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Le grand retour du CO2 ?

Le CO2 (R 744) revient à la charge ses derniers temps comme fluide frigorigène. Autrefois remplacé par les CFC, HCFC, HFC, il doit son retour :

  • À son faible impact sur l’environnement (ODP = 0, GWP = 1) par rapport aux autres fluides frigorigènes utilisés actuellement (jusqu’à 3 800 fois moins d’impact sur l’environnement que les HFC).
  • À  l’avancée des technologies dans le domaine de la réfrigération et de la climatisation. En effet, le problème du confinement des gaz sous haute pression semble partiellement résolu grâce, et c’est paradoxal, à la maîtrise de la climatisation dans les véhicules avec la nécessité de trouver :
    • un fluide réfrigérant propre;
    • un faible volume massique permettant des installations compactes (faible poids des équipements et volume réduit de fluide frigorigène);
    • …

Les avantages et inconvénients de l’utilisation du CO2 comme fluide frigorigène sont les suivants :

Avantages

Inconvénients
  • pas d’action sur l’ozone (ODP = 0);
  • peu d’impact direct sur l’effet de serre (GWP = 1) sachant par exemple que le R404A a un GWP de 3 800;
  • fluide naturel et largement disponible;
  • ininflammable (utilisation comme gaz dans les extincteurs);
  • non corrosif, compatible avec tous les matériaux;
  • non toxique;
  • alimentaire (notamment nos voisins hollandais l’utilise dans la conservation des repas dans les hôpitaux);
  • production frigorifique volumétrique élevée, permettant à l’heure actuelle des compresseurs de faible cylindrée et des circuits à faible quantité de fluide;
  • miscible à l’huile des compresseurs;
  • peu descendre jusqu’à -54°C;
  • taux de compression faible par rapport aux autres réfrigérants (COP intéressant);
  • …
  • il forme des acides avec l’eau et du carbonate d’ammonium (corrosif) avec l’ammoniac;
  • les pressions de service sont très importantes (80, 100 bar voire plus);
  • les équipements des circuits et de sécurité, dus à la pression, doivent être performants (coûts importants);
  • la mise en œuvre de tels circuits n’est pas encore bien maîtrisée;
  • à la mise en route, la déshydratation des circuits doit être encore plus poussée.
  • en cas d’arrêt prolongé, des dégazages à l’atmosphère doivent être opérés, nécessitant une recharge ultérieure;
  • …

Utilisation du CO2 comme fluide frigorigène : Cas pratique

Actuellement, un supermarché GB à Aywaille teste un système de réfrigération-chauffage combiné où :

  • les sources froides sont :
    • les meubles frigorifiques;
    • échangeur air/CO2 (“évaporateur de toiture);
    • échangeur eau nappe souterraine/CO2;
  • et les sources chaudes sont :
    • échangeur CO2/air (“gaz cooler”de toiture);
    • les circuits à basse température tels que le chauffage au sol, la centrale de traitement d’air et les rideaux d’air;
    • les circuits à haute température pour l’eau chaude sanitaire.

L’intérêt de ce système est de combiner des besoins :

  • de froid au niveau des meubles frigorifiques. En effet, le nombre impressionnant de meubles frigorifiques ouverts et fermés pour ce type de supermarché nécessite une puissance frigorifique de 300 kW (positif) et 40 kW (négatif);
  • de chaud classiques d’une puissance de l’ordre de 540 kW.

avec une seule machine, à savoir une pompe à chaleur.

Les résultats du monitoring ne sont pas encore connus mais devraient permettre d’y voir plus clair sur une technologie qui a le vent en poupe.

Comparaison  CO2 – R134a  

À titre d’exemple, on compare les performances théoriques de deux fluides réfrigérants comme le CO2 et le R134a.

Les hypothèses de travail sont les suivantes :

  • la phase de refroidissement du CO2 est dans la zone “transcritique” (refroidissement au dessus du point critique : 31°C, 73,6 bar);
  • la température d’évaporation est de -10°C dans les deux cas (application classique de froid positif);
  • la température de condensation pour le R134a est de 30°C (la température ou pression de condensation est flottante en fonction du climat externe);
  • la température de fin de refroidissement pour le “gaz cooler” est de 30°C aussi.

