Fluide frigorigène pour la réfrigération commerciale
HFC, HFO et mélange HFO/HFC
En réfrigération commerciale, les principaux fluides HFC (et mélange HFC) utilisés ces dernières décennies sont le R404A, dans les applications positive et négative, et le R134a, uniquement dans les applications positives. Le R452A et le R407C étaient également présents, mais de façon beaucoup moins importante. Une grande partie du parc actuel utilise encore le R404A (20 à 30%). Les HFC présentent des avantages significatifs en termes de performance thermique, de stabilité chimique, et de sécurité vis-à-vis de l’inflammabilité. Néanmoins, ils ont pour la plupart des potentiels de réchauffement global élevé (GWP) élevés amenant à des restrictions d’utilisation (cf. Réglementation F-GAS III).
Les HFO (hydrofluoro-oléfines) sont des fluides à faible impact climatique, similaires aux fluides naturels, mais leur coût est plus élevé et ils présentent des risques environnementaux potentiels à long terme, notamment en raison de la formation possible de TFA lors de leur dégradation (cette particularité pourra être à considérer dans le cadre de potentielles réglementations REACH sur les PFAS et TFAS). De plus, les HFO sont légèrement inflammables, contrairement aux HFC utilisés en réfrigération commerciale, qui sont généralement ininflammables, réduisant ainsi les charges d’utilisations suivant les cas d’application.
Les HFO sont également utilisés dans les mélanges HFC/HFO pour combiner les avantages des HFC en termes de performance et de sécurité, et ceux des HFO sur l’aspect environnemental.
On résume dans le tableau ci-dessous les différents HFC, HFO et mélanges HFC/HFO intéressants et classiquement utilisés dans les systèmes frigorifiques en réfrigération commerciale. Les principaux fabricants de ces fluides sont les chimistes CHEMOURS (Gamme Opteon™) et HONEYWELL (Gamme Solstice® et Genetron®). On présente également certains fluides pour le Drop-in et le Retrofit du fabricant français FRAMACOLD (Gamme RS). Pour chaque fluide, on indique son type (HFO, HFC ou mélange HFO/HFC), sa classe (toxicité/inflammabilité), son GWP ainsi que diverses autres informations importantes.
Les hydrocarbures HC
Certains hydrocarbures sont des réfrigérants naturels largement utilisés dans les applications de réfrigération et de climatisation. En raison de leur forte inflammabilité, leur utilisation est limitée à de faibles volume dans les Etablissements Recevant du Public (ERP) pour des raisons de sécurité. Cependant, ils peuvent représenter des solutions intéressantes pour les petites surfaces ou pour les groupes logés (petits volumes), et également dans le cadre de leur utilisation en Chiller installé en extérieur. On présente ci-dessous les trois hydrocarbures présents en réfrigération :
- Le R290 (propane), est l’hydrocarbure le plus rependu dans le cadre de son utilisation en tant que frigorigène pour la réfrigération commerciale. Il est répandu dans les groupes monoblocs à moyenne température (MT) et basse température (BT).
- Le R1270 (propylène) est plutôt utilisé en réfrigération industrielle, bien que quelque installations et recherches sont en cours dans le milieu de la réfrigération commerciale.
- Le R600a (isobutane) est quant à lui dédié à la réfrigération domestique en raison des faibles charges nécessaires par les compresseurs et de son efficacité pour ses bonnes performances dans les petits systèmes.
On se focalisera sur le R290, car le R1270 est encore en phase de recherche et le R600a est principalement utilisé en réfrigération commerciale pour de petits postes d’appoint.
On retrouve le R290 également dans les systèmes de réfrigération Centralisé Chiller pour usage commercial d’une puissance de 40KW ou plus.
Il présente des propriétés thermodynamiques et énergétiques excellentes, meilleurs que la plupart des HFC traditionnels et permet ainsi, suivant l’architecture système, des gains sur la facture énergétique et sur le TEWI.
Le CO2 R744
Le CO2 ou R744, est un réfrigérant naturel non inflammable, ce qui en fait une option écologique et sécuritaire. Cependant, il fonctionne à des pressions beaucoup plus élevées que les réfrigérants traditionnels, ce qui nécessite des équipements spécialement conçus pour résister à ces conditions. Plusieurs configurations sont possibles :
- Le CO2 subcritique fonctionne selon le même principe que les installations classiques, mais à des pressions plus élevées. Il est souvent utilisé dans des installations hybrides mélange HFO/HFC-R744 : le R744 est utilisé pour la centrale de froid négatif, couplé avec une centrale de froid positif utilisant classiquement un HFC (cf. partie Cycle CO2 Pompé)
- Le CO2 transcritique fonctionne à des pressions encore plus élevées, au-delà du point critique (qui est de 31°C et 73 bars pour le CO2). Comme pour le CO2 subcritique, des gains énergétiques sont souvent annoncés (mais les performances énergétiques sont variables selon les climats) (cf. partie Cycle Booster Transcritique CO2).
Il présente des propriétés excellentes à basse température, cependant ce n’est pas toujours le cas pour les températures positives et dans le cadre de son utilisation en transcritique. D’où le besoin d’architecture innovante pour ne pas augmenter fortement les factures énergétiques.
Un problème courant pour les systèmes au CO2 dans les installations est la haute pression à l’arrêt. Si l’installation est arrêtée pour maintenance, la défaillance de composant, la coupure de courant ou toute autre raison, le CO2 à l’intérieur commencera à absorber de la chaleur de l’environnement et la pression à l’intérieur de l’installation augmentera en conséquence. Les composants aux niveaux des basses températures ne supporteront pas la haute pression, car ils sont généralement conçus pour une pression maximale de 40 bars. La technique de protection la plus courante et la plus simple consiste à libérer une partie de la charge de CO2 de l’installation lorsque la pression atteint une certaine valeur prédéfinie.
Résumé
Le choix du réfrigérant pour une application donnée, en plus de répondre aux contraintes réglementaires, dépend des propriétés thermodynamiques et des exigences de performance du système. On présente ci-dessous les différents fluides présentés dans le guide du froid commercial pour des choix d’application et également les solutions classiques.
- Fluide naturel : R744 et R290
- Fluide HFO : R1234yf et R1234ze
- Fluide HFO/HFC nouvelle installation : R455A et R471A
- Fluide HFO/HFC maintenance : R515B, R450A, R513A, R470B, R448A, R449A et R442A
- Fluide classique : R404A, R134a et R452A
Il est rappelé que, en vue des obligations FGAS, il faut prioriser un fluide ici dans la zone verte pour les nouvelles installations. Pour la maintenance à court terme (avant 2030) les fluides dans la zone orange sont une possibilité sinon il faudra s’orienter vers les fluides dans la zone violette pour la maintenance à moyen terme.
