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Evaluation des fluides frigorigènes à faible GWP pour le froid domestique et co

Evaluation des fluides frigorigènes à faible GWP pour le froid domestique et commercial, les transports réfrigérés et la climatisation automobile D. Clodic, Y.S. Chang, A.M. Pougin, Mai 1999 EVALUATION DE FLUIDES FRIGORIGENES A FAIBLE GWP POUR LE FROID DOMESTIQUE ET COMMERCIAL, LES TRANSPORTS REFRIGERES ET LA CLIMATISATION AUTOMOBILE SOMMAIRE SYNTHESE ...................................................................................................................................... I 1. LES FLUIDES FRIGORIGENES A FAIBLE GWP .............................................................................. 2 1.1 HCFC à faible GWP..................................................................................................... 2 1.2 HFC à faible GWP et leurs mélanges.......................................................................... 3 1.3 Molécules de synthèse à faible GWP de type éther, amine, alcool ............................ 3 1.4 Molécules inorganiques et hydrocarbures à faible GWP ............................................ 4 2. METHODE D’EVALUATION .......................................................................................................... 4 2.1 Propriétés thermodynamiques..................................................................................... 5 2.2 Sécurité des matériels frigorifiques et conséquences sur la structure des installations ........................................................................................................... 7 2.3 Efficacité énergétique et conséquences en terme d’émissions de CO2.................... 11 3. SYNTHESE SUR LES OPTIONS TECHNIQUES POUR L’ENSEMBLE DES APPLICATIONS DE LA CHAINE DU FROID ET DE LA CLIMATISATION ......................................................................................................... 13 3.1 Technologies alternatives aux cycles à compression de vapeur .............................. 13 3.2 Evolution de l’utilisation de l’ammoniac ..................................................................... 13 3.3 Utilisation du CO2 ...................................................................................................... 14 3.4 Les hydrocarbures ..................................................................................................... 14 3.5 Les HFC..................................................................................................................... 15 4. Le froid domestique.............................................................................................................. 17 4.1 Performances comparatives de systèmes fonctionnant à l'isobutane et au R-134a. 17 4.2 Poids relatifs de la consommation énergétique et des émissions............................. 18 4.3 Coûts des équipements............................................................................................. 19 4.4 Evolution mondiale..................................................................................................... 19 5. LE FROID COMMERCIAL............................................................................................................... 20 5.1 Utilisation de fluides à faible GWP ............................................................................ 20 5.2 Utilisation des fluides inflammables........................................................................... 22 5.3 Consommation d'énergie et émissions de fluides frigorigènes ................................. 22 5.4 Limitation de la charge de fluide frigorigène.............................................................. 23 5.5 Synthèse.................................................................................................................... 23 6. LES TRANSPORTS FRIGORIFIQUES ........................................................................................... 24 6.1 Utilisation des inflammables dans les transports frigorifiques................................... 24 6.2 Système direct ou système indirect........................................................................... 24 7. LA CLIMATISATION AUTOMOBILE............................................................................................... 25 7.1 Cycle transcritique utilisant le CO2 ............................................................................ 25 7.2 Conception de systèmes indirects utilisant des hydrocarbures................................. 27 Bibliographie ................................................................................................................................ 30 Annexe 1 – Tableau des fluides Annexe 2 – Le froid domestique Annexe 3 – Le froid commercial Annexe 4 - Les transports frigorifiques Annexe 5 - La climatisation automobile Evaluation des fluides frigorigènes à faible GWP pour le froid domestique et commercial, les transports réfrigérés et la climatisation automobile D. Clodic, Y.S. Chang, A.M. Pougin, Mai 1999 1 1. LES FLUIDES FRIGORIGENES A FAIBLE GWP L’inclusion des HFC dans le panier des gaz à effet de serre entraîne une conséquence immédiate : le GWP devient un critère de sélection pour les fluides frigorigènes. Les HFC, développés à partir de 1989 comme fluides frigorigènes de remplacement des CFC1 et des HCFC2, présentent généralement des GWP élevés sauf pour certains d’entre eux qui alors sont modérément inflammables. L’intégration du GWP dans les critères de sélection des fluides frigorigènes implique un réexamen de l’ensemble des molécules disponibles. D’un point de vue strictement scientifique des molécules HCFC qui ont à la fois un très faible ODP et un très faible GWP peuvent constituer des molécules à réétudier même si le Protocole de Montréal les a interdites de production. Le développement ci-dessous présente les fluides ou les familles de fluide à faible GWP et qui peuvent correspondre, seuls ou en mélanges, aux critères de sélection des concepteurs d’équipements frigorifiques. 