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

Pour les principaux CFC (chloro-fluoro-carbures), le tableau 4.3 donne les domaines d’application historiques de ces fluides.

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

Le tableau 4.4 donne les domaines d’application pour les principaux HCFC (Hydro-chloro-fluoro-carbures). Pour les deux types de molécules, les applications de niche ne sont pas précisées.

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

A partir de l’application du Protocole de Montréal, les HFC ont remplacé aussi bien les CFC que les HCFC tout en étant en concurrence avec les hydrocarbures, l’ammoniac et le CO2. Comme on le sait, les HFC sont devenus dominants de 1992 à maintenant et leur GWP est la cause des limitations, puis des interdictions d’usage à venir.

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