Les chambres froides utilisaient des réfrigérants à fort potentiel de réchauffement global (PRG) et nuisibles à la couche d’ozone (ODS). Avec le renforcement des réglementations mondiales et la prise de conscience environnementale, il est urgent de passer à des réfrigérants écologiques, c’est-à-dire des substances qui minimisent l’impact sur l’environnement tout en offrant un refroidissement efficace.

Cet article explore les raisons qui motivent l’adoption de réfrigérants respectueux de l’environnement, examine les options les plus courantes, discute des avantages et des défis, et offre des conseils pour leur mise en œuvre dans les applications de chambres froides.

Pourquoi passer à des réfrigérants respectueux de l’environnement ?

Préoccupations environnementales

1. Potentiel de réchauffement global (PRG) : De nombreux réfrigérants conventionnels (par exemple, le R-404A et le R-507) ont un PRG de plusieurs milliers, ce qui signifie que même de petites fuites peuvent contribuer de manière significative aux émissions de gaz à effet de serre.
2. Potentiel d’appauvrissement de la couche d’ozone (PAC) : Les réfrigérants plus anciens, tels que les chlorofluorocarbones (CFC) et les hydrochlorofluorocarbones (HCFC), contribuent de manière significative à l’appauvrissement de la couche d’ozone. Bien qu’ils aient été progressivement éliminés dans le cadre du Protocole de Montréal, certains HCFC (par exemple, le R-22) sont encore utilisés dans les équipements existants.
3. Pression réglementaire : Des régions telles que l’Union européenne, l’Amérique du Nord et certaines parties de l’Asie appliquent des calendriers de réduction progressive stricts (par exemple, l’amendement de Kigali au Protocole de Montréal) afin d’éliminer les réfrigérants à PRG élevé.

Facteurs économiques et opérationnels

1. Efficacité énergétique : Les réfrigérants modernes respectueux de l’environnement présentent souvent des propriétés thermodynamiques supérieures, ce qui se traduit par une consommation d’énergie moindre et des coûts d’exploitation réduits à long terme.
2. Pérennité : en adoptant des réfrigérants à faible PRG et sans ODP, les exploitants de chambres froides peuvent éviter des rénovations ou des remplacements coûteux de leurs équipements lorsque les réglementations se durcissent.
3. Objectifs de développement durable des entreprises : de nombreuses organisations se sont engagées à atteindre des objectifs de zéro émission nette ou de réduction des émissions de carbone. La transition vers des réfrigérants respectueux de l’environnement est une étape concrète vers la réalisation de ces objectifs.

Catégories de réfrigérants respectueux de l’environnement

Les réfrigérants écologiques peuvent être classés en deux grandes catégories : les réfrigérants naturels et les réfrigérants synthétiques à faible PRG :

1. Réfrigérants naturels : substances présentes dans la nature ou facilement dérivées de sources naturelles. Exemples :
   • Ammoniac (R-717)
   • Dioxyde de carbone (R-744)
   • Hydrocarbures (par exemple, propane R-290, isobutane R-600a)
2. Réfrigérants synthétiques à faible PRG : Fluides conçus pour remplacer les HFC à PRG élevé. La catégorie la plus importante est celle des
   • hydrofluoroolefines (HFO), telles que le R-1234yf et le R-1234ze.

Chaque catégorie présente des avantages et des considérations distincts, en particulier dans le contexte des applications en chambres froides.

Réfrigérants naturels

Ammoniac (R-717)

• PRG et PAC : PRG = 0 ; PAC = 0.
• Performances thermodynamiques : ses caractéristiques exceptionnelles d’absorption et de transfert de chaleur font de l’ammoniac l’un des réfrigérants les plus efficaces sur le plan énergétique, en particulier dans les installations à grande échelle.
• Inflammabilité et toxicité : Très efficace mais modérément toxique (classe B2 selon ASHRAE 34) et ininflammable dans des concentrations réfrigérantes typiques. Une ventilation adéquate, la détection des fuites et le respect des codes de sécurité (par exemple EN 378, ASHRAE 15) sont obligatoires.
• Applications dans les chambres froides :
  • Stockage industriel des aliments : Largement utilisé dans les usines de transformation de la viande et des produits laitiers.
  • Entreposage frigorifique agricole : courant dans les grandes installations centralisées (par exemple, entreposage de fruits, de légumes et de fleurs).
• Défis et mesures d’atténuation :
  • Systèmes de sécurité : nécessite des matériaux robustes résistants à l’ammoniac, un entretien régulier et un personnel bien formé.
  • Conformité réglementaire : les réglementations locales peuvent limiter les systèmes à ammoniac à proximité des espaces occupés ; nécessite souvent des salles des machines éloignées.

