Compatibilité et interactions des fluides caloporteurs géothermiques

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1 Compatibilité et interactions des fluides caloporteurs géothermiques 12 mai 2014; Patrick Lambert, ing, CGD, M.M.T. Président de Geo-Energie inc.

2 Objectifs Démystifier les aspects suivants des fluides caloporteurs: PRINCIPES GÉNÉRAUX CADRE NORMATIF CANADIEN CONCENTRATION vs VISCOSITÉ ET POMPAGE INHIBITEURS ET INTERACTION

3 Allons-y! SVP Conservez vos questions pour la fin

4 Terminologie Fluide caloporteur (géothermie) : Fluide (normalement liquide) que l'on fait circuler pour extraire ou dissiper de l'énergie sous forme de chaleur, d'une source d'énergie à une charge thermique. Contient normalement un antigel Biocide : (étymologiquement : bio + cide = «qui tue la vie») désigne une large famille de substances chimiques qui regroupe les pesticides, les antiparasitaires et les antibiotiques médicaux, domestiques ou industriels. Inhibiteur: Substance que l'on incorpore en faibles quantités dans un produit pétrolier, pour ralentir certains phénomènes indésirables.

5 Condenseur Principes Généraux Serpentin à l air C REF 1,0 0 C EWT C LWT Boucle de sol Évaporateur Valve d expansion Valve réversible Valve à 3 voies Valve de dérivation Compresseur

6 Principes Généraux POURQUOI EN UTILISE-T-ON? La protection à l'antigel est nécessaire pour les systèmes dont la température minimale de la boucle risque d'être inférieure à 41 F (5 C). (CSA C-448) La température du réfrigérant dans l'évaporateur sera d'environ 10 F (5.5 C) inférieure à la température du caloporteur à la sortie de l'évaporateur. Il y a donc risque de formation de glace dans l'évaporateur.

7 Principes Généraux LWT (température du caloporteur à la sortie de l'évaporateur) est normalement de 4 à 10 F inférieure à EWT (température du caloporteur à l'entrée de l'évaporateur). Des inhibiteurs de corrosion sont habituellement ajoutés aux solutions antigels pour réduire l'oxydation des matériaux de la thermopompe et de la tuyauterie intérieure. D'autres additifs sont également utilisés couramment. Le fluide caloporteur sera composé d'eau, d'un antigel admissible (le cas échéant) et d'inhibiteurs appropriés, conformément à la norme CSA-C448.

8 CADRE NORMATIF CONSIDÉRATION FONDAMENTALE: NORME CANADIENNE CSA C Organisme privé d élaboration de normes Année d édition Norme en matière de géothermie

9 CADRE NORMATIF CONSIDÉRATION FONDAMENTALE: Attention: En 2014 NORME CANADIENNE CSA C Attention: Édition du CNB Année d édition

10 Différence en matière de fluide caloporteur NORME CANADIENNE CSA C CADRE NORMATIF

11 Différence en matière de fluide caloporteur NORME CANADIENNE CSA C CADRE NORMATIF

12 Fluides Caloporteurs a) Qualité d'eau b) Glycols c) Alcools d) Inhibiteurs et additifs

13 Fluides Caloporteurs L'importance de l'eau dans le fluide caloporteur L'eau doit être de bonne qualité. Utiliser de l'eau : À osmose inversée Dé-ionisée Distillée Sinon de l'eau potable

14 Fluides Caloporteurs L'importance de l'eau dans le fluide caloporteur L'eau est le principal élément contenu dans le liquide caloporteur. Le liquide caloporteur peut réagir avec une eau de qualité insuffisante. Précipitation chimique Corrosion Dégradation de l'antigel (attaque microbiologique ou chimique) Fuites Bris

15 Fluides Caloporteurs L'importance de l'eau dans le fluide caloporteur L'objectif est d'obtenir une eau qui soit : De ph neutre (7 8) Inerte (absence de bactéries, de micro-organismes) Relativement douce (100 mg CaCO 3 /litre) Une résistivité inférieure à 50 micro-siemens (50mS) Propre!

