Réfrigérants de substitution naturels

Avec l’entrée en vigueur de la réglementation européenne F-Gaz 517/2014. Il nous faut impérativement trouver des fluides réfrigérants de substitution naturels capables de conserver nos équipements de réfrigération en bon état de fonctionnement comme c’était le cas jusqu’à présent.

En raison de la crainte croissante des effets nuisibles que les réfrigérants fluorés peuvent exercer sur l’environnement, on assiste à une véritable renaissance des fluides frigorigènes naturels, et tout particulièrement du NH₃ ainsi que du CO₂ utilisés à des fins industrielles à basse température.

Outre le fait de dresser la liste des réfrigérants actuellement employés dans le domaine de la réfrigération et de leur trouver des fluides de substitution, cet article s’attache à énumérer les principales caractéristiques de chaque gaz écologique/naturel de remplacement ainsi qu’à présenter leur avantage compétitif.

Fluides frigorigènes utilisés à l’heure actuelle

Quelles sont leurs caractéristiques?

Les lignes qui suivent s’appliquent à analyser les réfrigérants les plus usités dans les applications commerciales afin de mieux connaître leurs propriétés :

• R452A : substitut direct du R404A, mais avec un PRP modéré égal à 2 140 et un prix de commercialisation élevé. Il peut être appliqué en basse, moyenne et haute température.
• R449A : ce gaz possède des propriétés similaires au R404A et en est un substitut presque direct. Il possède un PRP un tiers inférieur à celui du R404A (PRP = 1 396), mais il convient de souligner sa température élevée de refoulement lorsqu’il est exploité à basse température, ce qui, dans la plupart des cas, requiert l’installation d’un système d’injection de liquide pour refroidir le gaz.
• R290 (propane) : réfrigérant naturel hautement performant, stable et peu coûteux, sans risque d’obsolescence, à très faible potentiel de réchauffement planétaire (PRP = 3) et, par conséquent, exonéré de taxes. Il s’agit d’un fluide frigorigène excellent aussi bien pour la basse que pour la moyenne température. Le seul petit inconvénient réside dans le fait qu’il est classé A3 (haute inflammabilité) selon le règlement de sécurité des installations frigorifiques (RSIF) et qu’il faut donc prendre certaines précautions lors de sa manipulation et à l’heure de concevoir le système.
• R134a : réfrigérant possédant d’excellentes caractéristiques pour travailler à moyenne et haute température, il affiche un PRP de 1 430 et aucune date limite n’a encore été fixée pour interdire son utilisation dans le secteur du froid commercial.
• R513A : substitut direct du R134a, mais avec un PRP modéré égal à 631 et un prix de commercialisation élevé. Il peut être appliqué en moyenne et haute température.

Réfrigéraants naturels

Les fluides frigorigènes naturels sont des produits chimiques issus de processus biochimiques ayant lieu dans la nature, à savoir des substances qui sont naturellement présentes dans la biosphère. Par ailleurs, ils n’infligent aucun dégât à la couche d’ozone (PDO = 0) et possèdent un potentiel de réchauffement planétaire (PRP ≈ 0) très faible, voire nul. Par ailleurs, la haute efficacité de ces réfrigérants leur permet d’avoir une contribution indirecte plus faible au réchauffement global de la planète. Ces produits étaient déjà utilisés comme fluides frigorigènes au xix^e siècle et ils reviennent à la mode en raison de leur impact moindre sur l’environnement.

Les principaux réfrigérants naturels utilisés à l’heure actuelle dans l’industrie de la réfrigération sont l’ammoniac (NH₃), le dioxyde de carbone (CO₂) et les hydrocarbures tels que le propane (CH₃CH₂CH₃), l’isobutane (CH(CH3)2-CH3) et le propylène (CH3CH=CH2), le premier cité étant le plus répandu. Les lignes qui suivent s’attachent à énumérer les caractéristiques techniques de chacun de ces fluides frigorigènes, à répertorier leurs applications ainsi qu’à comparer leurs avantages et inconvénients.

 Caractéristiques des réfrigérants naturels

Le tableau ci-dessous dresse la liste des différents réfrigérants naturels ainsi que leurs principales caractéristiques :

Ammoniac (NH3 / R717)

L’ammoniac (NH₃) possède un potentiel de déplétion ozonique nul (PDO = 0) et un potentiel de réchauffement planétaire lui aussi égal à zéro (PRP = 0). Ses propriétés thermodynamiques excellentes en font un bon candidat pour une utilisation en tant que fluide frigorigène dans des systèmes de réfrigération par compression de vapeur, son emploi permettant de réduire la consommation d’énergie en comparaison avec d’autres réfrigérants.

