Réfrigération au CO2

En raison des préoccupations croissantes concernant les effets nocifs que les réfrigérants fluorés peuvent avoir sur l’environnement, on assiste à une renaissance des réfrigérants naturels, notamment dans le domaine de la réfrigération au CO2 et au NH3 utilisée à des fins industrielles à basse température.

Communément appelé R-744 lorsqu’il est employé comme fluide frigorigène, le dioxyde de carbone (CO2) est devenu l’un des réfrigérants naturels les plus populaires ces dernières années, même s’il convient de souligner que le recours à cette technologie est loin d’être récent puisque ce composé était déjà couramment utilisé il y a plus d’un siècle.

Cette popularité qui touche actuellement le CO2 en tant que réfrigérant s’explique par son très faible impact sur l’environnement en comparaison avec les HFC (hydrofluorocarbures), ces derniers étant particulièrement menacés par la réglementation en vigueur (F-Gaz). Le CO2 n’inflige aucun dégât à la couche d’ozone (potentiel de déplétion ozonique PDO = 0) et ses effets sur le réchauffement climatique sont faibles (potentiel de réchauffement planétaire PRP = 1), cette dernière valeur étant prise comme référence pour déterminer le PRP des autres gaz.

Par ailleurs, la haute efficacité de ce composé lui permet également d’avoir une contribution indirecte plus faible au réchauffement global de la planète.

La réfrigération au CO2, une bonne solution de remplacement

Le CO2 est un fluide inodore, incolore et plus lourd que l’air. 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 si sa concentration dans l’atmosphère augmente de façon considérable. Ce gaz est classé comme réfrigérant à « haute sécurité », à savoir un fluide « 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 ºC) et de ses pressions d’exploitation élevées. Il possède une capacité volumétrique très supérieure à celle des réfrigérants classiques.

Avantages

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 condensateurs 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.

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 détecter 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 projetés 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.

Limitations

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.

Quelle est l’histoire du CO2 en tant que réfrigérant ?

Présent dans l’atmosphère à une concentration de 0,04 % en termes de volume, le CO2 est connu depuis le début de l’humanité.

Son utilisation comme réfrigérant remonte au xix^e siècle, employé à l’époque pour le refroidissement mécanique. En 1881, Carl Linde construit la première machine ayant recours au CO2. Des compresseurs fonctionnant au CO2 ainsi que des systèmes bi-étagés sont par la suite mis au point. Son utilisation ne cesse de se répandre.

Après la Première Guerre mondiale, le développement de gaz synthétiques laisse place à l’utilisation d’éléments moins robustes mais plus efficaces. C’est le début du déclin de l’emploi du CO2 comme réfrigérant, les gaz CFC commençant à prendre le dessus. Les réfrigérants HFC ont dominé le marché pendant 50 ans, jusqu’à la découverte d’un trou dans la couche d’ozone en 1974. Cette époque marque alors l’avènement des réfrigérants HFC, qui sont utilisés jusqu’à nos jours mais qui, contribuant au réchauffement planétaire, voient leur usage se limiter.

Pour quelle raison l’utilisation du CO2 dans des systèmes de réfrigération est-elle envisagée ?

À l’issue de la signature du protocole de Kyoto, partageant le même objectif que la Convention-cadre des Nations unies sur les changements climatiques, il est fixé pour objectif de réduire les émissions de six gaz à effet de serre (CO2 , CH4, N2O, HFC, PFC et SF6).

Parmi les mesures adoptées et les réglementations ratifiées pour parvenir à ces objectifs, il convient de citer la réglementation F-Gaz, mise en œuvre en 2006, qui est suivie de mises à jour successives plus rigoureuses. Son objectif est de réduire les émissions des gaz HFC d’un tiers à l’horizon 2030.

Pour poursuivre ces objectifs, des restrictions d’emploi et des interdictions sont imposées à l’échelle européenne. Dans le même temps, l’utilisation des fluides frigorigènes est soumise à des taxes d’État afin d’encourager l’utilisation de fluides frigorigènes naturels.

En se focalisant sur les fluides frigorigènes qui affichent des PRP < 150, la plupart d’entre eux sont inflammables (HFO), toxiques (NH3) ou contraints de travailler à des pressions élevées (CO2).