16 Fluides Caloporteurs L'importance de l'eau dans le fluide caloporteur Plus une eau est pure (sans particules ni ions dissous), moins elle conduit l'électricité. Elle devient «résistive». La résistivité de l'eau se mesure en Ohms-cm ou en 1/ohms-cm, soit des Siemens/cm. Exemple : Eau de l'aqueduc (Boucherville) = 300 ms/cm Eau souterraine (Sorel-Tracy) = 900 ms/cm Eau de source en bouteille = 133 ms/cm Eau produite par dé-ionisation, distillation ou osmose : < 1,0 ms/cm

17 Fluides Caloporteurs L'importance de l'eau dans le fluide caloporteur Il faut être prudent lorsqu on mélange un antigel concentré avec l'eau potable que l'on retrouve au robinet d'un projet. Le fait qu'elle soit potable ne veut rien dire quant à sa compatibilité avec l'antigel qui y sera mélangé.

19 Fluides Caloporteurs Sélection et concentration de l'antigel Il existe deux principales familles d'antigels sur le marché de la géothermie canadien : Les glycols Les alcools Les glycols sont des composés chimiques organiques portant deux groupes hydroxydes (-OH). Ils font partie de la famille des diols. Au sein de cette famille, on retrouve 2 produits chimiques couramment employés en tant qu'antigels : L'éthane 1,2-diol (Éthylène-glycol) Le propane 1,2-diol (Propylène-glycol)

20 Sélection et concentration de l'antigel Fluides Caloporteurs Propylène-glycol Formule chimique : C 3 H 8 O 2 Il est utilisé en alimentation et dans les arômes liquides Il est utilisé dans les machines de spectacle (discothèque, théâtre, cinéma) et dans les cigarettes électroniques, car il permet de produire une fausse fumée (aérosol) non toxique Il est fréquemment utilisé comme antigel non corrosif dans le matériel sensible (circuits des thermopompes, circuits de capteurs solaires...) Le plus dispendieux des antigels courants. Incompatible avec le CPVC, l acier Galvanisé, l aluminium et le PVC { f([]) + T }

21 Propylène-glycol (avantages) en géothermie basse énergie Fluides Caloporteurs Non toxique Stable Non réactif Sa manipulation ne nécessite pas d'équipement de protection spécialisé Son transport n'a pas à être adapté en tant que «matière dangereuse» Son entreposage sur un site ne nécessite aucune précaution particulière Les salles mécaniques qui en contiennent n'ont pas à ajuster leur taux de ventilation ou leur système de protection incendie en conséquence Les purgeurs d'air n'ont pas à être évacués au toit Les soupapes de sûreté n'ont pas à être capturées dans des réservoirs de rétention sécurisés Les équipes d'entretien n'ont pas à suivre une formation spécialisée dans la manipulation de produits dangereux, ni à s'équiper en conséquence.

22 Propylène-glycol (désavantages) en géothermie basse énergie Fluides Caloporteurs Dispendieux Visqueux Capacité de chaleur volumétrique plus basse que l'eau Perte de 3 % à 8 % de l'efficacité du transfert de chaleur dans la thermopompe (impact négligeable sur le champ géothermique) Propension à fuir (nécessite une attention particulière des joints vissés)

24 Fluides Caloporteurs Sélection et concentration de l'antigel Les alcools Un alcool est un composé organique (comme les glycols, dont l'un des carbones est lié à un groupement hydroxyle [-OH]). L'éthanol (ou alcool éthylique) entrant dans la composition des boissons alcoolisées est un cas particulier d'alcool, mais tous les alcools ne sont pas propres à la consommation. En particulier, le méthanol est toxique et mortel à haute dose.

25 Fluides Caloporteurs Sélection et concentration de l'antigel L'éthanol Formule chimique : C 2 H 6 O Liquide incolore, miscible à l'eau en toutes proportions. L'éthanol est l'alcool qui se retrouve dans toutes les boissons alcoolisées. Son point de fusion, à l'état pur, est très bas (-117 C); ce qui en fait un excellent antigel. L'utilisation de l'éthanol n'est pas recommandée en présence de Nitrile, de Polyuréthane, d acier ou de PVC (tuyauterie, joints de pompes). Même dilué (30 %/volume), l'éthanol peut être inflammable. Viscosité comparable à celle du propylène-glycol.