Utilisé comme fluide primaire avant l’apparition des fréons, ce gaz a vu son emploi se cantonner aux applications industrielles à puissance élevée, secteur dans lequel il est encore présent aujourd’hui. L’ammoniac affiche de bons niveaux d’efficacité énergétique et un faible coût pour ce genre d’applications. Principalement utilisé dans le domaine de la réfrigération industrielle faisant appel à des compresseurs à vis, il sert également de fluide frigorigène dans des installations d’absorption au NH₃-H₂O.

Ses atouts en tant que réfrigérants ne sont plus à démontrer, puisque ce composé est utilisé depuis plus de cent ans grâce à sa capacité à atteindre des températures pouvant aller jusqu’à -70 °C. Il s’agit d’un réfrigérant de remplacement aussi bien pour des équipements d’air conditionné que pour des systèmes de réfrigération. Par ailleurs, il peut être utilisé dans des équipements neufs ainsi que dans des installations existantes. Il possède un point de vaporisation relativement bas (-33 °C) et une chaleur latente de vaporisation élevée (1 371 kJ/kg). Ne restant que quelques jours dans l’atmosphère, ce gaz est considéré comme biodégradable.

Mesures

Selon RSIF, il s’agit d’un réfrigérant de classe de sécurité B2L, à savoir « légèrement inflammable » et à « toxicité élevée ».

Concernant la sécurité, l’ammoniac est facilement détectable en raison de son odeur particulière. En revanche, sa toxicité élevée est telle que toutes les installations qui l’utilisent doivent être conformes aux spécifications et normes de sécurité établies à l’échelle internationale. En outre, les opérateurs amenés à intervenir sur ce type d’installations doivent être convenablement formés et doivent obligatoirement porter les équipements de protection individuelle exigés.

Applications les plus courantes de l’ammoniac

• Applications industrielles à puissance élevée.
• Froid commercial : systèmes à détente indirecte dans les supermarchés.
• Froid industriel : systèmes à détente indirecte et systèmes en cascade NH₃ – CO_2.
• Réfrigération pour le transport.
• Systèmes thermiques de stockage.
• Compresseurs centrifuges commerciaux/industriels.

Avantages

• PDO = 0 et PRP = 0.
• Bon transfert thermique.
• Capacité de réfrigération plus élevée que celle d’autres réfrigérants.
• Produit économique, sans risque d’obsolescence.
• Miscible dans l’eau.
• Facilement détectable en cas de fuite.
• Mélange possible avec des lubrifiants minéraux, l’alkylbenzène ou les polyalphaoléfines.

Inconvénients

• Toxique.
• Prix élevé du système.
• Usage limité à certaines applications.
• Risque d’inflammabilité dans certaines conditions.
• Non adapté à la reconversion des systèmes actuels fonctionnant à partir de réfrigérants fluorés en raison de sa toxicité et sa légère inflammabilité.

Dioxyde de carbone (CO2 / R744)

Communément appelé R744 lorsqu’il est employé comme fluide frigorigène, le dioxyde de carbone (CO₂) est considéré comme une bonne solution de remplacement des HFC (hydrofluorocarbures) puisqu’il ne nuit pas à la couche d’ozone (PDO = 0) et possède un potentiel de réchauffement planétaire égal à 1 (PRP = 1), cette dernière valeur étant prise comme référence pour déterminer le PRP des autres gaz. Gaz inodore, incolore et plus lourd que l’air, le dioxyde de carbone est utilisé comme fluide frigorigène depuis plus d’un siècle. Bien qu’il soit nécessaire à la vie sur terre, il s’agit également d’un gaz à effet de serre (GES) qui peut modifier l’environnement lorsque sa concentration dans l’atmosphère augmente de façon considérable. Selon le règlement sur la sécurité des installations frigorifiques (RSIF), il s’agit d’un réfrigérant de classe de sécurité A1, à savoir « non inflammable » et à « faible toxicité ».

Le CO₂ a été utilisé en tant que réfrigérant primaire avant l’apparition des fréons, mais il est rapidement tombé en désuétude en raison de sa forte complexité technologique. Il présente des propriétés thermophysiques excellentes, bien qu’il pose certaines difficultés en raison de sa faible valeur de température critique (30,978 °C) et de ses pressions d’exploitation élevées. Sa capacité volumétrique est très supérieure à celle des réfrigérants classiques. En réfrigération, lorsque les températures ambiantes sont inférieures à plus ou moins 25 °C, il travaille en cycle subcritique, tandis qu’il travaille en cycle transcritique lorsque les températures sont supérieures à cette limite. Dans le cas des systèmes transcritiques, le recours à des cycles complexes s’avère nécessaire pour pouvoir obtenir des efficacités de travail similaires à celles des fluides classiques (compresseur parallèle, sous-refroidissement mécanique, éjecteurs, etc.).

