Les fluides d?avenir sont les réfrigérants naturels. Mais le chemin pour y parvenir sera tortueux. Détours et retours en arrière ne sont pas exclus.
Dans le paysage des fluides, la brume s’épaissit, mais une éclaircie apparaît au loin. C’est à peu-près ce que disent tous les exposants aux salon Chillventa en ce qui concerne l’avenir des fluides réfrigérants. Essayons d'y voir plus clair...
Voici le seul groupe de production d’eau glacée utilisant l’eau – R718 – comme réfrigérant, disponible sur le marché aujourd’hui. C’est le eChiller de Efficient Energy GmbH. ©PP
V
ingt ans de transition devant nous
Tout d’abord, il est très clair que, si les fluides naturels – eau R718, propane R290, ammoniaque R717 et CO2 R744 – constituent le but ultime, la transition prendra 15 à 20 ans au moins. Néanmoins, quantité de fabricants les ont déjà adoptés et proposent à la fois des composants et des systèmes complets utilisant le propane, l’ammoniaque ou le CO2. Un seul fabricant, évoqué dans un article précédent, propose un système utilisant l’eau en guise de fluide réfrigérant.
Les fluides naturels possèdent de nombreux avantages. Les ODP (Ozone Depletion Potential ou effet sur la destruction de la couche d’ozone) est nul. Leur GWP est nul ou très faible : 3 pour le propane, 1 pour le CO2, 0 pour l’ammoniaque et pour l’eau. Et ce sont des fluides naturels, qu’il faut extraire et épurer, mais que l’on ne fabrique pas. Ce qui constitue un inconvénient en même temps : les chimistes qui fabriquent les autres fluides apprécient peu les fluides naturels qui rongent peu à peu leur marché. Ils inventent et promeuvent de nouveaux fluides régulièrement pour tenter d’éviter ou retarder autant que possible un basculement vers les fluides naturels.
L’ammoniaque devient une solution disponible en plus petites puissances. ©PP
Les inconvénients des fluides naturels
A côté de leurs avantages, les fluides naturels possèdent quelques inconvénients. Ils sont toxiques dans le cas du R717, fonctionnent à très haute pression dans le cas du CO2 ou sont franchement inflammables (A3) en ce qui concerne le propane. De plus, côté constructeurs et installateurs, leur mise en œuvre n’est pas toujours simple.
La technologie de l’eau en tant que fluide réfrigérant est utilisée par peu de fabricants. Plusieurs des grands mondiaux, dont Johnson Controls, ont développé, puis abandonné des groupes froids utilisant l’eau. Seul l’allemand Efficient Energy GmbH www.efficient-energy.de commercialise – « en masse », selon lui – un groupe eau/eau à l’eau.
De son côté, le R717 est un fluide connu depuis près de 140 ans en réfrigération. Mais le mettre en œuvre dans des groupes eau/eau de puissance moyenne (500 kW) pour la climatisation par eau glacée dans des bâtiments tertiaires, ce n’est pas du tout la même chose que le déployer dans un milieu industriel, en grande puissance, mais sous le contrôle d’un personnel dédié et bien formé.
Le propane présente des qualités thermodynamiques très proches de celles du mythique R22. Le R22 constituait le fluide idéal du point de vue strictement thermodynamique. Mais son GWP de 1810 et son ODP de 0,055 en ont fait l’une des victimes du protocole de Montréal. Le propane offre des qualités thermodynamiques très proches et l’on voit cette année à Chillventa des machines utilisant ce fluide de 3 à 3000 kW, à condensation par air ou par eau.
Quant au CO2, outre un rendement non-optimal pour certaines applications de climatisation, il fonctionne à des pressions dépassant 100 bars. Ce qui rend la conception, l’installation et l’entretien des machines plus complexes.
SKADEC propose des groupes froids seuls et réversibles au propane jusqu’à plusieurs MW. Il estime que le propane est le fluide dont les qualités thermodynamiques sont les meilleures pour toutes sortes d’emplois. ©PP
Trois considérations pour choisir le bon fluide
Il n’existe pas, ou plutôt, il n’existe plus de fluide universel. Mais lorsque l’on doit en choisir un, voici ce dont il faut tenir compte. Tout d’abord, s’agit-il d’un matériel neuf, d’un système neuf ou bien d’une installation existante, parfaitement fonctionnelle, dont il faut prolonger l’existence en minimisant l’investissement ? C’est-à-dire en changeant le fluide et rien d’autre ou presque ?
Les nouveaux matériels embarquent des composants et possèdent une logique de fonctionnement optimisée pour un ou plusieurs nouveaux fluides. Dans une installation existante, la question du remplacement du fluide par un autre affichant un GWP nettement moins élevé est très liée à l’installation précise dont on parle. Ses conditions de fonctionnement, la nature des joints, les huiles et les matériaux qui la composent entre en ligne de compte.
Seconde considération, il faut tenir compte de l’application réfrigération à moyenne (5 à 10°C) ou basse température (-20 à -10°C), climatisation par eau glacée ou climatisation par détente directe où le fluide se promène dans tout le bâtiment.
Tous les composants sont disponibles pour la quasi-totalité des nouveaux fluides, naturels ou chimiques, depuis les échangeurs jusqu’aux compresseurs, en passant par les vannes, les filtres, les détendeurs, etc. ©PP
Les précautions de mise en œuvre
Troisièmement, où le système sera-t-il installé ? Selon la nature du fluide – toxique, plus ou moins inflammable, sous une pression élevée, etc. -, il pourra ou pas être mis en œuvre, soit en fonction de considérations réglementaires, soit pour des raisons financières. Par exemple, les précautions et les mesures spécifiques que demandera la prochaine règlementation de sécurité CH35 en France, pour avoir le droit d’installer un fluide classé A2L dans des bâtiments recevant du public (ERP), tout en autorisant cette option, la rendront financièrement injustifiable dans bien des cas.