Dioxyde de carbone (R-744)

• PRG et PAC : PRG = 1 ; PAC = 0.
• Pressions de service : Pressions très élevées (~8-10 MPa pour la réfrigération à moyenne température et ~3-4 MPa pour la réfrigération à basse température). Des compresseurs et des tuyauteries haute pression spécialisés sont nécessaires.
• Avantages thermodynamiques : Excellente capacité de réfrigération volumétrique ; bien adapté aux systèmes en cascade (compresseurs de CO₂ couplés à un circuit de réfrigérant secondaire).
• Applications dans les chambres froides :
  • Systèmes en cascade : Souvent associés à l’ammoniac (cascade NH₃/CO₂) ou à un réfrigérant secondaire (boucle de glycol).
  • Systèmes au CO₂ transcritique : viables dans les climats plus froids où les températures ambiantes restent inférieures à ~20 °C afin de maintenir un rendement cyclique plus élevé.
• Défis et mesures d’atténuation :
  • Équipements à haute pression : coûts d’investissement plus élevés pour les compresseurs, les échangeurs de chaleur et les dispositifs de sécurité.
  • Sensibilité à la température ambiante : dans les régions plus chaudes, le rendement diminue à moins d’utiliser un refroidisseur de gaz adiabatique ou une compression parallèle.

Hydrocarbures (R-290, R-600a, R-1270)

• PRG et PACQ : PRG < 5 (par exemple, R-290 PRG = 3 ; R-600a PRG = 3) ; PACQ = 0.
• Inflammabilité : Classé A3 (hautement inflammable). Nécessite une conception minutieuse afin de limiter la quantité de charge et d’utiliser des composants antidéflagrants.
• Caractéristiques de performance :
  • R-290 (propane) : capacité thermique et efficacité énergétique comparables ou supérieures à celles des HFC pour les applications à basse et moyenne température.
  • R-600a (isobutane) : couramment utilisé dans les petits systèmes de réfrigération commerciaux et résidentiels, mais moins courant dans les grandes installations de chambres froides en raison de ses contraintes d’inflammabilité.
• Applications dans les chambres froides :
  • Unités de petite à moyenne taille : Les chambres froides à accès direct et à passage direct sont souvent équipées d’une charge d’hydrocarbures inférieure aux seuils réglementaires (par exemple, <150 g en Europe pour le R-290).
  • Systèmes split et unités de condensation : Des unités de condensation à hydrocarbures spécialisées sont disponibles pour les chambres froides modulaires dans les petits supermarchés et les magasins de proximité.
• Défis et mesures d’atténuation :
  • Limitations de charge : des normes telles que la norme CEI 60335-2-89 limitent la charge admissible pour des raisons de sécurité.
  • Exigences en matière de ventilation et de capteurs : doivent inclure des composants adaptés aux hydrocarbures, un système de détection des fuites et une ventilation adéquate pour éviter les mélanges inflammables.

Réfrigérants synthétiques à faible PRG (HFO)

R-1234yf

• PRG et PAC : PRG ≈ 4 ; PAC = 0,
• Inflammabilité : Légèrement inflammable (classification A2L selon ASHRAE 34).
• Performances : Conçu principalement pour remplacer le R-134a dans les applications automobiles et commerciales légères. Dans les chambres froides, il offre des performances moyennes à des températures moyennes (−5 °C à +10 °C), mais moins bonnes à des températures très basses.
• Applications dans les chambres froides :
  • Chambres froides à température moyenne : dans les endroits où le risque d’inflammabilité est maîtrisable (par exemple, les salles des machines dédiées éloignées des zones publiques).
  • Potentiel de conversion : les systèmes R-134a existants peuvent parfois être convertis, mais la compatibilité avec l’huile et des modifications mineures des composants (par exemple, les détendeurs) peuvent être nécessaires.
• Défis et mesures d’atténuation :
  • Précautions relatives à l’inflammabilité : Respecter les directives A2L — détection des fuites, ventilation et utilisation de composants homologués pour les réfrigérants légèrement inflammables.
  • Optimisation du cycle : Les propriétés thermodynamiques du R-1234yf étant différentes de celles des HFC, le réglage du système (par exemple, le dimensionnement du condenseur et de l’évaporateur) est essentiel.