Ce composé se caractérise par une haute conductivité thermique et une densité élevée en phase gazeuse, ce qui donne lieu à un bon transfert de chaleur dans les évaporateurs, les condenseurs et les refroidisseurs de gaz. Ces atouts permettent donc de dimensionner des équipements de plus petites tailles en comparaison avec les unités qui font appel à des CFC, des HCFC et des HFC. Par ailleurs, la faible perte de pression de ce gaz permet de réduire le diamètre des tuyauteries et flexibles.

Mesures

Le CO₂ constitue une bonne solution de remplacement pour le froid aussi bien commercial qu’industriel, mais certaines mesures de sécurité doivent toutefois être considérées. Il faut garder à l’esprit que le CO₂ est imperceptible à l’odorat et, étant plus dense que l’air, il peut donc déplacer l’oxygène jusqu’à des limites nocives pour la santé. Ne dégageant aucune odeur, le technicien se retrouve dans l’incapacité de détecter sa présence en cas de fuite. De telles caractéristiques nous obligent à prêter une attention toute particulière à la détection des fuites, à disposer d’un système d’alarme capable de capter la présence de CO₂ et de lancer une alerte en temps voulu, et à posséder un système de ventilation d’urgence.

Par ailleurs, la pression d’échappement élevée du gaz provoque des éclaboussures de réfrigérant et de résidus à l’état solide qui sont projetées à très faible température à la vitesse du son. Il est important de savoir qu’il ne faut jamais charger le CO₂ à l’état liquide lorsque le système se trouve à une pression inférieure à celle du point triple (5,2 bar), auquel cas le liquide qui pénètre dans l’unité change subitement d’état en prenant la forme de neige carbonique et en demeurant sous cet état à l’intérieur du système.

Contrairement à d’autres réfrigérants naturels, le CO₂ ne peut s’adapter à aucun équipement, qu’il soit ancien ou actuel. Les installations doivent en effet être spécifiquement conçues pour les caractéristiques de ce gaz et pour les hautes pressions qu’elles vont être amenées à supporter. Pour finir, et en comparaison avec les hydrocarbures, le CO₂ présente l’avantage de pouvoir être utilisé dans des installations sans aucune limite de charge.

Applications les plus courantes du dioxyde de carbone

• Froid commercial et froid industriel.
• Réfrigération pour le transport.
• Systèmes monoblocs.
• Supermarchés.
• Systèmes à détente directe, en cascade et à détente indirecte.

Avantages

• PDO = 0 et PRP = 1.
• Non inflammable.
• Faible toxicité (dangereux uniquement à de fortes concentrations).
• Coefficient de transfert thermique élevé.
• Hautement performant pour une consommation d’énergie faible.
• Aucun effet secondaire à long terme.
• Produit économique, sans risque d’obsolescence.
• Disponibilité élevée (sous-produit de différents processus).
• Mélange possible avec des lubrifiants POE, PGA et PVE.

Inconvénients

• Il travaille à des températures et des pressions plus élevées que celles des HFC et des autres fluides.
• En cas de fuites, le CO₂ s’accumule au niveau du sol et déplace l’air. S’agissant d’une substance inodore, il est indétectable par l’appareil olfactif.
• Le CO₂ ne s’adapte qu’aux nouveaux systèmes. S’agissant d’un fluide frigorigène à haute pression et à basse température critique, il n’est pas adapté à la reconversion des systèmes existants fonctionnant à partir de réfrigérants fluorés.
• Le prix du système est élevé.

Hydrocarbures

Les hydrocarbures sont largement utilisés dans le secteur de la réfrigération moderne en raison de leurs propriétés respectueuses de l’environnement. Incolores et presque inodores, ils possèdent un PDO = 0 et un PRP ≤ 6. Ils sont principalement utilisés dans les circuits secondaires et les systèmes en cascade, pour la réfrigération dans les supermarchés, dans les refroidisseurs à systèmes de sécurité et dans les équipements monoblocs. En raison de leur inflammabilité, il convient de signaler que les normes de sécurité établies doivent être respectées et que leur emploi est limité à des circuits frigorifiques hermétiques à petites charges lorsque les équipements sont placés dans des espaces clos.

Mesures

En matière de sécurité, les principales mesures à adopter consistent à s’assurer de l’absence de sources de chaleur susceptibles de former des flammes, à veiller à ce qu’aucun interrupteur ou appareil pouvant dégager des étincelles ne soit présent sur les lieux et à interdire formellement de fumer. L’électricité statique doit elle aussi être évitée et il importe de garantir la bonne ventilation de la zone de travail ainsi que d’interdire la présence de personnes non concernées par les opérations d’installation et/ou de maintenance. De même, il convient d’éviter que ces réfrigérants ne pénètrent dans les sous-sols et les réseaux d’égouts. Étant plus lourds que l’air, ils peuvent en effet poser problème lorsque les mesures opportunes ne sont pas adoptées.

