucle secondaire. Lors de la charge, le réfrigérant cède une partie de son énergie frigorifique au MCP avant de passer par l'évaporateur pour échanger avec l'air de l'enceinte. Pendant la phase de décharge, l'effet thermosiphon permet de restituer l'énergie stockée vers l'évaporateur sans recours à une pompe.L'objectif de ce travail est de caractériser le TTA comme solution de DSM intégrée à un MFV. Pour ce faire, des tests d'effacement électrique ont été réalisés dans diverses conditions opératoires (température ambiante, ouverture des portes, type de MCP, etc.). Le concept technique a d'abord été validé au regard de la stabilité thermique dans le MFV pendant un effacement électrique, puis la consommation énergétique et la cinétique de charge-décharge ont été évaluées. Les résultats ont montré que le TTA maintient les températures réglementaires dans le MFV sans entraîner de surconsommation énergétique.Afin d'améliorer le fonctionnement du système, des optimisations géométriques de l'accumulateur ont été étudiées à l'aide de simulations COMSOL, afin d'identifier les configurations les plus performantes en termes de cinétique et de densité de stockage. Parallèlement, la caractérisation de la boucle thermosiphon a permis d'analyser l'influence de paramètres clés et d'approfondir la compréhension des mécanismes d'écoulement, essentiels pour assurer un transfert de froid optimal entre l'accumulateur et l'évaporateur. Une évaluation économique et environnementale a également été réalisée afin de comparer le TTA aux technologies de stockage conventionnelles.Les résultats démontrent que le TTA constitue un fort potentiel pour la transition énergétique du secteur alimentaire capable d'offrir une réelle flexibilité au réseau électrique tout en garantissant la conservation des denrées alimentaires.