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Fluides frigorigènes > Des chlorofluorocarbones (CFC) aux hydrofluorocarbones (HFC)
Le trou d’ozone
Dès 1970, à la suite des études menées par la NOAA aux Etats-Unis pour analyser les éventuelles perturbations causées par l’avion supersonique Concorde dans la stratosphère, des teneurs en CFC-11 non négligeables ont été mises en évidence. A la fin des années 80, le trou d’ozone au-dessus de l’Antarctique a été découvert, dont l’analyse sur une dizaine d’années a montré le rôle de destruction catalytique de l’ozone (O3) par l’oxyde de chlore (ClO) qui provient de la destruction des CFC par les UV « durs » rencontrés à ces altitudes (entre 10 et 50 km). Le trou constaté à la fin de l’hiver austral est lié à l’absence de soleil pendant de longs mois, qui empêche la création d’ozone et engendre ainsi un manque très significatif et vérifiable d’ozone dans cette zone antarctique, qui est relativement isolée du reste de l’atmosphère terrestre, du fait du continent antarctique lui-même et ce, contrairement au pôle Nord où il n’y a pas de masse terrestre aussi significative.
Le Protocole de Montréal
Ces analyses menées progressivement ont donné lieu à quelques controverses, mais le consensus scientifique et politique s’est fait à la conférence de Vienne en 1985. Ensuite, le Protocole de Montréal (1987) a mis en place un calendrier mondial d’arrêt de production et de commercialisation des CFC pour le 1er janvier 1995 pour les pays développés et 10 ans plus tard pour les pays en développement (dit de l’Article 5 du Protocole de Montréal). Un calendrier d’arrêt de production et de commercialisation des HCFC s’est ensuite mis en place avec une date d’arrêt de décembre 2010 pour les pays développés, l’Europe ayant pris des mesures d’interdiction d’usage dès 2000. Ce calendrier d’arrêt des HCFC est en cours de mise en oeuvre pour les pays de l’article 5, avec un calendrier d’arrêt complet (sauf maintenance 2,5 %) en 2030.
La décision XIX/6, des parties au protocole de septembre 2007, fixe le tableau de réduction suivant pour les pays de l’Article 5 pour le niveau de consommation de 2013.
Réduction | Date |
---|---|
-10 % | 31/12/2015 |
-35 % | 31/12/2020 |
-67,5 % | 31/12/2025 |
Recharge en maintenance | 2,5 % pour 2030 à 2040 |
Tableau 4.2 Calendrier de réduction de la production et de la commercialisation des HCFC pour les pays de l’Article 5 |
CFC commercialisé | Domaine d’application |
---|---|
CFC-12 | Froid domestique, petit froid commercial, transports frigorifiques, climatisation automobile, chillers centrifuges |
CFC-11 | Chillers centrifuges |
CFC-114 | Pompes à chaleur industrielles, sous-marins |
R-502 (HCFC-22/115 48,8/51,2) | Froid commercial |
Tableau 4.3 Domaines d’application des CFC |
HCFC commercialisé | Domaine d’application |
---|---|
HCFC-22 | Climatisation à air, chillers volumétriques, froid commercial, froid industriel, transports frigorifiques |
HCFC-142b | Pompes à chaleur industrielles |
Tableau 4.4 Domaines d’application des HCFC |
Le tableau 4.5 précise quels HFC se substituent aux molécules interdites de production. Là aussi, nous ne rentrons pas dans les détails des mélanges intermédiaires qui ont remplacé les CFC et qui contenaient des HCFC.
