Réfrigération : Le point sur les fluides et leurs alternatives

Utilisés dans les circuits de systèmes frigorifiques (chambres froides, réfrigérateurs industriels, congélateurs, machines à glaces, vitrines réfrigérées, climatisation..), les fluides frigorigènes permettent la production de froid.
Désormais classifiés selon leur Potentiel de Réchauffement de la Planète (PRP) ou GWP (Global Warming Potential), certains fluides frigorigènes utilisés dans les systèmes de production de froid seront amenés à disparaître.
Une réduction globale des émissions d’ici 2050 est en effet souhaitée par la Commission Européenne qui invite d’ores et déjà tous les acteurs du secteur du froid à envisager le remplacement ou la conversion de leurs installations frigorifiques.

Vers des fluides à faibles GWP ou PRP

Les acteurs du froid doivent donc désormais se référer au décret F-Gas, qui les invite à choisir, à plus ou moins long terme, des fluides frigorigènes alternatifs aux HFC.
Ce décret concerne toutes les entreprises qui installent, entretiennent et vendent des équipements contenant des fluides frigorigènes, ainsi que ceux qui les manipulent ou les distribuent. Concrètement, F-Gas marque la fin de l’utilisation des CFC (ChloroFluoroCarbures) et des HCFC (HydroChloroFluoroCarbures). L’interdiction des HFC (HydroFluoroCarbures) entrera quant à elle en vigueur en 2030, date à laquelle toutes les installations frigorifiques devront être alimentées par des fluides frigorigènes naturels.
F-Gas définit les règles relatives au confinement, à l’utilisation, à la récupération et à la destruction des gaz à effet de serre fluorés et aux mesures d’accompagnement.
Il définit également les conditions à la mise sur le marché de certains produits et équipements contenants des HFC.
Ce décret impose enfin des conditions à certaines utilisations spécifiques des gaz à effet de serre fluorés et fixe des limites quantitatives (quotas) pour la mise sur le marché des HFC.
La réglementation régissant les fluides frigorigène séchelonne l’interdiction des HFC sur trois échéances. En 2019, peuvent encore être utilisés les réfrigérants avec un GWP > 2500, mais plus au-delà de 2020.
Les HFC avec un GWP > 1500 sont seulement utilisables jusqu’en 2025. Enfin, d’ici 2030, vous pouvez aussi utiliser les HFC avec un GWP > 150. A partir de 2030, le fluide frigorigène autorisé sur les installations frigorifiques, devra avoir un GWP inférieur à 150.

Les alternatives dites naturelles au HFC

Quels sont les principaux frigorigènes naturels à faible PRP (Potentiel de Réchauffement Planétaire) ou GWP (pour Global Warming Potential) susceptibles de remplacer les HFC ?
De par leurs faibles impacts écologiques directs ainsi que les technologies frigorifiques innovantes associées, il apparaît que les fluides frigorigènes naturels représentent des solutions de substitution viables.

L’ammoniac et son faible PRP

Aujourd’hui, l’ammoniac est à nouveau très largement employé suite à la découverte de la toxicité environnementale de certains autres frigorigènes : on le trouve principalement dans les installations de froid industriel de grande puissance.
L’ammoniac est un fluide frigorigène de type L2 (toxique) dont la mise en oeuvre dans les installations ainsi que le transport requièrent de respecter un certain nombre de normes de sécurité et règlements.
L’ammoniac (R717) a un faible PRP et il est adapté aux systèmes frigorifiques. Les systèmes frigorifiques utilisant l’ammoniac ont généralement une efficacité énergétique supérieure aux systèmes frigorifiques aux HFC.
Même si l’ammoniac est toxique (la valeur limite d’exposition admissible (VEA) est de 50 ppm ou de 35 mg/m3), son odeur âcre lui confère un effet d’avertissement important. Certains mélanges ammoniac-air peuvent s’enflammer. Les limites d’inflammation correspondent à une concentration comprise entre 15 et 30 % en volume dans l’air.
«Dans les systèmes frigorifiques, étant donné que l’ammoniac provoque des températures élevées en fin de compression, les systèmes frigorifiques pour des applications à basse température doivent être conçus avec deux étages, avec un système de refroidissement intermédiaire entre les deux étages de compression. Par ailleurs, les températures élevées en fin de compression offrent d’excellentes possibilités pour la récupération de chaleur perdue. L’ammoniac reste le frigorigène de référence dans les systèmes frigorifiques industriels depuis plus de 130 ans. De par sa toxicité, il est utilisé uniquement dans les systèmes indirects dans les zones accessibles au public, par exemple dans des systèmes utilisant des frigoporteurs liquides ou plus récemment des frigoporteurs diphasiques pour les gammes de températures moyennes et/ou basses. Depuis peu, l’ammoniac est souvent utilisé dans l’étage haute température des systèmes frigorifiques en cascade au CO2», explique Michael Kauffeld dans une note d’Information de l’Institut International du froid.

