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Les trois défis du froid

François-Xavier Lenoir
Les trois défis du froid

Mesure de débit de fuite de R134a effectuée dans les installations du Laboratoire d'essai d'Armines.

© D.R.

Soumis à de nouvelles règles, le secteur climatisation-réfrigération doit changer de fluides, améliorer le confinement et réduire sa consommation énergétique.

Les décisions internationales relatives à la protection de la couche d'ozone et à la réduction de l'effet de serre n'en finissent pas de provoquer des remous dans le secteur du froid et de la climatisation. Il est vrai que ce secteur cumule les handicaps. Il fait appel à des fluides dont certains sont nocifs, voire dangereux ; il est grand consommateur d'énergie - le secteur froid représente 15 % de la consommation énergétique mondiale ; et il participe activement à l'effet de serre. Les fluides chlorés traditionnels, les CFC, ont d'abord été remplacés par les HCFC, puis ces derniers par les HFC, avant que les gaz fluorés ne soient eux-mêmes remis en question. La nouvelle est tombée le 6 avril 2006, la plupart des HFC, dont le très usité R134a, ne devront plus être utilisés en climatisation automobile pour les véhicules neufs en Europe à compter de 2011 et la plupart des utilisations vont être davantage encadrées.

La mutation débutera par l'automobile

Des solutions utilisant d'autres fluides, comme le CO2 ou l'ammoniac, ont été évoquées, mais ces derniers ont aussi des inconvénients. L'impact d'un système sur l'environnement étant une contribution directe du fluide, il convient d'utiliser des fluides présentant le plus faible potentiel de réchauffement possible. Un indice unique : le Tewi - Total Equivalent Warming Impact - sert à évaluer l'impact total d'un système sur le réchauffement climatique. Il est la somme de l'effet direct du fluide (GWP pour Global Warming Potential) qui, selon l'Institut international du froid, représente en Europe 15 à 20 %, et de l'effet indirect lié à la consommation énergétique du système, qui correspond aux 80 à 85 % restants. C'est une grandeur à minimiser. Quand les entreprises du génie chimique se sont aperçues que l'Europe ne reculerait pas sur l'interdiction des gaz fluorés, elles se sont activées. « Avoir un GWP inférieur à 150 est devenu pour elles un objectif de développement », note Denis Clodic, responsable du Centre énergétique et procédés (CEP) de l'École des mines de Paris. De fait Honeywell, puis Du Pont, ont annoncé des remplaçants du R134a. Le mélange "H" chez Honeywell, et le mélange "D" chez Du Pont sont en phase de "pré-screening". Des essais avec de petites quantités venant d'Honeywell ont déjà débuté chez des fournisseurs de rang 1 dans l'automobile. Les résultats sont encourageants en efficacité énergétique.

Les nouvelles molécules développées ont une durée de vie atmosphérique très courte et ces fluides synthétiques de deuxième génération auraient des GWP très faibles, entre 10 et 100. Le gros avantage serait de pouvoir garder les mêmes installations avec les nouveaux fluides. De plus, ils sont non-inflammables. Avec de tels avantages, toutes les applications vont y passer, les seules incertitudes portent sur le rythme des remplacements à cause du montant des investissements. La mutation commencera par l'automobile parce que c'est là où se situe le gros marché et que la pression européenne est la plus forte.

Une bagarre autour de la propriété intellectuelle et des ventes de brevets est prévisible. Les autres chimistes vont devoir se rabattre sur les plus basses températures. « Un fluide comme le R404A dont le GWP est de 3700 devrait disparaître en Europe d'ici à quatre ans », prévoit Denis Clodic. De toute façon ces nouveaux fluides seront chers. Mais, pas plus que les actuels fluides, il n'est pas question de les laisser s'échapper, d'où l'une des principales préoccupations du monde du froid, l'étanchéité et le confinement. Là encore, la réglementation européenne a changé.

Surveiller et réduire les émissions de fluide

En l'occurrence, le meilleur moyen de ne pas polluer l'atmosphère est... de ne pas laisser partir de gaz. En la matière, l'état des lieux est assez sidérant. Les taux d'émission en pourcentage de la masse de fluide sont évalués de 20 à 30 % par an pour tous les appareils mobiles, camions ou climatisation d'automobiles, comme pour le froid commercial. Plus raisonnablement, le froid industriel se situe aux alentours de 8 à 10 %. Néanmoins, ces chiffres s'améliorent d'année en année.

Sur ce constat très simple, les instances européennes et l'ISO ont publié des réglementations sur l'amélioration du confinement qui ont commencé à s'appliquer. Le CEP qui fait des inventaires d'émissions de fluides frigorigènes en France constate, par exemple, que la moitié des fuites de HFC viennent du R134a. Le règlement F-Gas, qui est sur le point de sortir en France, va obliger les équipementiers automobiles à serrer les boulons. Alors que dans un circuit de 900 g de fluide, la fuite est souvent de 100 à 200 g/an, la limite sera fixée à 40 g/an. Les essais montrent qu'en sortie d'usine, la fuite est inférieure à 20 g/an.