Molécules interdites par le Protocole de Montréal | HFC de remplacement |
---|---|
CFC-12 | HFC-134a |
R-502 (HCFC-22/115 48,8/51,2) | R-404A (R-125/143a/134a - 44/52/4) R-507A (R-125/143a - 50/50) |
HCFC-22 | R-404A (R-125/143a/134a - 44/52/4) R-410A (HFC-32/125 - 50/50) R-407C (HFC-32/125/134a - 23/25/52) |
Tableau 4.5 Principaux HFC ayant remplacés les CFC et les HCFC |
Fluide frigorigène HCFC-22
Caractéristiques principales | ODP : 0,05 - GWP : 1790 - Tcritique = 96 °C Point normal d’ébullition : -40,8 °C |
Etendue de commercialisation | Le fluide le plus utilisé dans le monde aussi bien dans le froid commercial, les procédés industriels que surtout dans les systèmes de climatisation air/air. La banque de ce fluide peut être estimée à 1,6 millions de tonnes pour le monde. |
Efficacité énergétique (avec prise en compte des conditions ambiantes) | L’efficacité énergétique de ce fluide a servi de référence pour la validation de ses remplaçants : le R-404A en froid commercial et industriel et les R-407C et R-410A en climatisation. La puissance frigorifique volumétrique du R-407C est identique à celle du HCFC-22, celle du R-404A est 10 % supérieure, celle du R-410A, 20 %. Les COP de ses successeurs sont du même ordre de grandeur que celui du HCFC-22. |
Coûts, rentabilité (par rapport à une référence) | Le prix de ce fluide varie selon le pays. En raison de son arrêt de production dans les pays développés, son prix en tant que fluide de maintenance peut être localement élevé (de 30 à 50 €/kg) dans les années qui viennent. En Europe, le HCFC-22 sera interdit en maintenance au 1er janvier 2015 |
Obstacles et restrictions | L’obstacle est tout simplement l’arrêt de production programmé. |
Fluide frigorigène HCFC-22 |
Fluide frigorigène HFC-134a
Caractéristiques principales | GWP : 1370 - Tcritique = 101 °C Point normal d’ébullition : -26 °C |
Etendue de commercialisation | Ce fluide est le HFC le plus utilisé du fait de son utilisation massive en climatisation automobile. Sa banque en 2012 est évaluée à 1,2 millions de tonnes dans le monde. |
Efficacité énergétique (avec prise en compte des conditions ambiantes) | Le HFC-134a sert de référence pour ses remplaçants pour les différentes applications où il a été utilisé ou où il est encore utilisé essentiellement le froid domestique, les groupes refroidisseurs d’eau centrifuge et à vis, le petit froid commercial et la climatisation automobile. |
Coûts, rentabilité (par rapport à une référence) | Le prix de ce fluide est de l’ordre de 12 à 15 €/kg. On peut d’ailleurs dire que dès sa production initiale, en 1994, il a déjà été en « surproduction » donc un prix de type commodité assez rapidement. |
Obstacles et restrictions | Le premier obstacle est bien sûr le fait qu’il est interdit d’utilisation en climatisation automobile pour les plateformes neuves depuis le 1er janvier 2011, même si l’application effective commence juste depuis le 2ème semestre 2013. C’est un fluide encore largement utilisé dans le monde dans les applications présentées ci-dessus. Son avenir est compté sans que la date de fin de production soit énoncée. |
Fluide frigorigène HFC-134a |
Fluide frigorigène R-407C
Caractéristiques principales | GWP : 1700 - Tcritique = 86 °C Point normal d’ébullition : -43.6 °C Le R-407C a été conçu pour remplacer strictement le HCFC-22 avec la même puissance volumétrique. En changeant le détendeur et en passant d’une huile Alkyl-benzène utilisée pour le HCFC-22 à une huile POE adaptée aux HFC, le retrofit du HCFC-22 vers le R-407C est possible. Son problème principal est son glissement de température lors de la condensation et l’évaporation (5 °C) et son changement de formulation en cas de fuite. |
