Le choix d'un fluide frigorigène
Il existe différents types de fluides frigorigènes sur le marché. En voici les critères de choix :
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En bref !
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L'impact environnemental |
Destruction de la couche d'ozone
Depuis 1985, on a pris conscience du rôle de destruction de l'ozone stratosphérique par les molécules chlorées. Le potentiel de destruction de l'ozone stratosphérique est mesuré par sa valeur ODP (ozone depletion potential), conventionnellement rapporté au R-11.
Les fluides frigorigènes qui couvraient alors 90 % du marché étaient le R-11, le R12, le R-22 et le R-502. Les 10 % restants correspondaient à l'utilisation de l'ammoniac, principalement dans les industries agroalimentaires (source : ADEME France).
Suite au Protocole de Montréal, trois d'entre eux sont interdits depuis 1995 : le R-11, le R12 et le R-502. Ce sont les CFC.
Les HCFC, dont tout particulièrement le R-22 utilisé en froid commercial, sont provisoirement tolérés en Région Wallonne mais leur interdiction se rapproche (probablement 2007). Ils sont interdits en Région Bruxelloise pour toute nouvelle installation, sauf si pour une application bien précise il n'y a pas d'autres possibilités (interdiction réalisée par l'IBGE via le Permis d'Environnement, donc applicable aux installations de plus de 10 kW électrique ou de 2kg de réfrigérant).
Depuis 1990 est apparue une nouvelle famille : les HFC, fluides purement fluorés, dont le R-134a est le plus connu.
Pour plus de détails sur la réglementation en matière de fluide frigorigène : cliquez ici !
Renforcement de l'effet de serre
Au sommet de Kyoto, c'est la contribution à l'effet de serre des fluides qui est cette fois mise en cause ! Si le Protocole de Kyoto n'impose pas l'arrêt de ces nouvelles HFC, toute substance chimique présentant un GWP élevé (Global Warming Potential ou potentiel de réchauffement global) est considérée comme nocive pour l'environnement. Une des options est de ne pas l'utiliser.
Les réglementations à venir créent donc des incertitudes à moyen terme quant à l'utilisation des fluides frigorigènes actuels si leur GWP est élevé.
Le choix parmi les fluides frigorigènes
Reprenons les différents fluides en fonction de leur impact environnemental dans le tableau ci-dessous. Ce tableau met bien en évidence le fait que les HFC sont en sursis. Et pourtant, il semble peu probable qu'à l'échelle mondiale, les HFC puissent disparaître rapidement, suite aux contraintes de sécurité associées au propane et au butane (inflammabilité) et à l'ammoniac (toxicité).
Et parce qu'aucune molécule chimique simple présentant l'ensemble des caractéristiques souhaitables n'est actuellement disponible.
| ODP
| GWP
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| ODP
| GWP
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CFC
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| Mélanges de HCFC |
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R-11 | 1 | 4 000 | R-404A | 0 | 3 260 |
R-12 | 0,8 | 8 500 | R-407C | 0 | 1 530 |
R-502 | 0,2 | 5 490 | R-410A | 0 | 1 730 |
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HCFC
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| Mélanges à base R-22 |
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R-22 | 0,04 | 1 700 | R-408A | 0,7 | 2 650 |
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HFC
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R-134a | 0 | 1 300 | Propane / Butane | 0 | 20 |
R-125 | 0 | 2 800 | Ammoniac | 0 | <1> |
R-143a | 0 | 3 800 | CO2 | 0 | 1 |
Remarque : certains imaginent qu'à défaut de trouver le gaz parfait, on pourrait produire le froid dans des machines frigorifiques très compactes (donc contenant peu de fluide), puis transférer le froid par des caloporteurs (eau glycolée, CO2,.). Dans ce cas, le problème du fluide ou de sa sécurité est moins crucial.
L'impact énergétique (ou qualité thermodynamique) |
Par ses propriétés thermodynamiques, le fluide frigorigène influence la consommation énergétique de la machine frigorifique. Pour illustrer ce point, nous reprenons ci-dessous les résultats d'une étude comparative entre 5 fluides différents, utilisés dans une même machine, avec les mêmes conditions de fonctionnement.
Source : ADEME, "le froid efficace dans l'industrie". Dans chaque cas, l'objectif est de produire une puissance frigorifique de 100 kW.