Les hydrocarbures, moins coûteux que les HFC

Les principaux hydrocarbures présents dans le domaine du froid, en tant que frigorigènes, présentent des dangers d’inflammabilité importants. Ils peuvent donc être souvent utilisés lorsque les quantités de fluides frigorigènes nécessaires restent assez faibles.
Cependant  les hydrocarbures sont nettement moins coûteux que les HFC. Ils présentent un potentiel de réchauffement planétaire inférieur à 20 et un potentiel d’appauvrissement de l’ozone nul. Ils sont non toxiques, pratiquement inodores et répondent à de nombreuses spécifications requises pour les frigorigènes.
En général, un système frigorifique initialement conçu pour les HFC nécessitera entre 50 et 60% de frigorigène en moins (en masse) quand il est chargé en hydrocarbures.

L’eau (R718), le fluide le plus naturel

L’eau (R718) est le fluide le plus bénin sur le plan écologique (non toxique, ininflammable, ODP nul et PRP négligeable) et le plus communément utilisé comme fluide caloporteur en froid indirect  et en conditionnement d’air (refroidisseurs d’eau). Les propriétés thermophysiques de l’eau (pression de vapeur très basse et point de congélation à 0 °C) restreignent son utilisation en tant que frigorigène à des applications supérieures à 0 °C.

Le CO2 (R744) et son haut niveau de technicité

Le fluide naturel R744 à un impact minime sur le réchauffement de la planète (GWP = 1). Il est ininflammable et non-toxique. Malgré le haut niveau de technicité que requiert ce fluide naturel, ses avantages font qu’il est de plus en plus utilisé.
Le dioxyde de carbone (CO2, R-744) commence à être employé comme fluide frigorigène dès la fin du 19e siècle. Son succès est néanmoins freiné à partir du milieu du 20e siècle par l’arrivée des HCFC synthétiques.
Le fluide frigorigène R-744 s’est ensuite à nouveau imposé lentement à l’attention des professionnels du génie frigorifique lorsque les débats sur l’environnement ont débuté. Ininflammable, le dioxyde de carbone est également apprécié pour son effet étouffant sur les flammes, d’où son utilisation en tant qu’agent extincteur.
«Le dioxyde de carbone réagit avec d’autres substances, entre autres, avec l’ammoniac, ce qui doit impérativement être pris en compte lors de la planification et de la réalisation de systèmes frigorifiques en cascade fonctionnant avec du CO2 et du NH3. Si du dioxyde de carbone sous haute pression se mélange dans l’échangeur de chaleur en cascade à de l’ammoniac, la réaction produit du carbonate d’ammonium – également connu sous le nom de sel de corne de cerf – qui peut entraîner des dommages irréparables à l’installation», explique Lennox Emea.
Autre caractéristique, comparée aux autres systèmes, la pression du système dans les bouteilles est très élevée et doit ainsi être impérativement prise en compte lors de la manipulation du R-744. Dans ce contexte, il est indispensable de vérifier l’absence de pression avant l’ouverture de composants du système (valves, conduites, filtres, etc.). Cette règle s’applique pour toutes les manipulations de fluides frigorigènes, mais son non-respect dans le cas CO2 peut avoir des conséquences beaucoup plus graves que pour les autres fluides frigorigènes.

Ce qu’ils proposent…

«Lors de la conception d’une nouvelle installation de réfrigération, le choix du fluide frigorigène et son confinement dans l’installation permet de réduire l’impact environnemental de façon importante. A condition de répondre aux différents critères à considérer (GWP, production frigorifique, efficacité énergétique, facilité de mise en œuvre, sécurité et ROI*), explique Climalife, entreprise spécialisée dans la fabrication et la fourniture des fluides frigorigènes.

