La pompe à chaleur au CO2 redéfinit l’efficacité des véhicules électriques
L’essor des véhicules électriques (VE) a transformé le paysage automobile, mais un défi persistant mine leur adoption généralisée : la gestion énergétique en conditions hivernales. Contrairement aux véhicules à moteur thermique, qui bénéficient de la chaleur résiduelle de leur moteur pour chauffer l’habitacle, les VE doivent puiser directement dans leur batterie haute tension pour assurer le confort thermique. Cette dépendance à des systèmes de chauffage électrique, souvent basés sur des résistances PTC (Coefficient de Température Positif), entraîne une perte substantielle d’autonomie, particulièrement marquée par temps froid. Cette « anxiété d’autonomie » reste un frein psychologique majeur pour de nombreux consommateurs. Une percée technologique récente, pourtant, pourrait balayer ce problème. Des chercheurs chinois ont mené une étude approfondie qui démontre que les pompes à chaleur utilisant du dioxyde de carbone (CO2 ou R744) comme fluide frigorigène naturel non seulement fonctionnent efficacement par grand froid, mais surpassent largement les systèmes conventionnels en termes de performance et d’économie d’énergie.
Publiée dans la revue Chinese Journal of Refrigeration Technology, cette recherche apporte une preuve empirique solide, basée sur des tests en conditions réelles, que le CO2 est bien plus qu’une alternative écologique : c’est une solution supérieure sur le plan technique. L’équipe, composée de scientifiques de l’Université Jilin, en collaboration avec des ingénieurs de Wuhu Chery Technology et d’Ethernal Automotive Technology, a conçu et testé un système de pompe à chaleur au CO2 sur des véhicules en circulation. Les résultats sont éloquents : le système a maintenu un chauffage confortable et stable, même à des températures ambiantes aussi basses que -23 °C, tout en réduisant la consommation d’énergie de près d’un tiers par rapport à un système de référence utilisant le R134a assisté par un chauffage PTC. Cette avancée ne se limite pas à une amélioration marginale ; elle promet de redéfinir les attentes en matière de performance hivernale des véhicules électriques.
Le cœur de cette innovation réside dans le choix du fluide frigorigène. Le R134a, longtemps le standard de l’industrie, est désormais critiqué pour son potentiel de réchauffement global (PRG) élevé, estimé à 1 300. Dans un contexte de transition écologique et de réglementations de plus en plus strictes, comme l’Accord de Kigali, qui vise à éliminer progressivement les fluides à haut PRG, l’industrie automobile est contrainte de trouver des alternatives durables. Le CO2 s’impose comme un candidat idéal. Il possède un PRG de seulement 1, un potentiel de destruction de l’ozone nul, et est un composé naturel, abondant et non toxique. Son adoption est donc une réponse directe aux enjeux environnementaux contemporains.
Cependant, le passage au CO2 n’est pas sans défi. Ce fluide opère dans un cycle transcritique, ce qui signifie qu’il ne subit pas une condensation classique comme les fluides conventionnels. À la place, il libère sa chaleur dans un échangeur appelé « refroidisseur de gaz », où le CO2, à haute pression et en état supercritique, transfère son énergie thermique à l’air de l’habitacle. Ce mode de fonctionnement exige des pressions de service considérablement plus élevées, souvent supérieures à 100 bars, ce qui impose des exigences plus strictes en matière de matériaux et d’étanchéité des composants. Cette complexité technique a longtemps ralenti son adoption dans les véhicules de série. L’étude en question démontre que ces obstacles peuvent être surmontés par une ingénierie soigneuse.
Le système testé est un cycle complet, capable de basculer entre le mode de chauffage et de climatisation. En mode chauffage, un compresseur à vitesse variable aspire le CO2 gazeux à basse pression et le comprime à haute pression. Le fluide supercritique chaud passe ensuite par un échangeur de chaleur interne (IHX), où il prélève de la chaleur du fluide froid revenant du côté basse pression, améliorant ainsi l’efficacité globale du cycle. Il entre ensuite dans le condenseur intérieur (ou refroidisseur de gaz), où il cède sa chaleur à l’air soufflé dans la cabine. Après avoir traversé une vanne d’expansion électronique, le CO2 s’évapore dans l’échangeur de chaleur extérieur, absorbant de la chaleur de l’air ambiant froid, avant de retourner au compresseur. L’ensemble du processus est contrôlé par un réseau de vannes solénoïdes qui inversent le flux du réfrigérant pour le mode de refroidissement.
La véritable force de cette étude réside dans sa méthodologie. Plutôt que de se contenter de tests en laboratoire, les chercheurs ont réalisé des essais sur route, soumettant les véhicules à des conditions météorologiques réelles et extrêmes. Cela confère aux résultats une crédibilité et une pertinence inestimables pour les ingénieurs et les consommateurs. Pour évaluer précisément le confort des passagers, des thermocouples de type K ont été placés à des points stratégiques : aux sorties d’air des conduits de chauffage au niveau des pieds (footwell) et directement à proximité des pieds des occupants. Cette approche permet de mesurer non seulement la température de l’air projeté, mais aussi la température ressentie, qui est le véritable indicateur de performance.
Les tests ont été menés à deux températures ambiantes critiques : -15 °C et -23 °C. À -15 °C, le système a démontré une capacité de chauffage rapide et fiable. Après 30 minutes de conduite suivies de 10 minutes de chauffage à l’arrêt, les températures de soufflage se sont stabilisées à 50,5 °C pour le conducteur et 57,9 °C pour le passager avant. Les températures mesurées au niveau des pieds ont atteint 33,1 °C et 41,5 °C respectivement, des niveaux largement supérieurs aux seuils de confort définis par les spécifications techniques du véhicule (VTS). L’écart de température entre les rangs était minime, témoignant d’une distribution de chaleur homogène.
