Froid dans les industries agro-alimentaires (IAA)

En agroalimentaire, il existe quatre grandes catégories de besoin en froid :

• le froid d'entreposage (froid positif ou négatif)
• le refroidissement des procédés (froid positif)
• la surgélation dans les procédés (froid négatif)
• le conditionnement d'ambiance (froid positif ou négatif).



Pour satisfaire ces besoins, les installations peuvent présenter plusieurs structures :

• des systèmes à détente directe adaptés aux différentes gammes de puissance, allant des installations centralisées avec une salle des machines indépendante et une circulation à détente directe du fluide frigorigène.
• des systèmes indirects utilisant de l'eau glycolée ou du CO₂ comme frigoporteurs, et le système thermodynamique contenant le fluide frigorigène refroidit ce frigoporteur,
• des systèmes en cascade qui comportent deux fluides distincts, l’un adapté à la haute température par exemple le HFC-134a, l’autre à la basse température par exemple le CO₂, le fluide « haute température » condense le fluide basse température en s’évaporant dans un évapo-condenseur,
• des systèmes bi-étagés (booster) qui utilisent le même fluide aux deux étages de température,
• des systèmes à recirculation par pompe alimentant des évaporateurs de grande puissance et fonctionnant essentiellement à basse température ; ces systèmes requièrent des fluides purs ou des quasi-azéotropes,
• des systèmes à évaporateurs noyés comme les tanks à lait,
• des groupes refroidisseurs d’eau (chillers).

Le choix de l'installation dépend :

• du niveau de température de fonctionnement,
• de la puissance frigorifique nécessaire (elle-même fonction de la production),
• du moyen de refroidissement du condenseur (à l'air, à l'eau, avec tour de refroidissement, etc.),
• de l’efficacité énergétique recherchée,
• du budget.

En France, en termes d'installations, l'industrie agroalimentaire représente :

• environ 720 entrepôts frigorifiques, soit 15 millions de m²;
• 13 500 entreprises agroalimentaires dont 2 500 dans l'industrie de la viande, 1 250 dans celle du lait, 300 dans celle du poisson, 1 350 dans celle de la fabrication de produits de boulangerie et pâtisserie et 2 600 dans la production de boissons;
• il y a 170 000 tanks à lait installés dans les fermes laitières.

FLUIDES ET BANQUES

La production actuelle de froid industriel en agroalimentaire utilise principalement le HCFC-22, le R-404A, le HFC-134a et l'ammoniac (R-717) comme fluide frigorigène. Le CO₂ (R-744) commence également à être utilisé en froid négatif, en cascade avec de l’ammoniac ou du HFC-134a. Les systèmes indirects avec frigoporteurs ont toujours existé et sont associés à différents frigorigènes.

Selon les résultats d'inventaires 2011, la banque de fluides frigorigènes du secteur agroalimentaire est estimée à 8 100 t dont 30 % de R-404A, 19 % de HCFC-22 et 45 % de R-717.

Banque IAA (t)	R-404A	R-717 (NH3)	HCFC-22	HFC-134a	R-744 (CO2)	Fluides de remplacement
2011	2 420	3 680	1 550	210	15	250
Estimation 2012	2 600	3 730	1 320	250	35	270
Tableau 5.11 Banques de fluides frigorigènes dans l'industrie agro-alimentaire en France

Dans ce domaine, les systèmes de référence identifiés comme utilisant des HFC à fort GWP, soit ici le R-404A, sont :

• les systèmes centralisés à détente directe ou fonctionnant aussi en système indirect pour les installations de froid positif (fiche IIA1),
• les systèmes centralisés à détente directe ou en système indirect pour les installations de froid positif et négatif ou négatif seul (fiche IIA2),
• les systèmes à évaporateur noyé pour les installations de froid positif (fiche IIA3),
• les systèmes à évaporateur noyé pour les installations de froid négatif (fiche IIA4),

Les systèmes à détente directe utilisés dans les tanks à lait sont inclus dans les systèmes à évaporateur noyé (fiche IIA3). Ils ne peuvent donc pas fonctionner avec des mélanges à fort glissement de température.