Le R-455A, la solution au plus faible GWP du marché

 Ainsi, pour les systèmes neufs de réfrigération positive et négative, Climalife préconise le R-455A qui est la solution au plus faible GWP (<150) du marché. «Le R-455A fournit un meilleur coefficient de performance que les fluides jusqu’à présent utilisés. Plusieurs études du secteur ont établi des gains de rendement d’au moins 6% en froid négatif», explique Climalife.
Du point de vue sécurité, le R-455A classé A2L est quasiment ininflammable. Sa plage d’inflammabilité est très réduite 1,1% (entre 11,8 et 12,9%). Le R-455A est non toxique ce qui présente un avantage par rapport à l’ammoniac classé B2L, fréquemment utilisé en application agroalimentaire. A la place du R-134a dans les installations neuves en froid positif et en conditionnement d’air, Climalife conseille le R-1234ze qui est un HFO à très faible GWP (<1). La plage de températures couvertes de -20°C à +110°C par le R-1234ze est plus grande que celle du R-134a et ouvre vers de nouvelles applications, comme par exemple, le blanchiment des légumes en permettant d’une part d’assurer la production de froid positif, mais aussi de chauffer l’eau au-delà de 85°C.
Le R-448A de Climalife est une solution de remplacement pour les systèmes fonctionnant avec des fluides à très fort GWP, comme le R-404A ou le R-507A qui sont encore très présents dans l’industrie agroalimentaire. Avec un GWP de 1387, soit presque 3 fois plus faible, le R-448A est idéal pour les installations de réfrigération des entrepôts frigorifiques, pour la surgélation, pour les laboratoires de préparation et pour la conservation des produits.

Le R-32, recyclable et réutilisable

De son côté, Daikin a lancé une nouvelle gamme de refroidisseurs fonctionnant au R-32.
«Son faible potentiel de réchauffement planétaire, combiné à sa classification en gaz peu inflammable, sont tout autant d’atouts pour faire émerger son utilisation dans de très nombreuses applications. En plus d’être peu impactant sur l’environnement et manipulable en toute sécurité, le R-32 est également facilement recyclable et réutilisable», explique le producteur de réfrigérants.
Le groupe poursuit la généralisation du R-32 dans l’équipement de ses produits, en réponse aux exigences de la règlementation internationale, européenne et française en matière de réfrigérants (F-Gas). Une nouvelle gamme de solutions Daikin équipée du réfrigérant pur R-32, au faible potentiel de réchauffement planétaire, est proposée pour le rafraîchissement d’application tertiaire.
«Comparativement à la gamme de refroidisseurs fonctionnant au R 410-A, cette nouvelle offre de groupes affiche un coefficient de performance saisonnier (SEER) amélioré de 10% grâce aux caractéristiques du R-32. Ces excellents résultats énergétiques permettent aux nouveaux refroidisseurs EWAT série B de répondre parfaitement aux exigences de la directive européenne EcoDesign Lot21», explique Daikin.

Conversion de réfrigeration au CO 2 transcritique

Un franchisé de Biocoop présent dans la région Aquitaine au travers de nombreux magasins et restaurants, a souhaité ouvrir un laboratoire de boucherie/charcuterie pour la fourniture de ses propres enseignes et du réseau Biocoop présent dans le sud-ouest de la France. Client de l’entreprise Froid Cuisine 24, il a sollicité à l’installateur Daikin pour l’étude et la pose de l’équipement de réfrigération de son laboratoire de viande de 1 200 m2 situé à Boulazac.
En 2017, lorsque son client vient le consulter, Sébastien Toulouse, co-gérant de Froid Cuisine 24, propose en premier lieu l’équipement d’une solution de réfrigération Zeas de Daikin. Froid Cuisine 24 maîtrise cette technologie, déjà installée sur plus d’une dizaine de références. Devant le durcissement des exigences règlementaires relatives à l’utilisation de fluides au fort PRP, aux taxes de plus en plus élevées, Froid Cuisine 24 préconise finalement à son client de s’équiper d’une technologie fonctionnant au CO2.
Le propriétaire privilégie la solution au CO2, fluide sans aucun impact sur le réchauffement planétaire, et ce malgré le surcoût de ce type de matériel et de son installation par rapport à un système classique. Froid Cuisine 24 étudie alors plusieurs solutions au CO2, de marques différentes, dont une du fabricant italien Zanotti.
Avant de démarrer l’installation du groupe Tewis au sein du laboratoire de viande Biocoop, Daikin organise une seconde initiation avec les équipes de Froid Cuisine 24, portant notamment sur les points critiques et la réalisation des tubes propres à la technologie du CO2 transcritique. A l’issue de cette formation, l’appréhension de la manipulation du CO2 disparaît devant le peu de changement à initier par rapport à une solution de réfrigération classique, auprès des différents techniciens de Froid Cuisine 24.
Bien sûr, selon les applications, d’autres alternatives ayant un faible PRP existent et vous seront conseillées par les professionnels du froid selon votre projet.

(SOURCES : Institut international du froid / Lennox Emea/ Westfalen/Climalife/Daikin)