Etendue de commercialisation | Le R-407C est utilisé en froid commercial de petite et moyenne puissances et dans les systèmes de climatisation de type roof-top ; ceci surtout dans la période intermédiaire où les compresseurs conçus pour le HCFC-22 étaient plus disponibles que ceux conçus pour le R-410A ou le R-404A. La banque, au niveau mondial, est estimée à 90 000 tonnes. |
Efficacité énergétique (avec prise en compte des conditions ambiantes) | L’efficacité énergétique est similaire à celle du HCFC-22, même si des adaptations sont à effectuer. Par contre, en froid négatif, le givre se forme plus vite du fait d’une température d’évaporation commençante inférieure. |
Coûts, rentabilité (par rapport à une référence) | Le prix de ce fluide est de l’ordre de 18 à 20 €/kg. C’est un fluide de sécurité A1. |
Obstacles et restrictions | Ce fluide a un GWP qui ne l’élimine pas immédiatement, mais il n’est pas voué à un long usage et il est supplanté par le R-404A d’un côté et par le R-410A de l’autre. |
Fluide frigorigène R-407C |
Fluides frigorigènes R-404A & R-507A
Caractéristiques principales | R-404A : GWP : 3700 - Tcritique = 72 °C Point normal d’ébullition : -46,2 °C R-507A : GWP : 3800 - Tcritique = 70.6 °C Point normal d’ébullition : -46,7 °C Ces deux fluides sont très proches et en fait le R-404A est la réponse de deux fabricants de fluides au brevet d’un troisième portant sur le R-507A. En fait, le R-507A est un mélange azéotrope et se comporte donc comme un corps pur ; il avait a priori un très gros avantage dans la compétition, mais c’est la force commerciale qui l’a emporté et le marché a été dominé par le R-404A. Ces deux fluides ont été conçus pour remplacer le R-502 et le HCFC-22 en froid commercial et industriel. |
Etendue de commercialisation | La banque de R-404A est évaluée, pour 2012 dans le monde, à 250 000 tonnes et à 33 000 t pour le R-507A. |
Efficacité énergétique (avec prise en compte des conditions ambiantes) | Ces deux fluides ont des efficacités énergétiques comparables au HCFC-22 mais inférieures à celle du R-502, auquel d’ailleurs plus personne ne se réfère. |
Coûts, rentabilité (par rapport à une référence) | Le prix de ces fluides (de 15 à 20 €/kg) a baissé ces dernières années, et ce, associé à leur interdiction prévisible par la future réglementation européenne. |
Obstacles et restrictions | Les principaux obstacles sont à venir ; ils seront interdits de commercialisation dans la future réglementation européenne. |
Fluides frigorigènes R-404A (R-125/143a/134a - 44/52/4) & R-507A (R-125/143a- 50/50) |
Fluide frigorigène R-410A
Caractéristiques principales | GWP : 2100 - Tcritique = 71,4 °C Point normal d’ébullition : -51,4 °C Ce fluide massivement utilisé en climatisation à air pour les unités split et aussi pour les unités centralisées, typiques des USA, présente le grand avantage d’avoir une puissance volumétrique élevée, et de là peut être utilisé avec des compresseurs scroll compacts. On doit noter que sa température critique est seulement de 71 °C, ce qui n’est pas des plus favorables pour les climats chauds. |
Etendue de commercialisation | Le R-410A a vu son marché grandir rapidement mais les USA ont maintenu l’usage du HCFC-22 jusqu’à la « dernière minute » (fin 2010) en climatisation à air. Il en résulte une banque de l’ordre de 80 000 tonnes dans le monde en 2012. |
Efficacité énergétique (avec prise en compte des conditions ambiantes) | L’efficacité énergétique en conditions climatiques, jusqu’à des températures de condensation de 40 °C, est légèrement supérieure à celles obtenues avec le HCFC-22. Au-delà, et surtout à partir de 55 °C de température de condensation, les performances énergétiques se dégradent. |
Coûts, rentabilité (par rapport à une référence) | Le prix de ce fluides se situe entre 18 et 20 €/kg. |
Obstacles et restrictions | Le R-410A n’a pas encore de remplaçant clairement identifié et son GWP sert de seuil pour les molécules interdites de commercialisation dans la nouvelle réglementation européenne. |
Fluide frigorigène R-410A |