Les chillers utilisés dans les procédés agroalimentaires seront traités dans la section consacrée aux chillers.

ALTERNATIVES AUX SYSTEMES UTILISANT DES HFC A FORT GWP

Alternatives aux systèmes à détente directe ou indirecte de froid positif utilisant du R-404A

=> Installations neuves
Parmi les installations récemment mises sur le marché, du fait de l'assouplissement de la réglementation ammoniac, les systèmes utilisant le R-717 sont de plus en plus présents sur le marché neuf. Ils constituent la première alternative existante aux systèmes à détente directe ou aux systèmes indirects utilisant le R-404A (fiches IAA1 et IAA2).

• Le principal inconvénient de ce type d'installation est le coût : l'investissement est nettement supérieur à celui d'une installation au R-404A et les contraintes particulières liées à la gestion de la toxicité et de l'inflammabilité du R-717 sont également coûteuses (installations d'équipements de contrôle des concentrations, salles des machines ventilées avec alarme, etc.).
• Les retours d'enquêtes montrent que le choix de l'ammoniac est fortement lié à la stratégie et à l'expérience d'entreprise : lorsque l'entreprise est expérimentée dans la gestion de la sécurité, elle peut faire le choix de l'investissement en contrepartie d'une assurance vis-à-vis des éventuelles évolutions réglementaires concernant l'utilisation des HFC.

Le HFC-134a fait également partie des alternatives disponibles au R-404A. Il peut être utilisé en système direct mais peut être configuré en installation indirecte afin de limiter la charge installée et l'impact environnemental de l'installation.

• Les inconvénients de ce type d'installation sont liés à l'utilisation du HFC-134a qui a une moins bonne capacité volumétrique que le R-404A.
• Le principal intérêt est la forte réduction de l'impact environnemental de l'installation, d'autant plus qu'il est possible de dimensionner les nouvelles installations afin d'envisager une conversion ultérieure du HFC-134a vers le R-1234yf.

=> Rétrofit
Le R-407A (GWP = 2100) et le R-407F (GWP= 2060) sont aujourd’hui disponibles comme première solution de remplacement du R-404A dans les systèmes à détente directe. Dans les retours d'enquêtes, la conversion des installations du R-404A vers le R-407A (ou R-407F) n'a pas nécessité de remplacement des composants des groupes frigorifiques. Les fluides développés pour le remplacement du HCFC-22 peuvent être aussi utilisés pour le remplacement du R-404A (GWP = 3700), le R-407A (GWP = 2100) et le R-407F (GWP = 2060) disposant de GWP inférieurs.

Alternatives aux systèmes à de froid négatif (ou positif & négatif) utilisant du R-404A

• Les alternatives existantes pour les systèmes à détente directe de froid positif au R-404A citées ci-dessus peuvent être utilisées dans le cas des systèmes de froid négatif ou positif et négatif. Cependant des solutions plus performantes d'un point de vue énergétique et environnemental existent.
• Les systèmes de type "cascade" utilisent du CO2 en basse température avec du HFC-134a ou du R-717 à la moyenne température en détente directe ou en système indirect. Ces systèmes sont des alternatives aux systèmes utilisant le R-404A. Une variante est constitué par un système bi-étagé à l‘ammoniac aux deux étages par exemple de type "Booster"
  • Les systèmes de type "cascade" sont très performants d'un point de vue énergétique, d'autant plus s'ils sont associés à l'ammoniac, ce qui permet de compenser en grande partie le coût d'investissement
  • Quand il s'agit d'un système HFC-134a/CO₂, le HFC-134a peut être utilisé en système indirect sur la boucle de froid positif afin de limiter la charge installée
  • L'impact environnemental des fluides utilisés est faible : CO₂, ammoniac. Les retours d'enquête ont montré qu'en 2013, certains opérateurs proposaient un dimensionnement des installations de façon à anticiper une conversion du HFC-134a vers le R-1234yf sur les installations neuves de type cascade HFC-134a/CO₂.