Les résultats à -23 °C sont encore plus révélateurs. Contre toute attente, les performances du système n’ont pas diminué ; elles se sont améliorées. La température moyenne de soufflage au niveau des pieds a augmenté d’environ 2,86 % par rapport au test à -15 °C. Le conducteur a atteint une température de soufflage stable de 54 °C, tandis que le passager avant a bénéficié de 62 °C. Ce phénomène, où la performance de chauffage s’améliore à des températures ambiantes plus basses, est une caractéristique unique des systèmes au CO2. Cela s’explique par la capacité exceptionnelle du CO2 à extraire de la chaleur de l’air très froid, ce qui lui permet de fonctionner efficacement là où les systèmes traditionnels échouent et doivent s’appuyer massivement sur des chauffages d’appoint énergivores.
Pour quantifier l’avantage en efficacité, une comparaison directe a été effectuée avec un système de pompe à chaleur au R134a, assisté par un chauffage PTC. Le test de comparaison a été réalisé dans des conditions standardisées, à environ -22 °C, à une vitesse de croisière de 80 km/h. La différence de comportement a été frappante. Le système R134a s’est révélé fortement dépendant du chauffage PTC. Au démarrage, la puissance du PTC a grimpé à un pic de 8,5 kW, tandis que le compresseur consommait environ 1,2 kW supplémentaire, portant la puissance totale instantanée à près de 10 kW. En régime stabilisé, le PTC consommait encore 3,2 kW, soit une charge importante sur la batterie.
En revanche, le système au CO2 a affiché un profil de consommation bien plus sobre. Le compresseur a atteint un pic de 4,2 kW avant de se stabiliser à environ 3,2 kW, avec des fluctuations minimes. Cela signifie que la puissance moyenne du seul compresseur au CO2 était inférieure de 28,6 % à la somme de la puissance moyenne du compresseur et du chauffage PTC du système R134a. Cette économie de puissance de base se traduit par une réduction massive de la consommation d’énergie cumulée. L’analyse montre que le système au CO2 a réduit la consommation d’énergie de 35,4 % par rapport au système de référence. Pour un utilisateur, cela se traduit par une préservation significative de l’autonomie. Un véhicule qui pourrait perdre 40 % de son autonomie par grand froid avec un système conventionnel pourrait voir cette perte réduite à 25 % ou moins, étendant effectivement sa portée utile de dizaines de kilomètres.
Cette efficacité supérieure a des implications profondes. Elle ne se limite pas à une batterie mieux préservée ; elle transforme l’expérience utilisateur. Les conducteurs peuvent désormais envisager des trajets longue distance en hiver sans craindre de se retrouver à court de batterie. Cela élimine un des principaux arguments contre l’achat d’un VE dans les régions aux hivers rigoureux. De plus, le fonctionnement plus stable du système au CO2, avec une puissance quasi-constante, est plus favorable pour la gestion énergétique globale du véhicule, réduisant les pics de demande sur le réseau électrique haute tension.
L’adoption du CO2 est également une décision stratégique pour les constructeurs. Elle leur permet de se positionner comme des pionniers de la durabilité, en anticipant les futures réglementations environnementales. En intégrant cette technologie dès maintenant, ils évitent de coûteux reconditionnements futurs et renforcent l’image de leurs véhicules comme étant non seulement électriques, mais véritablement écologiques de bout en bout.
Bien que les composants haute pression puissent entraîner un coût initial plus élevé, l’histoire de l’industrie automobile montre que ces coûts diminuent rapidement avec l’échelle de production. Les bénéfices à long terme en termes d’autonomie, d’efficacité et de conformité réglementaire sont si substantiels qu’ils justifient largement l’investissement. En outre, la technologie ouvre la voie à une gestion thermique intégrée. Le système pourrait potentiellement récupérer la chaleur résiduelle des batteries, du moteur et de l’électronique de puissance pour la réinjecter dans l’habitacle, maximisant ainsi l’efficacité énergétique globale du véhicule.
La fiabilité démontrée lors des tests en conditions extrêmes est un autre argument décisif. Le système a fonctionné de manière constante et fiable, sans signe de défaillance ou de dégradation, prouvant qu’il est prêt pour la production de masse. Cette robustesse est essentielle pour gagner la confiance des consommateurs.
En conclusion, cette étude représente bien plus qu’une simple avancée technique. Elle fournit une validation indépendante et rigoureuse qu’une pompe à chaleur au CO2 est la solution optimale pour le chauffage des véhicules électriques. Elle combine de manière inégalée performance, efficacité énergétique et durabilité environnementale. Pour l’industrie, elle offre une feuille de route claire vers une mobilité électrique plus performante et plus accessible. Pour les consommateurs, elle promet un avenir où la conduite d’un véhicule électrique en hiver n’est plus un compromis, mais une expérience confortable, pratique et sans anxiété. Le dioxyde de carbone, souvent perçu comme un problème, pourrait bien être une partie de la solution pour une mobilité zéro émission.
Par Lou Hui (Wuhu Chery Technology Co., Ltd.), Wang Jun (Ethermal Automotive Technology (Changshu) Co., Ltd.), Teng Haixu, Liu Guidan, Li Xiaotong, Li Bin (State Key Laboratory of Automotive Simulation and Control, Jilin University). Publié dans Chinese Journal of Refrigeration Technology, DOI: 10.3969/j.issn.2095-4468.2024.04.206