26 Fluides Caloporteurs Sélection et concentration de l'antigel Le méthanol Formule chimique : CH3OH Le méthanol, également connu sous le nom d'alcool méthylique ou d'alcool de bois, souvent abrégé en MeOH. Il se présente sous la forme d'un liquide léger, volatil, incolore, inflammable et toxique. En raison de ses propriétés toxiques, le méthanol est fréquemment utilisé comme additif dénaturant pour l'éthanol fabriqué à usage industriel. Même dilué (30 %/volume), le méthanol demeure inflammable. Viscosité inférieure à celle du propylène-glycol. Capacité calorifique supérieure à celle du propylène-glycol et à celle de l'éthanol. L'utilisation du méthanol n'est pas recommandée en présence de ABS, de Polyuréthane, d exopy, de cuivre et de Viton.

27 Concentration Concentration de l'antigel Le propylène-glycol est approximativement 3 % plus lourd que l'eau. Cependant, l éthanol et le méthanol sont approximativement 18 % plus LÉGERS que l'eau. Lorsque l'on travaille avec les alcools, il est important de spécifier si la concentration requise est PAR VOLUME ou PAR POIDS. Si l'on se trompe, cela peut entraîner : Des risques de gel/bris du système (manque d'antigel) Des risques pour l'environnement et la sécurité (trop d'antigel)

28 Sélection et concentration de l'antigel Concentration

29 COMPARATIF Produit Propylèneglycol Éthanol Comparaison Concentration requise pour 16 F de protection Densité Lbs/pi³ Viscosité cps Débit requis pour Re > 2500 dans 1,25 po DR11 Perte de charge dans 1000 pi DR 11 1,25 po 25,1 %/volume 24,8 %/volume 64,51 61,74 6,59 6,30 7 gpm 7 gpm 13,80 pi 13,75 pi

30 Propriétés comparées Propriétés à T = 15 o C Point de congélation ( o C) Viscosité (mpa-s) Chaleur massique (kj/kg-k) Conductivité thermique (W/m-K) Densité (kg/m 3 ) Comparaison Eau 0 1,14 4,19 0,59 999,3 Éthanol-15 % -6,7 2,23 4,36 0,49 976,7 Éthanol-30 % -20,3 3,22 4,20 0,41 957,1 Méthanol-15 % -5,1 1,70 4,16 0,51 975,3 Méthanol-30 % -25,5 2,11 3,90 0,42 954,0 Prop.-glycol-30 % -13,1 3,61 3,91 0, Les distributeurs de propylène-glycol ne recommandent pas l'utilisation de solutions de moins de 30 %, afin d'éviter les problèmes de corrosion et de bactéries. Ajuster les niveaux d'inhibiteurs au besoin, afin de se conformer aux exigences du fabricant et aux besoins de rendement. Trop remplir la boucle d'antigel engendrerait une diminution de rendement et augmenterait l énergie de pompage.

31 Comparatif de viscosité Viscosité Il est primordial de ternir compte de la viscosité dans la sélection du type et de la concentration de liquide caloporteur Note : Le schéma est illustratif

32 Viscosité La viscosité est la caractéristique des fluides (géothermiques) ayant le plus d impact sur l efficacité de l échange thermique Nombre de Reynolds: Influencé par le DÉBIT (Vitesse dans le tuyau) Influencé par la DENSITÉ du Fluide Influencé par la VISCOSITÉ du Fluide Turbulence Influencé par l état de surface de la parois

33 Viscosité vs Perte de charges dynamiques L Équation de Darcy-Weisbach OÙ: H L Re D g v 2 N.B.: 2 0,3164 L v H L = * * 4 Re D 2g = Perte Charge totale (m, pied) = Reynolds = Diamètre Intérieur du tuyau (m,pied) = Accélération Gravitationnelle (m/sec², pied/sec²) = Vitesse d écoulement du liquide (m/sec, pied/sec) Méthode universelle, applicable pour tout liquide à toute température