La réglementation récente sur le contrôle des fuites impose des cahiers d'installation où l'on recense les quantités de fluides rajoutées annuellement. En outre, la norme française sur l'étanchéité, qui est issue des normes européennes et ISO, vient de sortir. À côté de la norme sur la qualité des composants d'étanchéité, le décret sur la manipulation des fluides frigorigènes va stimuler l'ensemble des opérateurs. Dans une étude sur la caractérisation des composants commanditée par la commission Matériels frigorifiques, le Cetim a analysé 1 560 points de mesure pour la caractérisation des brasures. Il a aussi essayé de trouver une méthode simple pour mesurer les fuites sur site. Les études montrent que les soudures ont fait de réels progrès, les méthodes de mesure des fuites ou "émanations fugitives" sont mieux maîtrisées, la formation du personnel et les méthodes de vidage et remplissage des circuits ont beaucoup progressé.

Par ailleurs, le CEP a été choisi par l'Association des constructeurs européens d'automobiles (ACEA), pour être le laboratoire support de la mise en place des techniques de mesure en climatisation automobile. Il a proposé une méthode de mesure de débits de fuites des systèmes par spectrophotométrie infrarouge ; 40 systèmes, 60 composants élémentaires ont déjà été étudiés.

De son côté, Jacques Guilpart, responsable de l'unité de recherche génie des procédés frigorifiques du Cemagref, s'intéresse à la réduction de la charge en frigorigène primaire. Alors que l'on utilise classiquement de 1 à 4 kg de fluide pour produire 1 kW frigorifique, des recherches ont abouti à la réalisation d'un prototype où l'on descend à 0,2 ou 0,3 kg de fluide par kilowatt. « La preuve est faite que l'on peut réduire la charge de 80 % sans perdre en performance, note Jacques Guilpart. Et en ajoutant de la vitesse variable, on gagne aussi sur les conditions de performance de la machine. » Le prototype réalisé permet une réduction globale de 20 % du Tewi et de 10 % de la consommation d'énergie du système.

« À mon avis, ajoute-t-il, c'est applicable à de petits niveaux de puissance, de l'ordre de 15 kW frigorifique. Pour les grosses installations, une autre solution est l'utilisation de fluides frigoporteurs. » En industrie, où les ratios sont souvent de 5 à 6 kg de fluide par kilowatt, avec un frigoporteur on descend à 2 kg par kilowatt. Inconvénient : dans la théorie, ils ont une consommation énergétique de 10 à 20 % supérieure au système à détente directe, car il faut refroidir le fluide frigoporteur. Dans la pratique c'est plus simple à régler et à maintenir, avec moins de contraintes. Dans la salle des machines où le fluide frigorifique est confiné, le contrôle annuel d'étanchéité se fait plus facilement et plus efficacement.

« Nous travaillons aussi sur des frigoporteurs diphasiques, principalement solide-liquide », ajoute Jacques Guilpart. Pour ces derniers, l'eau s'organise sous forme d'une structure cristalline formant une sorte de cage autour d'une molécule de gaz dissoute.

Maîtriser le rendement énergétique

La formation et la fonte de cette structure s'accompagnent d'un effet thermique supérieur à ce qu'on obtient avec de la glace. Avec cette solution, le potentiel énergétique est augmenté dans une proportion de 5 à 10 par rapport à un liquide.

Dernier problème, le rendement énergétique. Avec des méthodes optimisées, on gagne près de 10 % de rendement. Autant dire que les investissements sont vite remboursés, mais le client final doit faire pression sur son fournisseur. L'intérêt porté à la consommation énergétique ne peut venir que de la prise de conscience de l'utilisateur. « Les responsables de l'environnement et de l'énergie dans les grosses entreprises sont-ils au courant de la consommation énergétique des postes froid liée au process ? » s'interroge Jacques Guilpart. Les rares réalisations ne sont pas ciblées sur le poste froid et ne sont pas exploitées pour auditer de façon rigoureuse et se comparer aux ratios. Prendre connaissance du problème, en s'appuyant le cas échéant sur des spécialistes comme le GIE Cemafroid, Barrault Recherche ou Maison du froid conseil, représente déjà un grand pas vers une solution

1. l'environnement Changement de fluide, confinement/étanchéité, réduction de la charge 2. la sécurité Changement de fluide, architecture des systèmes, utilisation de frigoporteurs 3. la consommation énergétique Architecture des systèmes, amélioration du rendement (vitesse variable, pilotage intelligent...)