Dans le diagramme (log p, h), on superpose les deux cycles frigorifiques :

Les avantages et inconvénients du cycle CO2 au niveau thermodynamique sont :

Avantages

Inconvénients
  • L’efficacité énergétique en production de froid est relativement bonne si on maîtrise la phase de refroidissement (au “gaz cooler”) au niveau de la température. Pour une température de condensation flottante atteignant les 30°C, l’EFF du compresseur est de l’ordre de h1/h2 = 3,8;
  • Les températures à l’entrée du “gaz cooler” ou  d’un échangeur quelconque, peuvent atteindre des valeurs de l’ordre de 80°C, ce qui est intéressant pour des applications classiques de chauffage par pompe à chaleur;
  • L’efficacité énergétique en production de chaleur peut être très bonne dans la mesure où l’installation puisse tenir des pressions importantes (de l’ordre de 90 bar), ce qui représente quand même une prouesse technologique, mais accessible actuellement. Le COP pourrait atteindre des valeurs de h3/h2= 5;
  • …
  • Que ce soit en chaud comme en froid, les valeurs de EFF et COP restent en dessous des valeurs obtenues pour le R134A dans les mêmes conditions, soit une EFF h4/h5 de 5 et un COP h6/h5 de 6.

Les avantages et inconvénients du cycle R134a au niveau thermodynamique sont :

Avantages

Inconvénients
  • pour une installation bien régulée (détendeur électronique, variateur de vitesse des compresseurs, …, les performances des compresseurs tant en chaud qu’en froid sont meilleures que celles pour le cycle CO2 (COP = 6, EFF = 5).
  • Les températures de condensation sont plus faibles que celle du cycle CO2. Ce qui signifie que ce type de fluide ne peut être utilité pour des applications de chauffage haute température combiné au froid alimentaire.

Intérêt du CO2 ?

L’intérêt de l’utilisation du CO2 comme fluide réfrigérant, est avant tout lié à un choix par rapport à l’environnement. En effet, on pointera principalement :

  • le faible impact sur la couche d’ozone et l’effet de serre de part sa composition:
  • la plus faible quantité de fluide utilisé de part son volume massique faible (en cas de fuite, la quantité rejetée est faible);
  • la disponibilité de ce fluide dans la nature (piège à CO2 réalisable);
  • …

De plus, dans le cas où l’on considère qu’il faut combiner le besoin de chaleur à haute température (80-90°C) avec celui de froid et ce afin d’éviter de choisir une chaudière et un groupe de réfrigération pour la partie froid alimentaire, une installation de pompe à chaleur au CO2 peut être intéressante.

Toutefois en conception, pour autant que :

  • l’enveloppe soit bien isolée;
  • la ventilation hygiénique soit régulée en fonction de l’occupation;
  • les entrées soit bien étudiées afin de réduire les pertes énergétiques aux accès (courant d’air par exemple);
  • la quantité de meubles frigorifiques dans les commerces ouverts soit limitée;
  • …

Il n’y a pas de raison valable d’investir dans une installation coûteuse telle que celle au CO2 car la nécessité d’atteindre des températures d’eau chaude de 80-90°C n’est plus nécessaire. Autant alors investir dans une pompe à chaleur classique dont le condenseur fonctionne à des températures avoisinant les 45°C.

Conclusion

L’utilisation du CO2 comme fluide frigorigène est probablement une piste à suivre de très près.

Il est important, en conception, avant de choisir le réfrigérant qui va naturellement conditionner tout le choix des équipements, de déterminer si le projet s’inscrit dans une démarche énergétique et durable globale. Auquel cas, il faut limiter au maximum :

  • Les déperditions de l’enveloppe par l’isolation thermique des parois, la limitation des pertes par ventilation et infiltration, …
  • Les apports internes positifs ou négatifs tels que l’éclairage intensif, les meubles frigorifiques ouverts, …, par le choix  de luminaires performants, de meubles frigorifiques fermés, apport de lumière naturelle contrôlé (sheds par exemple), …
  • Les apports externes tels que les apports solaires par l’orientation du bâtiment, les ombrages, …
  • …

En fonction de l’objectif fixé au niveau de l’esquisse du bâtiment, lors du projet on pourra déterminer l’intérêt ou pas d’investir dans un fluide réfrigérant tel que le CO2.