Le renouveau des fluides frigorigènes Hydrocarbures, Ammoniac et CO₂

Cette section présente rapidement les éléments marquants pour chaque fluide et les fiches synthétiques sont introduites pour chaque fluide ou famille de fluides quand c’est plus pertinent.



Les hydrocarbures (HC)

Dès l’introduction du HFC-134a est né, en Europe surtout, un mouvement de défiance envers les fluides HFC visant à remplacer les CFC et HCFC. L’organisation Green Peace, en particulier, a mis en avant le remplacement du R-12 par des hydrocarbures. Ce mouvement a amené, en très peu d’années, les leaders européens du froid domestique (Bosch Siemens, AEG, Electrolux) à passer progressivement leur production à l’isobutane (R-600a). La charge d’isobutane étant faible (entre 20 et 70 g) et le design de l’évaporateur ayant été repris, les conditions de sécurité ont été considérées (et le sont toujours) comme acceptables. Les seuls incidents notables qui ont été rapportés concernent des incidents à la charge en usine.

En petit froid commercial, le propane est essentiellement utilisé pour des puissances variables de 300 W frigorifique à 5 kW. On trouvera des systèmes dont la charge varie de 50 g à 1,5 kg. Plus la charge est faible, plus la commercialisation de ces systèmes est significative.

On trouve aussi des pompes à chaleur air/eau utilisant du propane et de petits systèmes de climatisation dits « portables ». A noter que les pompes à chaleur air/eau peuvent avoir leur système thermodynamique contenant le R-290 entièrement à l’extérieur de la maison individuelle et la chaleur est transférée à l’intérieur de la maison par un circuit à eau glycolée.

Caractéristiques principales	HC-600a : GWP : 4 - Tcritique = 134,7 °C Point normal d’ébullition : -11,7 °C HC-290 : GWP : 5 - Tcritique = 96,7 °C Point normal d’ébullition : -42,1 °C HC-1270 : GWP : 2 - Tcritique = 91,1 °C Point normal d’ébullition : -47,6 °C Les hydrocarbures (HCs) incluent trois principaux fluides frigorigènes purs, HC-290 (le propane), HC-1270 (le propylène) et HC-600a (l’isobutane) et quelques mélanges de fluides comme les R-433A, R-433B, R-433C, R-441A et R-443A, où certains peuvent contenir du HC-170 (l’éthane). Les fluides purs et les mélanges présentent une classification de sécurité A3 (toxicité basse, inflammabilité élevée), leur ODP est nul et leur GWP varie de 1,8 à 5,5 (WMO, 2010). Les HC ont des propriétés thermophysiques et de transport excellentes.
Etendue de commercialisation	Les fluides purs (R-600a et R-290 principalement) ont été utilisés commercialement dès 1992 ; les mélanges, comme le R-436A et le R-436B, ont un développement commercial faible. La commercialisation à grande échelle des hydrocarbures est limitée du fait des restrictions d’usages définies par les normes de sécurité (EN378 ou ASHRAE 15) dans les espaces occupés.
Efficacité énergétique (avec prise en compte des conditions ambiantes)	Généralement, l’efficacité est avérée bonne dans la plupart des conditions. En principe, ils présentent des propriétés thermophysiques qui conduisent à une efficacité énergétique au moins égale à celle des HFC et des températures de refoulement basses.
Coûts, rentabilité (par rapport à une référence)	Le prix de ces fluides est faible, de 8 à 10 €/kg. En raison de la classification de sécurité, des coûts supplémentaires existent pour traiter les caractéristiques d'inflammabilité dans la conception de l'équipement. L’impact de l’inflammabilité sur le coût global peut varier considérablement selon le type d'équipement. Les valeurs de coût-efficacité sont incluses dans les rapports du TEAP (UNEP, 2011; UNEP, 2012)
Obstacles et restrictions	Les principaux obstacles de l’utilisation des HC résultent de leur inflammabilité. Concrètement, cela signifie que les systèmes utilisés à l’intérieur de locaux occupés auront une charge en fluide frigorigène limitée. De plus, quand il n’existe pas d’effet de série, des composants comme les compresseurs peuvent ne pas être disponibles commercialement avec garantie. Les techniciens doivent être bien formés et compétents dans la gestion des HC. Les codes de sécurité de certains bâtiments interdisent l’utilisation de fluides frigorigènes inflammables. Une évaluation complète des obstacles à l'utilisation des hydrocarbures et les autres fluides frigorigènes à faible GWP est accessible dans un rapport de l’UNEP (Colbourne, 2010).
Fluides frigorigènes Hydrocarbures (HCs) HC 600a isobutane, HC-290 Propane, HC-1270 Propylène

L’ammoniac

L’ammoniac est le premier fluide frigorigène utilisé commercialement en 1858 sur un bateau frigorifique. La machine à absorption eau –ammoniac a été conçue par Ferdinand Carré. En 1872, la première machine à compression de vapeur développée par Boyle utilise l’ammoniac. Ce fluide a accompagné tous les développements de la réfrigération. L’ammoniac est produit en masse comme composant de base pour les engrais, c’est une molécule qui est donc à coût acceptable. Il est modérément inflammable mais il est surtout toxique dès 50 ppm, ce qui limite de fait son usage à un environnement industriel. L’ammoniac est très utilisé dans les procédés agro-alimentaires, y compris aux Etats-Unis.

