Les fluides réfrigérants

Historique :

  • de 1830 à 1930, soit la première période du froid artificielle, les principaux gaz réfrigérants utilisés étaient principalement :
    • le dioxyde de soufre (SO2)
    • le chlorométhane aussi appelé chlorure de méthyle (CH3Cl)
    • le dioxyde de carbone (CO2)
    • l’ammoniac (NH3)
  • Tout ces fluides avaient des propriétés thermodynamiques intéressantes, mais ils présentaient tous des inconvénients, par exemple :
    • un danger pour l’homme par leur toxicité (SO2, CH3Cl, NH3)
    • le fait qu’ils avaient combustibles (CH3Cl, NH3)
    • la complexité de leur utilisation : point critique très bas, pression de fonctionnement élevées (CO2)

Les fluides chlorés

  • entre 1929 et le protocole de Montréal (1987)
    • les CFC (chlorofluorocarbones) : en 1292, un ingénieur américain, Thomas Midgley jr, et son équipe produisent les premières molécules de Dichlorodifluorométhane (CCl2F2) ou R12.
      • applications industrielles (avant son interdiction d’emploi) :
        • Ancien fluide frigorigène pour :
          • les installations frigorifiques (industrielles, commerciales et domestiques)
          • les systèmes de climatisation
          • les climatisations de véhicules automobiles
        • Ancien propulseur pour aérosols
        • Agent gonflant pour les mousses de polymères
      • arrêt de production en 1995
      • interdiction d’utilisation en Belgique en 1998
    • les HCFC (hydrochlorofluorocarbures) sont des gaz organiques dont la molécule est formée d’atomes de chlore, de carbone, de fluor et d’hydrogène. Ce sont des alcanes halogénés. Ils sont utilisés comme gaz réfrigérants et comme agents propulseurs dans les aérosols.
      • les HCFC sont moins stables que les CFC, donc moins destructeurs, mais conservent cependant un impact non négligeables sur la couche d’ozone et sont de puissants gaz à effet de serre (ex : R22, R123, R124, R142b,…)
      • interdiction pour la conception d’installation neuve en 2000
      • interdiction d’utilisation en 2015
    • les substances qui contiennent du chlore (ici CFC et HCFC) appauvrissant la couche d’ozone
      • ODP – Ozone Déplétion Potential ou PACO – Potentiel d’appauvrissements de l’ozone : c’est un indice qui classe la nocivité d’un composé chimique par apport à la couche d’ozone. Il est calculé par rapport à une molécule de référence, à savoir le R11 qui a un ODP = 1.
        • le R12 (CCl2F2) ODP = 1
        • le R22 (CHCIF2) ODP = 0,05
        • le R502 (mélange R22/R115) ODP = 0,3

Les fluides fluorés :

  • les HFC (hydrofluorocarbures) sont des gaz fluorés d’origine synthétique composés d’atomes de carbone, de fluor et d’hydrogène.
    • n’attaquant pas directement la couche d’ozone, ils ont été présentés comme une alternative aux CFC, mais leur contribution au réchauffement climatique est néanmoins importante car leur pouvoir de réchauffement global (GWP) sur cent ans peut être jusqu’à 14 800 fois supérieur à celui du CO2
    • en tant que gaz à effet de serre, ils relèvent du protocole de Kyoto
    • exemple : R134a, R410A, R32, R404A, R448A, R449A,…
  • les HFO (hydrofluoro-oléfines) correspondent à une classe de molécules, non-saturées, contenant au moins une liaison double Carbone-Carbone.
    • Ces molécules sont très réactives dans l’atmosphère, et par conséquence ont une durée de vie relativement courte. Cette courte durée de vie contribue partiellement au faible GWP de ces nouveaux fluides
    • les HFO sont une forme de HFC, mais en raison des connotations négatives que les HFC ont acquis, cette nouvelle classe de produits chimiques est commercialisée sous un nom différent
    • exemple : R1234-yf, R1234-ze, R1233-zd,…
    • les guildes HFO, une fois relâchés dans l’atmosphère, se brisent en composants qui ne se dégradent pas dans l’environnement, les acides sperfluorocarboxyliques ou PFAS.
  • le GWP, PRG ou PRP (potentiel de réchauffement Global) : c’est le pouvoir réchauffant d’un gaz, rapporté au pouvoir réchauffant de la même masse de dioxyde de carbone (CO2). L’unité légale est la tonne équivalent CO2 (Teq.CO2)
    • exemple :
      • R744 (CO2) = 1 kg eq.CO2
      • R134a = 1430 kg eq.CO2
      • R410A = 2040 kg eq.CO2
      • R23 = 14800 kg eq.CO2
      • R32 = 675 kg eq.CO2
      • R717 (NH3) = 0 kg eq.CO2

Les fluides alternatifs aux fluides fluorés:

  • les fluides alternatifs présentent malheureusement tous les facteurs de dangerosité lié à : la pression de fonctionnement élevée, l’inflammabilité et la toxicité.
  • les hydrocarbure (comme le propane, éthane, propylène). Ils se démarquent par leur faible impact écologique et leur haute efficacité énergétique.
    • applications fonctionnant au propane :
      • climatisation et pompe à chaleur résidentielle, industrielle et tertiaire
      • réfrigération commerciale
      • …
    • une transition vers le R290 (propanes) permet ainsi de réduire l’empreinte carbone de son activité mais aussi de gagner durablement en compétitivité. En effet, l’efficacité énergétique de ce fluide frigorigène engendre une diminution de sa facture énergétique.
  • le CO2 (R744) : ni inflammable ni toxique, il est une alternative naturelle aux réfrigérants synthétiques. De plus, le coût est beaucoup moindre que le réfrigérant synthétique de référence. Son GWP est de 1.
    • Difficulté du CO2 :
      • coût des systèmes
      • complexité des systèmes
  • l’ammoniac (NH3 – R717) : l’ammoniac est utilisé comm réfrigérant depuis la fin du XIXe siècle et reste un choix populaire aujourd’hui, en particulier dans les applications industrielles et commerciales. Son utilisation est due à un certain nombre d’avantage qui en font une alternative intéressante aux réfrigérants synthétiques. Son GWP est de 0.
    • Avantage :
      • Efficacité et performance
      • fiabilité et sécurité
      • durabilité environnementale
  • l’eau (H20 – R718) : utilisation en tant que fluide frigorigène. L’eau peut être utilisée dans des systèmes de réfrigération et de pompes à chaleur, en particulier dans des applications à haute température où elle offre des avantages en termes d’efficacité et de coûts.
    • Avantages :
      • très disponible
      • non toxique
      • non inflammable
      • facile à manipuler
      • COP élevé et compétitif
    • Limites :
      • point de congélation de l’eau à 0°C
      • nécessité de maintenir des pressions sous vide pour les systèmes de climatisations
    • Applications :
      • différents domaines comme par exemple la climatisation industrielle