Le rôle des réfrigérants naturels dans la climatisation et la réfrigération
Nous sommes à un tournant de ce qui est une nouvelle ère dans le secteur de la réfrigération. Dans cette nouvelle décennie de “lutte contre le changement climatique”, les réfrigérants fluorés à fort effet de serre seront définitivement abandonnés au profit de réfrigérants et de solutions alternatives. Les réfrigérants naturels sont appelés à occuper une place privilégiée, avec leurs avantages et leurs inconvénients. Ces inconvénients sont contrebalancés par les défis technologiques auxquels nous sommes confrontés aujourd’hui.
Un demi-siècle de vagues d’innovation dans des réfrigérants synthétiques très sûrs et faciles à gérer a permis à l’ensemble du secteur de la réfrigération et de la climatisation commerciales de se développer, mais malheureusement au prix de dommages environnementaux initialement inconnus.
Chaque nouveau réfrigérant synthétique a donné lieu à une nouvelle menace pour l’environnement : les CFC pour la destruction de la couche d’ozone (ODP), les HFC pour le réchauffement climatique (PCA) et pour les HFO, la communauté scientifique met déjà en garde contre la menace potentielle de l’acide trifluoroacétique (TFA). Seul un retour aux réfrigérants naturels semble garantir la durabilité à long terme de la planète.
Le terme “réfrigérant naturel” est controversé, parce que tous les réfrigérants sont produits ou synthétisés dans l’industrie. Mais contrairement aux “réfrigérants synthétiques”, les réfrigérants naturels sont des substances déjà présentes dans la nature en grandes quantités. Leur libération dans l’atmosphère par la main de l’homme, qu’elle soit délibérée ou accidentelle, ne perturbe donc pas l’équilibre environnemental. C’est le cas, par exemple, de l’ammoniac, qui provient de la décomposition de la matière organique et fait partie du cycle naturel de l’azote.
Ce sont les politiques environnementales, principalement dirigées par l’Union Européenne, qui ont imposé une réduction de l’utilisation des gaz fluorés et favorisé le développement des réfrigérants naturels, initialement dans le secteur de la réfrigération commerciale, puis dans celui de la climatisation. En effet, lors de la dernière réunion d’évaluation de l’efficacité du règlement sur les gaz fluorés, une réduction de 37% de la commercialisation des gaz fluorés, soit l’équivalent de 47% des émissions de CO2, a été constatée.
Cette réduction des émissions entre 2014 et 2019, estimée à 44 MtCO2eq, est principalement due aux progrès réalisés dans le secteur de la réfrigération (62 %), grâce à l’introduction de HFO et de réfrigérants naturels. Des réductions similaires sont attendues dans les années à venir dans le secteur de la climatisation et dans celui de la réfrigération mobile, où la révision imminente du règlement sur les gaz fluorés introduira de nouvelles mesures.
Actuellement, les principaux réfrigérants naturels utilisés dans le secteur sont l’ammoniac, le dioxyde de carbone et les hydrocarbures tels que le propane ou l’isobutane. D’autres réfrigérants naturels, comme le propylène ou l’éthane, ont une utilisation plus marginale.
Ammoniac
L’ammoniac ou R717 est reconnu comme un excellent réfrigérant aux performances frigorifiques élevées, grâce à ses propriétés thermodynamiques inégalées. Toutefois, c’est sa toxicité élevée, plutôt que sa légère inflammabilité, qui constitue l’inconvénient de son utilisation dans ou à proximité des locaux publics. Pour cette raison, il a traditionnellement été confiné aux grands systèmes industriels, où il a survécu aux fluctuations de l’industrie. Cependant, les récentes technologies d’ammoniac à faible charge ont réussi à augmenter la sécurité du système en réduisant la charge de réfrigérant nécessaire pour produire du froid. À titre d’exemple, les développements récents des installations de refroidissement à l’ammoniac, avec condensation à microcanaux, charge critique et expansion sèche, ont permis d’atteindre des charges spécifiques de réfrigérant aussi basses que 70 grammes par kW de réfrigérant, soit les plus basses de l’histoire de la réfrigération.
Autre application intéressante de la technologie de l’ammoniac à faible charge, qui connaît un grand succès en Australie : sont les systèmes à détente directe, par opposition aux systèmes à ammoniac par pompage. Les progrès des systèmes électroniques de contrôle de l’expansion du réfrigérant, ainsi que le développement d’huiles miscibles à l’ammoniac, ont permis de résoudre les deux principales difficultés. La nouvelle technologie est capable de réduire la charge d’ammoniac dans le système à moins d’un vingtième part, avec les avantages de sécurité que cela comporte.