Cette troisième considération, dans ses modalités concrètes, est susceptible d’évolutions à court terme. Par exemple, il est question de porter les charges de propane à 500g par circuit au lieu de 150g et, si nous avons maintenant une bonne idée du contenu du futur CH35, tant qu’il n’est pas publié – ce devrait être vers le 18 décembre cette année -, nous ne sommes pas à l’abri de surprises.
Au bout du compte, seule l’eau ou R718 ne supporte aucune contrainte d’installation particulière : non toxique, ODP et GWP nuls, pas de fonctionnement en pression. Le pire risque est le dégât des eaux. Il est bien regrettable que l’offre de solutions R718 soit si étroite. En gardant, ces trois considérations à l’esprit, quels sont aujourd’hui les fluides disponibles pour quelles solutions ?
A Chillventa, Lu-Ve Group montre une nouvelle gamme d’appareils mixtes à la fois dry-coolers adiabatiques et condenseurs pour NH3. ©PP
Où en sommes-nous ?
Mercredi 17 octobre matin, au salon Chillventa 2018 à Nuremberg, Emerson Climate Controls – présent en froid, comme en climatisation et pompes à chaleur – a expliqué sa vision de l’évolution des solutions et des fluides. Comme Bitzer, Emerson estime que les fluides naturels constituent le but ultime. Comme Bitzer à nouveau, Emerson indique que l’on peut dès à présent remplacer le R134 dans les groupes froids seuls ou réversibles et même dans les chauffe-eaux thermodynamiques existants, par du R513A (GWP = 631), sans restriction significative.
Pour les pompes à chaleur monobloc extérieures de petite puissance, en remplacement du R404A ou du R407C, Emerson considère le propane (GWP = 3) comme la meilleure réponse technique. Les exposants à Chillventa semblent du même avis : on voit des matériels au propane de quelques kW à plusieurs MW. Emerson, prudent, laisse une place aux HFO sur ce segment, notamment au R454C, un mélange A2L de R32 et de HFO1234yf (GWP = 148).
Pour remplacer le R410A dans des pompes à chaleur domestiques, Emerson prévoie l’émergence des mélanges R452B (un fluide A2L, mélange de R32, R125 et HFO1234yf, avec un GWP = 698) et de R454B (A2L, mélange de R32 et HFO1234yf, avec un GWP = 466). Ces deux fluides, selon Emerson, permettent de mettre sur le marché de nouvelles pac, fonctionnant avec des fluides à GWP réduit – mais tout de même bien supérieurs à celui du propane – sans modification majeure de la conception des machines.
Les constructeurs asiatiques ne l’entendent pas de cette oreille et passent directement et massivement au R32. Les spécialistes européens de la pac préfèrent le propane. Mais ce sera l’objet d’un autre article.
En froid commercial, le CO2 est l’une des deux principales solutions, avec le propane. ©PP
Et en tertiaire ?
En ce qui concerne les systèmes tertiaires, Emerson entrevoie le remplacement du R134a – groupes froids seuls et réversibles – à court terme par le R513A en drop-in (le changement du fluide et de l’huile seulement), mais aussi par le R450A, mélange de R134a et de HFO1234ze au GWP de 604. Ces deux fluides sont classés A1, comme le R134a, et n’ajoutent donc aucune contrainte en matière de sécurité.
Pour le remplacement du R407C dans les groupes froids et réversibles, Emerson préconise le mélange R454C à court terme. Il est cependant classé A2L, alors que le R07C était A1. Ce qui peut ajouter des contraintes et des mesures de sécurité supplémentaires. A plus long terme, Emerson estime que le propane devrait s’imposer dans les matériels neufs.
Pour le remplacement du R410A dans les groupes extérieurs ou les groupes eau/eau, Emerson préconise le R32 et des mélanges de HFO. A nouveau, ces fluides sont classés A2L et peuvent requérir des mesures de sécurité spécifiques que nous connaîtrons lorsque le CH35 révisé sera paru. Pour succéder au R410 en détente directe, Emerson se résout au R32.
En revanche, comme Bitzer, Emerson considère qu’il n’existe encore aucune réponse technique pour remplacer le R410A dans un système mono-, multisplit ou DRV, dont on voudrait prolonger l’existence si le R410A devient trop coûteux ou carrément indisponible. Le consultant allemand Öko-recherche https://www.oekorecherche.de/en estime que, depuis 2015, le prix du R134a a été multiplié par 4, celui du R404A par 9 et celui du R410A par 5.
Chez Bitzer, ces compresseurs Orbit+ 6 et Orbit 8 en tandem conviennent pour le R410A, le R32, le R454B et le R452B. ©PP
Toujours de nouveaux fluides
Bien sûr, Honeywell – l’un des principaux chimistes dans le monde des réfrigérants - fait à Chillventa la promotion de son nouveau fluide R466A, dont le nom commercial est Solstice N-41. C’est un mélange de R32, R125 et de CF3I, classé A1, dont le GWP atteint 733. Honeywell en parle comme d’un substitut universel au R410A.
Mais les constructeurs de compresseurs semblent liés par des NDA (Non-Disclosure Agreement ou agréments de confidentialité) et demeurent très vagues. Bitzer précise cependant dans son Refrigerant Report 20 que la présence du CF3I dans le R466A introduit des incertitudes quant à la stabilité chimique à long terme de ce fluide et souligne qu’en l’état actuel, il ne pas peut être utilisé en drop-in en remplacement du R410A.
Voici la gamme RANSTA de TEKO des groupes froids à condensation par air, disponibles de 141 à 760 kW. ©PP
Source : batirama.com / Pascal Poggi