Les techniciens en charge de l’installation et/ou de la maintenance d’équipements qui contiennent des hydrocarbures doivent été professionnellement formés à la manipulation de ces composés et doivent posséder les connaissances nécessaires concernant l’emploi des outils, l’utilisation des composants du système et l’application des mesures de sécurité (pour les espaces de travail et le personnel).

Concernant la fabrication des équipements et systèmes contenant des hydrocarbures, toutes les précautions doivent être prises pour garantir l’absence de fuites dans le circuit. Là aussi, la présence d’éléments susceptibles de dégager tout type d’étincelles doit être évitée.

Propane (CH3CH2CH3 / R290)

Hydrocarbure le plus populaire et le plus répandu dans le secteur de la réfrigération, le propane ou R290 est utilisé dans certains équipements tels que les pompes à chaleur ou les groupes monoblocs de froid commercial.

Non toxique mais hautement inflammable, ce gaz possède un PDO = 0 et un PRP = 3. Ce gaz est entièrement compatible avec les restrictions imposées par la réglementation F-Gaz et présente des propriétés thermodynamiques similaires à celles du R22, bien que sa capacité et ses pressions de travail soient légèrement inférieures. Il se caractérise par d’excellentes propriétés thermophysiques et possède une bonne efficacité thermique dans la plupart des conditions d’exploitation, y compris à des températures ambiantes élevées avec lesquelles il présente une température de refoulement réduite.

Il était jusqu’à présent utilisé dans des équipements hermétiques de froid commercial moyenne puissance, avec des limites de charge en Europe de 150 g/circuit. Néanmoins, avec la modification potentielle des normes de sécurité (CEI 60335-2-89 et CEI 60335-2-40) qui devrait probablement augmenter cette limite de charge à 500 g/circuit, ce fluide frigorigène devrait voir son utilisation se répandre fortement. À noter qu’il est également utilisé comme composant de mélanges de réfrigérants.

À l’heure de travailler avec un fluide de ce type, il importe d’en vérifier la grande pureté. Toute présence d’impuretés peut en effet contribuer à la dégradation de l’huile lubrifiante de l’installation, voire à l’usure ou à la rupture de certaines pièces. Lorsque la pureté de l’hydrocarbure n’est pas assez élevée, cela peut signifier qu’il a été mélangé avec d’autres hydrocarbures, ce qui peut avoir pour conséquence de modifier considérablement les propriétés physiques et thermodynamique du propane d’origine.

En définitive, le propane représente une solution de remplacement tout à fait adaptée à la réfrigération et les équipements qui l’utilisent voient leur efficacité énergétique augmenter et leur coût diminuer par rapport aux gaz fluorés.

À l’instar du reste des réfrigérants hydrocarbures, le propane possède lui aussi une très bonne miscibilité avec tout type de lubrifiant. Parfois, l’emploi d’huiles plus visqueuses peut s’avérer nécessaire pour compenser cet excès de solubilité.

Par ailleurs, il convient de souligner que le propane est inodore et que l’appareil olfactif de l’homme rencontre donc des difficultés à détecter la présence de fuites.

 Applications les plus courantes

• Équipements monoblocs à faible charge de fluide frigorigène
• Refroidisseurs
• Systèmes en cascade
• Circuits secondaires (réfrigération dans les supermarchés)

Avantages

• PDO = 0 et PRP = 3
• Efficace
• Produit économique, sans risque d’obsolescence
• Non toxique
• Coût du système de réfrigération modéré-faible
• Bonne compatibilité avec les plastiques et les métaux
• Mélange possible avec des lubrifiants POE

Inconvénients

• Haute inflammabilité
• Coût supplémentaire pour garantir la sécurité de l’équipement et du personnel

Réglementation applicable

• Décret royal 138/2011, du 4 février 2011, portant approbation du règlement de sécurité sur les installations frigorifiques et leurs instructions techniques complémentaires.
• Décret royal 1042/2013, du 27 décembre 2013, portant approbation du règlement relatif à la taxe sur les gaz à effet de serre fluorés.
• Loi 6/2018, du 3 juillet 2018, relative aux budgets généraux de l’État pour l’année 2018 (article 85, modification du règlement précédent).
• Règlement (UE) n^o 517/2014 du Parlement européen et du Conseil, du 16 avril 2014, relatif aux gaz à effet de serre fluorés (règlement F-Gaz).
• Décret royal 115/2017, du 17 février 2017. Portant réglementation de la commercialisation et manipulation des gaz fluorés et des équipements fonctionnant avec ces derniers, et légiférant sur la certification des professionnels qui les utilisent en établissant des exigences techniques pour les installations au sein desquelles des activités émettant des gaz fluorés sont menées.