Hypothèses de l'étude
Analyse Les températures de refoulement de la compression indiquée sont légèrement plus élevées qu'en réalité parce que le compresseur est placé dans une situation de non-échange avec l'extérieur (adiabatique). Par exemple, le compresseur réel à l'ammoniac qui échangerait 1/10 de sa puissance sur l'arbre aurait une température au refoulement d'environ 142°C. On constate que le groupe au R-404A consomme 14 % de plus que le groupe à l'ammoniac. La machine équipée de propane n'est pas très performante non plus. Le R-134a est très performant sur le plan énergétique. Par contre, le débit volumique balayé par le compresseur est nettement plus élevé, ce qui va augmenter la taille du compresseur et des conduites d'aspiration (coût d'investissement plus élevé). L'ammoniac présente un très faible débit volumique de liquide frigorigène et donc un faible diamètre de la conduite de liquide. Reprenons les chiffres du COP frigorifique en partant d'une référence 100 pour le R-22 :
Des résultats similaires ressortent d'une autre étude relatée par l'ASHRAE, avec comme différence notable un coefficient 99 pour le R-404A. Il faut dire que ce genre d'étude est fonction des options choisies : prendre la même machine frigorifique et changer juste le fluide, ou optimiser tous les composants en fonction des caractéristiques de chaque fluide pour produire la même puissance ? Cette deuxième étude fournit les coefficients pour d'autres fluides :
A noter que les débits demandés par le R-407C sont, à 1 % près, identiques à celui du R-22 : il a justement été conçu comme fluide de remplacement. Il est malheureusement zéotrope et présente donc un glissement de température lors du changement d'état (un "glide") de 7,2 °C, ce qui lui fait perdre 5 % de rendement énergétique. Conclusion L'ammoniac et le R-134a présentent une performance énergétique meilleure, mais cet avantage n'est pas suffisant que pour conclure sur ce seul critère. |
La sécurité d'usage |
De nombreuses études poussées sont en cours sur les aspects :
- toxicité (par inhalation);
- action biologique (cancers, malformations des nouveaux-nés);
- action sur les denrées entreposées en chambre froide;
- inflammabilité.
Certains critères sont facilement quantifiables
- par la concentration limite d'exposition (exprimée en ppm);
- par la limite inférieure d'inflammabilité (concentration, en volume, dans l'air sous la pression atmosphérique).
Ce qui a permis de définir un code sécurité (Standard 34 Safety Group) :
| NH3 | R-134a | R22 | propane | butane | R-407C | R-404A | R-410A |
Conc. limite d'exposition (ppm) | 25 | 1 000 | 1 000 | 2 500 | 800 | 1 000 | 1 000 | 1 000 |
limite inf. d'inflammabilité (%) | 14,8 | - | - | 2,3 | 1,9 | - | - | - |
Code sécurité | B2 | A1 | A1 | A3 | A3 | A1 | A1 | A1 |
La toxicité de l'ammoniac et l'inflammabilité des hydrocarbures entraînent des mesures de sécurité toutes particulières pour leur usage.
La norme NBN EN 378-1 traitant des Systèmes de réfrigération et pompes à chaleur - Exigences de sécurité et d'environnement - Partie 1: Exigences de base, définitions, classification et critères de choix est une norme utilisée plutôt pour la conception, la fabrication, l'installation, le fonctionnement et la maintenance des installations frigorifiques. Cependant, elle nous donne aussi une idée précise dans l'évaluation des risques liés à l'utilisation de ces fluides.
Les contraintes techniques |
Elles sont nombreuses (niveaux de pression requis, comportement du fluide en présence d'eau, viscosité et donc tendance à fuir de l'enceinte, commodité de détection d'une fuite) et vont influencer l'efficacité et la fiabilité de l'installation.
Une des contraintes fort importantes est le couple formé par le fluide frigorigène et l'huile de lubrification.
De l'huile est nécessaire au bon fonctionnement du compresseur. Un séparateur d'huile est prévu à la sortie du compresseur, mais son efficacité n'est jamais totale. Et la petite quantité d'huile entraînée par le fluide risque de se déposer au fond de l'évaporateur (basse température et faible vitesse). L'échange thermique est diminué et, à terme, l'huile risque de manquer au compresseur. Si autrefois la miscibilité entre le fluide CFC et les huiles minérales était très bonne (le fluide "entraînait" avec lui une certaine dose d'huile assurant une lubrification permanente), il faut aujourd'hui adopter des huiles polyolesters, plus coûteuses, très sensibles à la présence d'eau, et dont on doit vérifier la compatibilité avec les différents matériaux en contact (métaux, joints élastomères, vernis moteur,.).
L'élimination des fluides frigorigènes chlorés, bonne chose pour l'ozone stratosphérique, en est une mauvaise pour la lubrification, le chlore étant bénéfique à la présence du film d'huile. L'emploi d'additifs divers dans les huiles a dû y suppléer.