Propriétés thermodynamiques du CO2

La principale différence du CO2 par rapport aux autres fluides frigorigènes réside dans la pression à laquelle il doit travailler. Toutefois, ce facteur en fait un gaz à haute densité lui permettant d’accroître son effet réfrigérant avec une faible masse en circulation.

L’enthalpie d’évaporation par mètre cube déplacé (kJ/m³) est bien plus élevée que celle des autres gaz, ce qui conduit à l’utilisation de compresseurs de moindres cylindrées et à des tuyauteries de plus faibles diamètres.

Diagramme pression-enthalpie (log P-h) (diagramme de Mollier)

Lorsque le CO2 est utilisé comme réfrigérant, un diagramme P-h étendu doit être utilisé. En plus des zones habituelles de vapeur, de vapeur-liquide et de liquide que l’on peut voir dans le diagramme de Mollier de tout réfrigérant conventionnel, il représente la zone au-dessus du point critique (phase supercritique) ainsi que les zones en dessous du point triple.

Le graphique ci-dessous permet d’identifier l’état physique du CO2 en fonction de la pression (P) et de l’enthalpie (h). En modifiant ces deux variables, il est possible d’obtenir quatre phases bien distinctes (solide, liquide, vapeur et fluide supercritique) ainsi que 3 autres zones intermédiaires de mélange diphasique (solide-liquide, solide-vapeur et liquide-vapeur).

En comparaison avec d’autres réfrigérants, il est à noter que des pressions de saturation élevées sont obtenues, y compris avec des températures très faibles. Une attention toute particulière doit être accordée aux points du diagramme de phases suivants :

• Point critique : 30,98 ºC et 73,77 bar. ⟹ Changement de phase sans condensation
• Point triple : -56,56 ºC et 5,187 bar. ⟹ La phase liquide ne peut exister qu’à une pression supérieure à 5,187 bar, la détente de liquide à une pression inférieure produisant de la glace sèche (solide).

Diagramme de Mollier pour utilisation courante en réfrigération

Pour représenter les cycles des machines frigorifiques, il est habituel d’utiliser un diagramme de Mollier simplifié sur lequel la zone solide ou solide-liquide (partie de gauche) n’est pas représentée, tout comme la zone qui se trouve sous le point triple (< 5,2 bar). Par conséquent, le diagramme couramment utilisé en réfrigération n’illustre que les zones liquide, vapeur ou liquide-vapeur. Il ressemble fortement au diagramme de quelconque autre fluide frigorigène d’usage quotidien, mais avec des pressions beaucoup plus élevées :

Que se passe-t-il dans la région critique ?

À mesure que l’on s’approche du point critique, les densités du liquide et de la vapeur tendent vers la même valeur, la différence entre le liquide et la vapeur disparaissant lorsque le point critique est atteint. Une région à haute densité apparaît.

Le fait de pouvoir travailler en dessous du point critique ou non définira le type d’unité et le mode de fonctionnement, ce qui donnera lieu à des systèmes complètement différents. Dans les unités de réfrigération à air dont la température ambiante est inférieure à environ 25°C, il est possible de travailler dans un cycle sous-critique, alors qu’à des températures plus élevées, il est nécessaire de travailler dans un cycle transcritique.

Applications les plus courantes, avantages, inconvénients et réglementations du CO2 comme réfrigérant

Applications les plus courantes du la réfrigération au CO2 :

• Froid commercial et froid industriel
• Transport frigorifique
• Systèmes monoblocs
• Supermarchés
• Systèmes directs, en cascade et indirects

Avantages de l’utilisation du la réfrigération au CO2 :

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

Inconvénients de l’utilisation du la réfrigération au CO2 :

• 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.
• Le prix du système est onéreux.

Réglementations relatives au la réfrigération au CO2 :

• • Règlement (CE) n^o 1005/2009 du Parlement européen relatif aux substances qui appauvrissent la couche d’ozone
  • 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)
  • Commission électrotechnique internationale (CEI 60335-2-89) – Charge de réfrigérant dans les mobiliers réfrigérés.