Systèmes à glace carbonique et systèmes à azote liquide

Pour ces systèmes, il y a découplage entre la production du vecteur de froid : glace carbonique ou azote liquide et l’utilisation de la puissance frigorifique. Dans les deux cas, il s’agit en fait d’un stockage de froid qu’on va utiliser sans se soucier a priori de l’énergie incorporée pour disposer de la puissance frigorifique utile.



Glace carbonique

Le CO₂ présente un point triple à -56 °C et 5,2 bar, ce qui en fait un corps exceptionnel. A pression atmosphérique, il se sublime à -78 °C, sa chaleur latente de sublimation est d’environ 580 kJ /kg, ce qui est 175 % supérieur à la chaleur latente de fusion de la glace hydrique. Comme le fait voir la figure 6.25, la glace carbonique est vendue sous différente formes selon l’utilisation.



Tout le transport aérien en soute d’avions cargo se fait par sublimation de CO₂ soit par convection naturelle, soit assisté par système de ventilation.

Figure 6.26 Pelletiseur de glace CO2

Figure 6.27 Conteneur de glace carbonique

Comme le fait voir la figure 6.26, soit il est possible de produire sa propre glace de CO₂ par détente de bouteille de CO₂, soit de se faire livrer les conteneurs de glace sèche (figure 6.27). Le CO₂ industriel provient principalement du procédé de production de l’ammoniac à partir du procédé Haber-Bosch où 4 molécules de CO₂ sont formées pour une molécule d’ammoniac. Les matières premières du procédé sont le méthane et l’azote. Le CO₂ produit est de très grande pureté (99 %) ; après traitement il est amené à 99,995 %, pureté requise pour la qualité alimentaire.

=> Evaluation de l’énergie incorporée
La purification suppose une pressurisation qu’on va supposer être la même que celle du transport, à savoir 20 bar. Le CO₂ étant au point de départ à la pression atmosphérique on va supposer une compression bi-étagée avec un compresseur de rendement 75 %, soit une énergie de compression de 320 kJ/kg et une énergie de refroidissement des températures de refoulement à 30 °C effectuée par refroidissement sur tour, évaluée à 30 kJ/kg de 30 °C à -20 °C de 135 kJ/kg (groupe de refroidissement à -25 °C avec un COP fixé à 2 ,5) soit au total 485 kJ/kg. Il faudrait prendre en compte les pertes de CO₂ dues au maintien de la pression constante par compensation des pertes thermiques qui se font par évaporation, mais les données sont manquantes. Il vient donc un COP apparent qui suppose que la chaleur latente de sublimation est entièrement utile. En rapportant cette énergie utile à l’énergie nécessaire à la production de la glace carbonique, il vient : 580 / 485 = 1,2.

On voit que si l’utilisation du froid s’effectue vers -45 °C, ce COP est proche des systèmes à compression de vapeur mais pour maintenir des températures positives, le COP est au moins inférieur d’un facteur 2,5 à 3 comparativement aux systèmes à compression de vapeur.

En conclusion, la glace carbonique est un moyen intéressant pour des transports rapides pour des produits à haute valeur ajoutée. C’est aussi un moyen complémentaire ou de dépannage utile pour préserver des produits à température dirigée ; ces applications sont bien identifiées et limitées.

Système frigorifique à azote liquide

L’utilisation de l’azote liquide est connue dans les procédés agro-alimentaires pour surgeler des produits à haute valeur ajoutée comme les framboises ou plus généralement les fruits fragiles.



Compte tenu des réglementations à venir sur les fluides de type HFC, les producteurs d’azote liquide comme Air Liquide, Messer ou Linde proposent chacun des technologies frigorifiques par évaporation d’azote liquide pour le transport à température dirigée (cf. figure 6.28).

Deux concepts coexistent :

• la circulation directe de l’azote dans la caisse frigorifique avec des évents situés à des endroits précis, ce qui requiert une formation adéquate des opérateurs pour éviter l’anoxie
• les systèmes dits indirects comme représenté figure 6. 28 où l’azote refroidit l’air circulant et l’azote évaporé est rejeté à l’extérieur de manière à éviter toute concentration asphyxiante à l’intérieur de la caisse frigorifique. On doit noter que cette technologie modifie le jeu d’acteurs et la répartition de la valeur ajoutée. Les fabricants de caisses frigorifiques captent une valeur ajoutée sur la production frigorifique qui leur échappait et qui revenait aux grands acteurs des systèmes frigorifiques embarqués comme Carrier et Thermoking.

Du point de vue énergétique, il faut rappeler que la production d’1 kg d’azote liquide requiert 2 500 kJ, sa chaleur latente à -196 °C est de 198 kJ/kg et la chaleur sensible de -196 à 0 °C est de 160 kJ/kg, soit un COP de 358 / 2500 = 0,14 pour maintenir un produit à 0 °C, soit une consommation environ 30 fois supérieure à celle d’un système frigorifique à compression de vapeur.

Le froid cryogénique ne se justifie que parce que l’azote est produit de manière fatale avec l’oxygène dans un rapport 1 à 4 et qu’il y a donc un excès d’azote qui fait que son prix ne reflète par l’énergie incorporée. L’utilisation de l’azote liquide restera donc d’un emploi limité pour des applications à haute valeur ajoutée dans les industries agro-alimentaires et pour des niches pour des transports sur des distances de l’ordre de 500 km.