Le coût |
Le prix au Kg du frigorigène est très différent selon qu'il s'agit d'un fluide simple, comme l'ammoniac, ou d'un fluide plus récent et plus complexe comme un mélange de HFC.
Par exemple, le kg de réfrigérant R22 est en dessous des 2,5 €. Par contre, le 404A est à plus de 12,5 €/kg chez le frigoriste. Il est donc vendu plus de 25 € du kg au client. Mais le coût du fluide frigorigène rapporté à celui de l'installation se situe entre 1 et 3 %, ce qui reste faible. Et les coûts indirects liés au choix du fluide (dispositifs de sécurité, équipements électriques anti-déflagrant, conception étanche du local technique,...) seront sans doute plus déterminants.
Les choix actuels des constructeurs |
Nous reprenons ci-dessous des extraits de l'exposé de Mr. Clodic aux journées techniques de l'ADEME, Paris le 23/09/99 (Mr Clodic est professeur à l'Ecole des Mines de Paris et sa compétence est reconnue dans ce domaine).
Même s'il s'agit de l'évolution en France et que la présentation déborde des équipements liés à l'HVAC, elle apparaît significative de l'évolution du secteur.
Le froid commercial
"Le froid commercial recouvre une grande variété d'équipements. Les petits équipements avec compresseurs intégrés (les petits présentoirs, les machines à glace, les refroidisseurs de bières, les distributeurs de boissons) ont des composants proches de ceux utilisés en froid domestique. Le fluide principalement utilisé est le R-134a mais dans certains pays, en particulier la Grande-Bretagne, apparaissent des équipements fonctionnant avec des fluides inflammables.
Pour les installations de petite et moyenne puissances, se situant entre 1 et 10 kW frigorifique, le froid est produit par des unités de condensation. Ce sont des plates-formes comprenant un ou plusieurs compresseurs associés à un condenseur à air et produisant du froid pour un ou plusieurs équipements frigorifiques (petites chambres froides, présentoirs de vente). Ces unités typiques du froid dans les commerces alimentaires (boucheries, charcuteries, boulangeries, pâtisseries), utilisent à l'heure actuelle soit le R-134a, soit le R-404A.
Dans les supermarchés, le R-502 a été dans un premier temps remplacé par des mélanges de transition à base de R-22 comme le R-402A ou le R-408A, et dans les installations neuves il est remplacé par le R-404A. Le R-22 est encore présent dans les installations en froid positif et il sera remplacé, souvent pour des raisons d'homogénéité d'utilisation de fluides, par du R-404A. Dans certains cas, le R-134a peut être aussi utilisé."
Selon Mme Buddaert de l'UBF |
(Les transports frigorifiques
"Les fluides principalement utilisés étaient le R-12, le R-22 et le R-502. A l'heure actuelle, le R-404A est présent dans la plupart des systèmes, à l'exception des conteneurs frigorifiques qui fonctionnent essentiellement avec du R-134a. Des systèmes fonctionnant avec du R-410A sont aussi proposés.
La Marine marchande a choisi, pour des raisons évidentes de maintenance dans les différents ports du monde, le R-410A".
Les procédés agro-alimentaires et les autres procédés industriels
"Les deux fluides principalement utilisés sont l'ammoniac et le R-22. Dans un pays comme la France, ces deux fluides se partageaient presque à part égale le nombre d'installations avec un complément d'utilisation pour le R-502. Compte tenu de la durée de vie très longue de ces installations et que l'interdiction d'utilisation du R22 ne commençait qu'à partir de l'an 2000, la situation n'a pas profondément évolué. Une double évolution est prévisible, d'une part un accroissement de l'utilisation de l'ammoniac lorsque les surcoûts seront considérés comme acceptables, d'autre part un passage au R-404A pour les installations qui fonctionnaient usuellement avec du R-22.
Selon la sensibilité environnementale, les choix des différents pays européens seront différenciés."
A titre d'exemple, en climatisation, le constructeur Carrier a choisi des réfrigérants différents selon trois niveaux de puissance distincts :
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Les tendances futures |
Reprenons ci-dessous des extraits de l'exposé de Mr. Clodic, professeur à l'Ecole des Mines de Paris, aux journées techniques de l'ADEME, Paris le 23/09/99 :
"Autant la réglementation associée au Protocole de Montréal s'est traduite par un calendrier rapide d'arrêt de production des CFC et des HCFC, autant il semble peu probable qu'à l'échelle mondiale les HFC puissent disparaître rapidement.