LA RÉGLEMENTATION SE DURCIT

- Le 6 avril dernier, le Parlement européen a adopté un règlement visant à réduire les émissions de 25 gaz fluorés "F-Gas", dont 17 HFC. L'utilisation, le confinement, la récupération et la destruction de ces gaz, l'étiquetage des appareils et la formation des personnels font l'objet de règles détaillées. - Au cours de la journée du froid organisée par l'AFF (Association française du froid) à Interclima 2006, Pascal Folempin de l'union des constructeurs de matériels Uniclima a rappelé que, pour le marquage CE, il fallait répondre à la directive équipements sous pression (DESP) EN14276 pour les composants et EN378 (disponible fin 2006) pour les ensembles sur site ou en usine, dont la partie 2 traite de l'étanchéité après montage. - La NF exp 35424 traite, quant à elle, de la qualification de l'étanchéité des composants par essais de type. Partie 1 composants statiques (janvier 2006), partie 2 non statiques (juin 2006). - Par ailleurs le projet de norme CEN15240 va introduire l'obligation d'inspection des installations de climatisation.

ILS RELÈVENT LES DÉFIS...

Daikin CLIMATISATION TERTIAIRE ÉCONOMISANT L'ÉNERGIE ET LA QUANTITÉ DE FLUIDE - L'unité extérieure de climatisation réversible à volume de réfrigérant variable VRV III de Daikin se distingue par l'optimisation de la régulation pour les applications tertiaires et sa performance énergétique due à l'utilisation de l'inverter (variateur de vitesse) et au compresseur Scroll. Elle possède un dispositif antifuite, un capteur de pression électronique, un by-pass pour éviter tout risque d'émission et surtout un système de recharge de la quantité juste nécessaire de fluide.

Bonnet Névé MEUBLE FRIGORIFIQUE DOTÉ D'UN ÉVAPORATEUR MOINS GOURMAND - Le mobilier combiné (cuve et superstructure) pour surgelés Coliseum 3 de Bonnet Névé ne comporte plus qu'un seul évaporateur en cuve. Cette conception technologique apporte des gains d'énergie de l'ordre de 15 % par rapport aux techniques plus anciennes tout en garantissant la bonne conservation des produits. L'impact sur l'environnement a aussi été étudié. En option, il existe des motoventilateurs à basse consommation énergétique et des versions au CO2.

Valeo STATION DE CHARGE AUTOMATIQUE POUR "CLIM" AUTOMOBILE - La gamme des cinq stations ClimFill de Valeo présente de hautes performances avec récupération/recyclage du R134a, tirage au vide et charge en huile et en fluide. Sa base de données de 3 250 véhicules, avec quantité de charge ainsi que type et quantité d'huile est mise à jour électroniquement. La récupération et la pesée du fluide s'effectuent avec une précision de 5 g. Le kit de rinçage intégré utilise le R134a liquide. Il n'y a pas de consommation de matière et pas de risque de mauvaise manipulation avec un solvant.

York REFROIDISSEUR INDUSTRIEL S'ADAPTANT AUX CONDITIONS DE FONCTIONNEMENT - Ces équipements comportent un refroidisseur d'eau avec compresseur centrifuge York équipé d'un variateur de vitesse VSD. Leur gamme de puissance au R134a va de 700 à 8 200 kW. La variation de vitesse présente l'avantage d'adapter les performances du refroidisseur aux conditions réelles de fonctionnement de l'installation. L'économie d'énergie est susceptible d'atteindre 30 % par an.

LE CO2 N'EST PAS LA PANACÉE

- On a fondé de gros espoir sur le CO2. Mais, bien que présentant des performances intéressantes, ce fluide n'a pas les propriétés thermodynamiques du R134a. Même si des pompes à chaleur au CO2 fournissent bien de l'eau chaude sanitaire, du chauffage et du froid, grâce à ses caractéristiques thermodynamiques, « c'est surtout intéressant pour le Japon, grand consommateur de bains chauds, mais pas pour la climatisation dans l'habitat », note Denis Clodic, responsable du CEP à l'École des mines de Paris. Le CO2 basse température est valable dans l'agroalimentaire pour des questions de sécurité, à condition que l'architecture soit bien pensée, ou encore en froid commercial pour limiter des charges. Enfin, sous la pression de la Commission européenne, des constructeurs d'automobiles allemands ont réalisé quelques milliers de véhicules équipés de climatisation au CO2. Les États-Unis et le Japon ont prévenu qu'ils n'accepteraient pas ce gaz présentant trop d'inconvénients économiques à leurs yeux. Mais surtout, l'annonce de nouveaux mélanges ininflammables et quasi interchangeables avec les anciens fluides comme le mélange H d'Honeywell ou le D de Du Pont remet tout en cause.

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