Dioxyde de carbone
Le R744, CO2 ou dioxyde de carbone, est à nouveau utilisé comme réfrigérant depuis le début du siècle dans diverses applications. C’est le meilleur fluide frigorigène pour la production de froid à basse température dans le secteur de la réfrigération industrielle. Il est principalement utilisé en Europe, à la fois comme fluide secondaire à changement de phase et comme fluide frigorigène pour l’étage à basse température dans les cycles en cascade.
Dans le domaine de la réfrigération commerciale, le cycle transcritique au CO2 s’est popularisé en Europe et au Japon comme l’une des meilleures solutions pour les grands supermarchés, grâce aux excellentes caractéristiques de transport du froid du CO2. Cependant, la faible performance du cycle transcritique à des températures ambiantes supérieures à 25°C a nécessité le développement de cycles avancés pour l’extension de ces systèmes aux climats chauds du sud de l’Europe. En effet, parmi les diverses sophistications proposées par l’industrie au cours de la dernière décennie, du sous-refroidissement mécanique aux éjecteurs, la compression parallèle semble être la plus performante. Sur la base de ce principe, les développements récents des compresseurs scroll avec injection de vapeur à moyenne pression sont également prometteurs. La diffusion du CO2 dans la réfrigération commerciale s’accompagne d’un meilleur et plus large choix de composants et d’une réduction des prix. Dans les années à venir, nous verrons les systèmes CO2 étendre leur application dans la gamme de puissance inférieure avec des unités compactes et des mini-centrales électriques avec refroidisseurs de gaz intégrés.
La faible efficacité du cycle transcritique à des températures d’évaporation élevées a été et est toujours un obstacle à son application dans le secteur de la climatisation. A l’exception notable des pompes à chaleur pour la production d’eau chaude instantanée, où le cycle transcritique du CO2 offre de bonnes performances. Ce type d’équipement est commercialisé au Japon avec un grand succès depuis une décennie.
Hydrocarbures
Les propriétés des hydrocarbures en tant que réfrigérants sont connues depuis les débuts de la réfrigération mécanique. Cependant, leur inflammabilité élevée les a traditionnellement exclus comme premier choix.
Parmi les hydrocarbures, l’isobutane ou R600a est standardisé pour la réfrigération domestique avec des millions d’unités fabriquées chaque année. La charge de seulement 100 grammes de réfrigérant ne présente aucun risque appréciable dans une cuisine.
En outre, le propane ou R290 est utilisé avec succès dans les petits équipements compacts de climatisation et de réfrigération, tels que les monoblocs de chambres froides et les meubles de refroidissement avec unités intégrées. Une autre application récente est l’utilisation du R290 dans les systèmes à condensation indirecte, les systèmes à boucle d’eau, pour lesquels plusieurs unités de condensation et équipements compacts à boucle d’eau ont été récemment développés, et qui sont utilisés avec succès dans les applications de réfrigération commerciale telles que les petits supermarchés ou les cuisines industrielles.
D’autre part, l’utilisation du R290 dans les installations de refroidissement de moyenne capacité a rendu les systèmes indirects populaires dans les applications de réfrigération commerciale des supermarchés de taille moyenne. L’excellente performance de refroidissement du R290 compense les inconvénients du circuit secondaire, et une conception appropriée de l’équipement avec une charge réduite, ainsi que son emplacement à l’extérieur, en font une solution sûre. La versatilité, la fiabilité et la facilité de gestion des systèmes indirects par rapport à l’alternative de l’expansion directe du CO2 ont conduit à une demande émergente d’installations de refroidissement au R290 en Europe centrale et du Nord.
Les récents changements réglementaires en Europe (EN 378) et en Espagne (RSIF 2019) ouvrent une possibilité intéressante pour l’application de réfrigérants inflammables tels que l’ammoniac ou le propane dans les applications de climatisation, qui étaient auparavant interdites. Les technologies à faible charge appliquées aux deux réfrigérants permettent de réduire le risque à des niveaux acceptables. C’est pourquoi l’utilisation d’ammoniac ou de propane dans les installations de refroidissement et les pompes à chaleur pour la climatisation est désormais possible.
En résumé, nous sommes à un moment décisif où, après une période de transition et de coexistence avec des réfrigérants fluorés à effet de serre modéré, les réfrigérants naturels sont appelés à couvrir les différents besoins du secteur de la réfrigération et de la climatisation. Il existe actuellement un large éventail de solutions proposées, avec leurs avantages et leurs inconvénients pour les différentes applications, qui devront trouver leur niche sur le marché. Leur évolution et leur perfectionnement conditionneront la portée de chacun d’entre eux. N’oublions pas que, aussi important que le type de réfrigérant, pour des raisons de sécurité et de coût, la réduction de la charge du système jouera un rôle essentiel.