34 Viscosité vs Perte de charges dynamiques Base de concept: Propylène glycol Concentration volumique requise Débit requis pour Re = 4000 à LWT Scénario A 0 0 C EWT / C LWT PEHD DR 11, DN m tuyau 20 forages 2 0,3164 L v H L = * * 4 Re D 2g Scénario B C EWT / C LWT PEHD DR 11, DN m tuyau 20 forages 25% 30% 0,719 L/sec 1,05 L/sec Viscosité à LWT 6,735 cps cps Densité à LWT g /cm g /cm 3 Perte de Charges 10,78m 23,14m Energie 60% eff. 2,53 kw 7,96 kw (314% +)

36 Inhibiteurs Il existe trois grandes familles d'inhibiteurs de corrosion qui sont utilisés régulièrement par l'industrie des fluides caloporteurs : les phosphates les molybdates les nitrites/nitrates Tous les inhibiteurs présentent des risques de précipitation si mélangés à une eau dure (haute teneur en calcaire). C'est le calcaire qui précipite et cause une diminution de l'efficacité des inhibiteurs de corrosion. L'ensemble des fournisseurs d'antigel (à base de glycol) exige un minimum de % de concentration par volume du fluide caloporteur afin de ne pas trop diluer les inhibiteurs de corrosion.

37 Inhibiteurs Étant donné l'utilisation plus large (plus stable, mais plus dispendieux) des fluides caloporteurs à base de phosphate, le risque de dilution des inhibiteurs de corrosion, lors de remplissages subséquents, est plus grand lorsqu'un fluide caloporteur contenant un inhibiteur de corrosion à base de nitrite est utilisé. Bien identifier les réseaux et former/informer les responsables de ces réseaux est un moyen de diminuer ce risque. Une identification adéquate (selon les exigences de la CCÉG), mise en évidence à proximité des points de remplissage, est également un excellent moyen d'éviter des mélanges d'inhibiteurs.

38 Inhibiteurs Les inhibiteurs de corrosion à base de nitrites sont plus sensibles aux variations de ph. Un suivi strict de l'évolution du ph du fluide caloporteur est recommandé. Le risque de dégradation du fluide caloporteur par développement bactérien est un des risques attribuables aux variations de ph. Le propylène-glycol est naturellement un biocide à une concentration supérieure à 30 %/volume. En dessous de cette concentration, il est recommandé d'ajouter une petite quantité de biocide afin de maintenir son effet.

39 Inhibiteurs Les alcools n'ont généralement aucun additif ajouté. Il faut donc s'assurer de les obtenir en quantité et en qualité suffisantes. Les inhibiteurs (corrosion, biocide) sont très dispendieux et sont difficilement disponibles. Même à faible concentration, cela peut représenter 0,20 $ à 0,45 $ du litre de fluide caloporteur géothermique à 16 F de protection. D'autres additifs peuvent être également utilisés au besoin : Stabilisateurs de ph, colorants, arômes

40 Quel est le meilleur choix de fluide caloporteur? Selon le concepteur : Viscosité à basse température La chaleur spécifique du mélange La Toxicité et l Inflammabilité du mélange (dispositifs de sécurité nécessaires) Disponibilité Durée de vie, réactivité potentielle Méthode de disposition après usage Compatibilité avec les matériaux de tuyauterie Prix

41 Conclusion Ne pas oublier les considérations importantes suivantes: Sélection de l Antigel Re > 2500 Comportement de la viscosité du liquide Inhibiteur de Corrosion Biocide Qualité de l Eau (dureté, stérilité, filtration )

42 Messages de la CCEG: Merci de votre attention! - Plans et devis Standard de la CCEG - Conférence internationale sur les thermopompes (Reine Élisabeth) du 13 au 15 mai. - Conférence Annuelle de la CCEG le 16 mai Geo-Energie inc. 486 Jean-Neveu Longueuil, QC, J4G 1N