R-1234ze

• PRG et PAC : PRG ≈ 7 ; PAC = 0.
• Inflammabilité : non inflammable (classification A1), ce qui lui confère un avantage en termes de sécurité par rapport au R-1234yf.
• Performances : convient à la réfrigération à moyenne température ; peut parfois remplacer le R-134a ou le R-404A dans les cas de modernisation.
• Applications dans les chambres froides :
  • Systèmes de racks à température moyenne : Idéal pour les chambres froides de supermarchés, les chambres froides de petite à moyenne taille nécessitant un fonctionnement entre -5 °C et +5 °C.
  • Rénovation d’installations R-404A : son PRG plus faible et ses pressions de fonctionnement similaires en font un substitut intéressant, même si des ajustements modérés de la capacité peuvent être nécessaires.
• Défis et mesures d’atténuation :
  • Compatibilité des lubrifiants : nécessite des huiles POE ; les compresseurs existants à base d’huile minérale peuvent nécessiter une conversion.
  • Réglage de l’échangeur de chaleur : des courbes pression-enthalpie légèrement différentes nécessitent un recalibrage des condenseurs et des évaporateurs.

Avantages des réfrigérants respectueux de l’environnement dans les chambres froides

1. Réduction de l’impact environnemental : l’élimination ou la réduction drastique des émissions associées au PRG contribue à la réalisation des objectifs de développement durable des entreprises et au respect des accords internationaux tels que l’amendement de Kigali.
2. Efficacité énergétique améliorée : les réfrigérants naturels (ammoniac, CO₂, hydrocarbures) présentent souvent un coefficient de performance (COP) supérieur à celui des HFC, ce qui se traduit par une réduction des factures énergétiques.
3. Conformité réglementaire et incitations : les premiers utilisateurs peuvent bénéficier d’incitations fiscales, de remises ou de financements avantageux, en fonction des politiques régionales encourageant l’utilisation de réfrigérants à faible PRG.
4. Fiabilité opérationnelle : les systèmes de réfrigération écologiques modernes, lorsqu’ils sont correctement conçus, peuvent égaler ou dépasser la fiabilité des systèmes traditionnels, d’autant plus que les fabricants optimisent leurs équipements pour ces fluides.
5. Résilience future : à mesure que s’accélèrent les calendriers internationaux de réduction progressive des réfrigérants à PRG élevé, les équipements fonctionnant avec des réfrigérants écologiques seront moins exposés au risque d’obsolescence.

Étude de cas : cascade de CO₂ dans une installation de stockage frigorifique alimentaire

Un centre de distribution alimentaire de taille moyenne situé en Europe du Nord a remplacé ses congélateurs à air pulsé à -25 °C et ses chambres froides à +2 °C par un système en cascade ammoniac/CO₂. Principaux résultats :

Économies d’énergie :

La consommation énergétique globale a baissé d’environ 20 % grâce à la haute efficacité de l’ammoniac à basse température et à la réjection efficace de la chaleur par le CO₂.

La chaleur récupérée du condenseur à haute pression de CO₂ a été utilisée pour le chauffage des locaux en hiver, améliorant encore l’efficacité globale de l’installation.

Impact environnemental :

Les émissions annuelles de CO₂ équivalent (CO₂e) provenant des fuites de réfrigérant ont diminué de plus de 90 %, car l’ammoniac a un PRG = 0 et le CO₂ a un PRG = 1.

Résilience opérationnelle :

Malgré des coûts initiaux plus élevés (environ 15 % de plus qu’un système HFC classique), l’installation a atteint un délai de rentabilité de 4,5 ans, grâce à la baisse des factures énergétiques, à la réduction de la taxe sur les fluides frigorigènes et aux incitations d’un programme national d’efficacité énergétique.

Défis relevés :

Les réglementations locales en matière de sécurité exigeaient que la salle des machines à ammoniac soit située à 50 mètres du bâtiment principal. Un refroidisseur à ammoniac à distance avec des boucles de glycol alimentant la cascade interne de CO₂ a permis de répondre à cette exigence.