Ceci est dû à la fois aux contraintes de sécurité associées à l'utilisation des hydrocarbures ou de l'ammoniac, et au fait qu'aucune molécule chimique simple présentant l'ensemble des caractéristiques souhaitables n'est actuellement disponible".
Elargissement de l'utilisation des fluides toxiques et inflammables
Rationnellement, les fluides inflammables peuvent être utilisés dans deux types d'application :
- Dans les applications industrielles où l'utilisation de tels fluides est acceptable du point de vue de la sécurité et n'implique pas de surcoût important. C'est essentiellement le cas dans les raffineries d'hydrocarbures mais aussi dans certaines installations de génie chimique.
- Dans les utilisations où les charges de fluide frigorigène sont très faibles. Selon les pays, cette notion de charge très faible sera certainement fort variable. Dans tous les cas, le surcoût pour une utilisation sûre des fluides frigorigènes inflammables doit rester limité tant que la concurrence ouverte avec les HFC existe.
En dehors de ces deux cas, une option pour les fluides dangereux est le développement de systèmes indirects où le système frigorifique est confiné dans une salle des machines et la fraîcheur est transférée au milieu à refroidir par un circuit à caloporteur (eau glacée, .) . L'acceptabilité sociale de telles salles des machines varie d'un pays à l'autre et reste largement à vérifier.
L'ammoniac, fluide toxique, est accepté dans les systèmes industriels, car le personnel est prévenu et entraîné pour éviter les effets de panique. Par contre, dans les utilisations commerciales, il ne semble pas plausible de considérer l'évacuation des clients comme une norme de comportement.
Développement de nouvelles molécules et de nouveaux mélanges
Le fluide frigorigène idéal n'existe pas, puisqu'il réside une contradiction profonde entre l'utilisation de molécules à très faible durée atmosphérique et le fait que ces molécules ne soient ni toxiques, ni inflammables. En effet, plus une molécule contient d'hydrogène, plus elle a de facilité à se décomposer vite dans l'atmosphère (ceci est en particulier dû à l'affinité du radical hydroxyle (-OH) et l'hydrogène), et plus le nombre d'atomes d'hydrogène dans une molécule est grand, plus elle est inflammable.
Il existe un nouveau créneau en génie chimique pour le développement de mélanges ou de corps purs qui ne soient ni toxiques, ni inflammables et dont le GWP soit faible. Le R-32 fait déjà l'objet de recherches attentives puisqu'il est le seul HFC dont le GWP est significativement inférieur à 1 000. Il est modérément inflammable et plusieurs sociétés japonaises étudient son utilisation aussi bien en corps pur qu'en mélange.
Des familles de fluides comme les fluoréthers sont à l'étude, mais peu de candidats semblent émerger.
Réduction drastique de la charge et confinement du fluide frigorigène
Les progrès les plus spectaculaires et les plus immédiats peuvent être accomplis par la réduction drastique des charges de HFC et dans l'obtention d'un très haut niveau de confinement afin de limiter leur impact sur l'effet de serre additionnel. Selon les applications, il est possible de limiter la charge jusqu'à plus de 80 %.
De nouvelles voies s'ouvrent pour le développement des systèmes de condensation à eau qui permettent à la fois une réduction de la charge de fluide frigorigène et un très faible accroissement de la consommation d'énergie, voire même une amélioration de l'efficacité énergétique comme dans l'utilisation des condenseurs adiabatiques.
Enfin, il est possible, par la décentralisation relative des systèmes de production de froid, de limiter la charge et d'améliorer l'efficacité énergétique. L'évolution des quantités annuelles de HFC constituera la vérification que la réduction des charges, le confinement et la récupération constituent une politique d'utilisation acceptable des fluides à GWP élevé." (fin de citation).
Le CO2 comme fluide réfrigérant ou caloporteur |
Le grand retour ?
Le CO2 (R 744) revient à la charge ses derniers temps comme fluide frigorigène. Autrefois remplacé par les CFC, HCFC, HFC, il doit son retour :
- À son faible impact sur l'environnement (ODP = 0, GWP = 1) par rapport aux autres fluides frigorigènes utilisés actuellement (jusqu'à 3 800 fois moins d'impact sur l'environnement que les HFC).
- À l'avancée des technologies dans le domaine de la réfrigération et de la climatisation. En effet, le problème du confinement des gaz sous haute pression semble partiellement résolu grâce, et c'est paradoxal, à la maîtrise de la climatisation dans les véhicules avec la nécessité de trouver :
- un fluide réfrigérant propre;
- un faible volume massique permettant des installations compactes (faible poids des équipements et volume réduit de fluide frigorigène);
- ...