=> Rétrofit
En termes de rétrofit, le R-407F (GWP = 2060) est disponible comme solution de remplacement du R-404A dans les systèmes à détente directe de froid négatif, il a de meilleures performances que le R-407A à basse température. Ce rétrofit s'accompagne cependant le plus souvent d'une baisse de performances.

Alternatives aux systèmes à évaporateurs noyés de froid positif

=> Installations neuves
Seuls des fluides purs peuvent être utilisés dans les évaporateurs noyés. Si l’ammoniac ne peut pas être utilisé, le CO₂ ou des solutions de MPG ou de formiate de potassium peuvent être utilisés comme frigoporteurs.

=> Rétrofit
Comme pour le remplacement du HCFC-22, les rétrofits du R-404A ne sont pas possibles actuellement pour ce type d'installations. Leur configuration nécessite l'utilisation d'un fluide quasi azéotrope et rend impossible l'usage d'un fluide possédant un glissement de température supérieur à 1 °C.

Alternatives aux systèmes à évaporateur noyé de froid négatif

=> Installations neuves
En froid négatif, la situation est identique mais les systèmes de type cascade CO₂/ammoniac sont également envisageables. Ces systèmes ont également l'inconvénient d'un coût élevé mais présentent une excellente efficacité énergétique.

Alternatives en cours de développement : mélanges HFC/HFO à GWP autour de 250

De nouveaux mélanges de fluide à base de HFC/HFO sont également en cours d’évaluation. Ces mélanges sont conçus pour un remplacement direct du R-404A. Parmi ces mélanges, trois sont étudiés par Thermo King dans le cadre de l’initiative AREP/AHRI :

• ARM-30a : composition massique HFC-32/R-1234yf (29/71)
• DR-7 : composition massique HFC-32/R-1234yf (36/64)
• L-40 : composition massique HFC-32/R-152a/R-1234yf/R-1234ze(E) (40/10/20/30)

CONCLUSIONS INDUSTRIES AGRO-ALIMENTAIRES (IAA)

Il existe des alternatives disponibles et intéressantes aux systèmes centralisés directs de froid positif ou positif/négatif utilisant le R-404A, notamment :

• les systèmes "cascade" CO2/ammoniac, quand l'ammoniac peut être utilisé d'un point de vue réglementaire, qui ont une excellente efficacité énergétique et un impact environnemental quasi nul, mais présentent les inconvénients liés à la toxicité et l'inflammabilité de l'ammoniac
• les systèmes cascade CO2/HFC-134a utilisant du HFC-134a en système indirect, qui peuvent être dimensionnés pour être convertibles au R-1234yf ; en cas de besoin en froid positif, seuls les systèmes indirects au HFC-134a, convertibles au R-1234yf, sont également intéressants d'un point de vue impact environnemental. Les systèmes cascade sont particulièrement intéressants car ils compensent l'efficacité énergétique moindre du HFC-134a et le CO2 compense la moins bonne capacité volumétrique du HFC-134a comparée au R-404A. Si les conditions de sécurité le permettent, l'ammoniac peut également être utilisé à la place du HFC-134a.
• des possibilités de rétrofit existent avec des fluides ayant des performances assez proches de celles du R-404A (en froid positif) qui peuvent être intéressantes en période transitoire pour amener l'installation à sa fin de vie, à un coût raisonnable (cas fréquent de drop-in).
• La plupart des fluides de remplacement, disponibles ou en cours de développement, sont adaptables au HCFC-22 qui concerne encore environ 15 % de la banque du domaine agroalimentaire en France.