Caractéristiques principales	GWP : 0 - Tcritique = 132,3 °C Point normal d’ébullition : -33 °C Le R-717 (ammoniac) est un fluide pur, sa classification de sécurité est B2 (toxique, peu inflammable) ODP = 0.
Etendue de commercialisation	Le R-717 est utilisé depuis le XIXème siècle dès le début de la réfrigération, il est toujours utilisé fortement en froid industriel agro-alimentaire et depuis 1990 son utilisation s’est élargie pour les groupes refroidisseurs d’eau de puissance moyenne (1 centaine en Europe) et dans de rares systèmes de froid commercial centralisé via des frigoporteurs (4 à 5)
Efficacité énergétique (avec prise en compte des conditions ambiantes)	Le R-717 présente des propriétés thermodynamiques favorables pour les températures d’évaporation supérieures à -33 °C et sinon requiert le passage à des systèmes bi-étagés. Sa puissance volumétrique est similaire à celle du HCFC-22. Cependant, ses températures de refoulement sont relativement plus élevées.
Coûts, rentabilité (par rapport à une référence)	Le coût de l’ammoniac lui-même est faible (5 €/kg). Cependant, l’impossibilité d’utiliser du cuivre entraîne un surcoût important et des surfaces d’échange plus grandes (toutes choses égales par ailleurs). Ces surcoûts pénalisent surtout les systèmes de petites et moyennes puissances, jusqu’à 200 kW frigorifique, typiquement
Obstacles et restrictions	Les barrières portent sur la faible disponibilité des composants pour les faibles puissances. La nécessaire formation spécifique des techniciens pour maintenir, charger et récupérer ce fluide. La toxicité de l’ammoniac amène obligatoirement à l’usage de systèmes indirects en froid commercial avec une salle des machines spécifiquement conçue pour l’ammoniac. L’ammoniac en tant que substance est classé sous la rubrique Seveso en Europe (rubrique 1136 du code de l’environnement), ce qui entraîne l’obligation de déclaration (charges comprises entre 150 kg et 1,5 tonnes) et d’autorisation pour les charges > 1,5 t.
Fluides frigorigènes Ammoniac NH3 R-717

Le CO₂

Le CO₂ est utilisé lui aussi depuis le début du 20ème siècle dans les systèmes frigorifiques. Contrairement à l’ammoniac, son usage avait disparu dès les années 50 compte tenu du niveau de pression très élevé. Sa réutilisation s’est effectuée à partir des années 95 sous l’impulsion de Lorentzen, qui a proposé et breveté un échangeur de type « liquide vapeur » entre l’aspiration du compresseur et la sortie du refroidisseur de gaz, mais qui, du fait de l’état supercritique du CO₂ au-dessus de 31 °C, est en fait un échangeur vapeur / gaz dense. L’évènement majeur a été le développement, au Japon, du programme EcoCute où les caractéristiques du CO₂ permettent de réaliser une pompe à chaleur pour la production d’eau chaude sanitaire (ECS) avec des COP moyens annuels de l’ordre de 3,5 à 4.
Son usage en froid commercial se répand en Europe, en particulier dans les supermarchés en mode transcritique et en hypermarchés en cascade CO₂ à la basse température et autre fluide (HFC-134a par exemple) à la moyenne température.

Caractéristiques principales	Classification de sécurité : A1 ODP : 0 - GWP : 1 - Tcritique = 31 °C - Pcritique = 73,7 bar Tpt triple : -56 °C
Etendue de commercialisation	Le R-744 a été utilisé dans les machines frigorifiques entre les années 1900 et 1930 avant d’être remplacé par les CFC. Son utilisation a été revisitée dès 1995 et il est maintenant utilisé en froid commercial, réfrigération agro-alimentaire, pompes à chaleur pour ECS et les transports frigorifiques. (4 à 5)
Efficacité énergétique (avec prise en compte des conditions ambiantes)	Le R-744 présente des propriétés thermophysiques conduisant à des COP raisonnables pour des températures de condensation < 25 °C. La pression de fonctionnement est considérablement supérieure à celles des réfrigérants usuels et la capacité volumétrique est aussi élevée. Son usage en cascade, où il est utilisée à la basse température (évaporation entre -30 et -40 °C) et condensation à -10 °C par un autre fluide frigorigène, donne d’excellentes performances énergétiques ; c’est une solution adoptée en froid commercial centralisé et en froid industriel. En cycle transcritique (T condensation > 31 °C) il y a réduction de l’efficacité énergétique et ce d’autant que la température ambiante est élevée (Textérieure> 25 °C). Pour une température ambiante de 35 °C, l’efficacité d’un cycle de base est inférieure de 40 à 50 % à celle du R-404A. Une amélioration de 10 à 20 % par rapport à un cycle de base est possible en substituant le détenteur par un éjecteur (Hafner et al. 2012). D’autres dispositifs peuvent améliorer l’efficacité pour les conditions ambiantes élevées : système bi-étagé, sous-refroidissement additionnel. Les températures de refoulement élevées doivent être prises en compte à la conception.
Coûts, rentabilité (par rapport à une référence)	Le coût du fluide de travail est bas, typiquement de 3 à 5 €/kg. Cependant, et vue la pression de fonctionnement élevée, le choix des matériaux et les épaisseurs impliquent des coûts supplémentaires surtout pour les compresseurs. Cependant, les dimensions des tubes sont plus petites comparées aux technologies actuelles, ce qui donne l’avantage de compacité de tubes et de matériaux d’isolation. Les dispositifs nécessaires pour améliorer l’efficacité à des températures ambiantes élevées entraînent une augmentation du coût de l’ordre de 15 à 20 %.
Obstacles et restrictions	Deux obstacles technologiques majeurs sont identifiés, la conception des composants et du système pour des conditions de pression élevées et la dégradation des performances pour de hautes températures ambiantes conduisent à des augmentations des coûts. En outre et en raison de ses caractéristiques inhabituelles, les techniciens auront besoin de formations et d’outillages dédiés.
Fluides frigorigènes CO2 R-744 (dioxyde de carbone)