Les avantages et inconvénients de l'utilisation du CO2 comme fluide frigorigène sont les suivants :
| (+)
(-)
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Utilisation du CO2 comme fluide frigorigène
Cas pratique
Actuellement, un supermarché GB à Aywaille teste un système de réfrigération-chauffage combiné où :
- les sources froides sont :
- les meubles frigorifiques;
- échangeur air/CO2 ("évaporateur de toiture);
- échangeur eau nappe souterraine/CO2;
- les sources chaudes sont :
- échangeur CO2/air ("gaz cooler"de toiture);
- les circuits à basse température tels que le chauffage au sol, la centrale de traitement d'air et les rideaux d'air;
- les circuits à haute température pour l'eau chaude sanitaire.
L'intérêt de ce système est de combiner des besoins :
- de froid au niveau des meubles frigorifiques. En effet, le nombre impressionnant de meubles frigorifiques ouverts et fermés pour ce type de supermarché nécessite une puissance frigorifique de 300 kW (positif) et 40 kW (négatif);
- de chaud classiques d'une puissance de l'ordre de 540 kW.
avec une seule machine, à savoir une pompe à chaleur.
Les résultats du monitoring ne sont pas encore connus mais devraient permettre d'y voir plus clair sur une technologie qui a le vent en poupe.
comparaison CO2 - R134a
A titre d'exemple, on compare les performances théoriques de deux fluides réfrigérants comme le CO2 et le R134A.
Les hypothèses de travail sont les suivantes :
- la phase de refroidissement du CO2 est dans la zone "transcritique" (refroidissement au dessus du point critique (31°C, 73,6 bar);
- la température d'évaporation est de -10°C dans les deux cas (application classique de froid positif);
- la température de condensation pour le R134a est de 30°C (la température ou pression de condensation est flottante en fonction du climat externe;
- la température de fin de refroidissement pour le "gaz cooler" est de 30°C aussi.
Dans le diagramme (log p, h), on superpose les deux cycles frigorifiques :
- Les avantages et inconvénients du cycle CO2 au niveau thermodynamique sont :
| (+)
(-)
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- Les avantages et inconvénients du cycle R134A au niveau thermodynamique sont :
| (+)
(-)
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Intérêt du CO2 ?
L'intérêt de l'utilisation du CO2 comme fluide réfrigérant, est avant tout lié à un choix par rapport à l'environnement. En effet, on pointera principalement :
- le faible impact sur la couche d'ozone et l'effet de serre de part sa composition:
- la plus faible quantité de fluide utilisé de part son volume massique faible (en cas de fuite, la quantité rejetée est faible);
- la disponibilité de ce fluide dans la nature (piège à CO2 réalisable);
- ...
De plus, dans le cas où l'on considère qu'il faut combiner le besoin de chaleur à haute température (80-90°C)avec celui de froid et ce afin d'éviter de choisir une chaudière et un groupe de réfrigération pour la partie froid alimentaire, une installation de pompe à chaleur au CO2 peut être intéressante.
Toutefois en conception, pour autant que :
- l'enveloppe du magasin soit bien isolée;
- la ventilation hygiénique soit régulée en fonction de l'occupation;
- les entrées soit bien étudiées afin de réduire les pertes énergétiques aux accès (courant d'air par exemple);
- la quantité de meubles ouverts soit limitée;
- ...
il n'y a pas de raison valable d'investir dans une installation coûteuse telle que celle au CO2 car la nécessité d'atteindre des températures d'eau chaude de 80-90°C n'est plus nécessaire. Autant alors investir dans une pompe à chaleur classique dont le condenseur fonctionne à des températures avoisinant les 45°C.
Conclusion
L'utilisation du CO2 comme fluide frigorigène est probablement une piste à suivre de très près.
Il est important, en conception, avant de choisir le réfrigérant qui va naturellement conditionner tout le choix des équipements, de déterminer si le projet s'inscrit dans une démarche énergétique et durable globale. Auquel cas, il faut limiter au maximum :
- Les déperditions de l'enveloppe par l'isolation thermique des parois, la limitation des pertes par ventilation et infiltration, ...
- Les apports internes positifs ou négatifs tels que l'éclairage intensif des rayons, les meubles frigorifiques ouverts, ..., par le choix de luminaires performants, de meubles fermés, apport de lumière naturelle contrôlé ("shede" par exemple), ...
- Les apports externes tels que les apports solaires par l'orientation du bâtiment, les ombrages, ...
- ...
En fonction de l'objectif fixé au niveau de l'esquisse du bâtiment, lors du projet on pourra déterminer l'intérêt ou pas d'investir dans un fluide réfrigérant tel que le CO2.