1.1 HCFC à faible GWP Le R-123 représente un excellent exemple d'un fluide dont la production va être arrêtée alors que son impact sur l'environnement est extrêmement faible. Ce fluide est un HCFC dont la production est, à court terme, interdite par le Protocole de Montréal mais dont les valeurs tant d'ODP que de GWP sont extrêmement faibles (cf. tableau 1). Le R-124 est un peu dans le même cas mais avec des valeurs plus élevées aussi bien pour l'ODP que le GWP. Ce composant peut rentrer dans des mélanges, comme celui indiqué dans le tableau 1, qui peuvent représenter des compromis intéressants à la fois en termes environnementaux et pour leurs niveaux de température. Tableau 1 – Propriétés de HCFC à faible ODP et GWP Fluide Formule chimique Point d'ébullition normal (°C) Durée de vie atmosphérique (an) ODP GWP (kg de CO2) R-123 CHCl2CF3 27,8 1,4 0,014 93 R-124 CHClFCF3 -12 6,1 0,03 470 Mélange de HCFC R-124/123 (42/58) 0 / 0,021 250 Le R-123, utilisé à grande échelle aux Etats-Unis, mérite une description plus détaillée. C'est un fluide modérément toxique (classification Ashrae B1) dont la limite d'exposition chronique est fixée à 30 p.p.m., ce qui amène à un confinement strict de ce fluide dans les équipements frigorifiques qui en sont chargés. Le R-123 est uniquement utilisé dans les groupes refroidisseurs d'eau centrifuges où il a remplacé le R-11. Ce remplacement s'est massivement effectué aux Etats-Unis mais ne s'est pas généralisé dans les autres pays, en raison du faible nombre de groupes refroidisseurs d'eau utilisant le R-11 hors des Etats-Unis. Ce fluide frigorigène correspond à une niche d'application où le niveau de confinement est devenu extrêmement élevé. Les taux d'émission sont faibles à la fois parce que l'évaporation s'effectue à pression infra-atmosphérique - le système est un groupe dont le circuit est entièrement situé en salle des machines - et la puissance frigorifique est 1 CFC : Chloro Fluoro Carbure 2 HCFC : Hydro Chloro Fluoro Carbure Evaluation des fluides frigorigènes à faible GWP pour le froid domestique et commercial, les transports réfrigérés et la climatisation automobile D. Clodic, Y.S. Chang, A.M. Pougin, Mai 1999 2 suffisamment élevée pour que les méthodes de maintenance soient strictes. Ce fluide présente un excellent compromis entre ses facilités de confinement et son action potentielle sur l'environnement. Cependant, à court terme, le R-123 est interdit de production par le Protocole de Montréal, compte tenu de son ODP de 0,014. Cette décision tient plutôt du simplisme réglementaire que d'une attitude rationnelle basée sur une analyse intégrant l'impact effectif sur l'environnement global. 1.2 HFC à faible GWP et leurs mélanges Un certain nombre de HFC dont le GWP est inférieur à 1 000 sont connus. Les seules substitutions possibles se font entre le fluor et l’hydrogène d’où un nombre de possibilités réduit. A titre d’exemples, le tableau 2 présente des fluides issus de la substitution partielle de l’hydrogène par le fluor pour les 3 hydrocarbures qui constituent les principales molécules d’origine des HFC à savoir, le méthane pour le R-32, l’éthane pour le R-152a et le propane pour le R-245ca. Chacune de ces molécules est faiblement inflammable, le R- 152a montre cependant des caractéristiques d’explosivité significativement supérieures aux deux autres molécules. Ceci n’est pas pour surprendre car le nombre d’atomes d’hydrogène (4) est supérieur. Des études systématiques menées par Bivens & alii [BIV98] indiquent : qu’un ratio du nombre d'atomes de fluor sur le nombre d’atomes de (fluor + hydrogène) de l'ordre de 0,7 indique que la molécule est non inflammable ; qu'il est possible de trouver des molécules non inflammables ayant un ratio F/(F+H) de 0,6 ; a contrario, pour des ratios inférieurs, la molécule est systématiquement inflammable. Tableau – 2 Propriétés de HFC à faible GWP Fluide Formule chimique Point d'ébullition normal (°C) Durée de vie atmosphérique (an) GWP (kg de CO2) R-32 CH2F2 - 51 5,6 650 R-152a CH3CHF2 - 24 1,5 140 R-245ca CH2FCF2CHF2 25 6,6 560 R-134a/R-152a (20/80) - - 24 - 370 Une des voies du développement de futures molécules pour les fluides frigorigènes sera d’associer des molécules à faible GWP, pouvant être faiblement inflammables, à des fluides qui ont des propriétés d’agent d’extinction. Des tentatives dans ce sens sont à noter, en particulier pour des formulations de mélanges de R-32 et de R-134a. La firme japonaise Daikin travaille sur de telles formulations. Le mélange indiqué au tableau 2 constitue un autre exemple de mélange proposé par des fabricants mais la concentration en R-152a laisse présager son inflammabilité. 1.3 Molécules de synthèse à faible GWP de type éther, amine, alcool L'activité de recherche pour des molécules de substitution aux CFC et HCFC ne s'est pas limitée aux seuls HFC. Des brevets déposés par des entreprises de génie chimique sur des éthers fluorés, des alcools, des amines, des composants soufrés se retrouvent dans les bases de données à partir de 1970. Dès la conférence de Gaithersburg (1989), la famille des éthers est considérée comme méritant analyse. La publication déjà citée de D. Evaluation des fluides frigorigènes à faible GWP pour le froid domestique et commercial, les transports réfrigérés et la climatisation automobile D. Clodic, Y.S. Chang, A.M. Pougin, Mai 1999 3 Bivens [BIV98] présente une excellente synthèse sur les activités de recherche pour des molécules qui soient à la fois non toxiques, non inflammables et dont la durée de vie atmosphérique soit courte. Le nombre de molécules correspondant à l'ensemble de ces contraintes est particulièrement réduit. Certaines molécules comme le E-134 (CHF2OCHF2) permettent de remplacer le R-114, utilisé dans une application niche (le froid et la climatisation dans les sous-marins). La durée de vie atmosphérique du E-134 est cependant de 8 ans et son GWP, non encore défini, doit être supérieur à 500. De la même manière que pour les HFC, le nombre d'atomes d'hydrogène limite la uploads/Geographie/ evalfluidesgwpfr.pdf