Réfrigération : nouvelle option au réfrigérant naturel CO2.

Article parue dans la revue Climapresse de juin 2024.

Dans une industrie en changement continu, il s’avère difficile de trouver le réfrigérant idéal. Toutes les solutions deviennent un compromis entre une vision sur le court et le long terme. Heureusement, dans le domaine de la réfrigération, les propriétaires et utilisateurs des systèmes de réfrigération investissent la majorité du temps sur le long terme. Voilà pourquoi le réfrigérant naturel CO₂ devient de plus en plus populaire.

Au cours des 35 dernières années, l’industrie a subi quatre changements de famille de réfrigérants synthétiques :

Avec la signature du protocole de Montréal en 1987, nous sommes passé des CFC (R-12 et R-502) aux réfrigérants HCFC de transition (incluant le R-22) pour protéger la couche d’ozone.
Puis, de nouveaux réfrigérants HFC plus stables et performants (R-507, R-404A) ont remplacé les HCFC dans les années 2000.
Avec une nouvelle préoccupation environnementale concernant le réchauffement planétaire, les réfrigérants R-448A, R-449A et R-449B ont été introduits dans le marché en 2010 pour remplacer le R-404A. Ces réfrigérants ont un pouvoir de réchauffement global PRG (GWP) de moins de 1500 en comparaison à 3920 pour le R-404A.
Présentement, nous sommes à une étape critique concernant le réchauffement planétaire. Nous devrons utiliser de nouveaux réfrigérants ayant un PRG de moins de 150. Les alternatives synthétiques offertes sont les réfrigérants de classification légèrement inflammable A2L. Ces réfrigérants demandent alors d’adapter les unités de réfrigération et leur installation pour cette nouvelle réalité mondiale.

Ces nombreux changements poussent les propriétaires et opérateurs à rechercher un réfrigérant dont la disponibilité sera prévisible et durable. Les réfrigérant naturels deviennent donc très intéressants. Les trois options sont les suivantes : le propane R-290, l’ammoniac R-717 et le dioxyde de carbone CO2 R-744. N’étant pas inflammable ou toxique, le CO₂ devient donc une alternative naturelle aux réfrigérants synthétiques. De plus, le coût à la livre est près de 20 fois moindre que le réfrigérant synthétique de référence.

Les défis du CO2 Les principaux défis des systèmes de réfrigération utilisant le réfrigérant CO₂ sont le coût et la complexité des systèmes de réfrigération.

En ce qui concerne le coût des systèmes, une vision à long terme doit être considérée pour fin d’analyse de retour sur le capital investi (RCI). Nous voyons déjà une tendance forte au niveau des grandes chaînes d’alimentation à allonger cette période de RCI. En conséquence, elles transforment leurs magasins utilisant les réfrigérants synthétiques en système CO₂. Cette tendance existe au Québec depuis plus de huit ans. Nous voyons présentement la même tendance au sud de la frontière, car bon nombre des grandes chaînes américaines transforment leur magasin au CO₂. L’analyse économique des systèmes qu’ils font sur 10 ou 20 ans semble favoriser l’utilisation du CO₂ versus les nouveaux réfrigérants synthétiques.

Le défi reste donc la complexité des systèmes. Le réfrigérant CO₂ existe depuis le début de la réfrigération, mais il était impossible de l’utiliser avec les technologies existantes étant donné les caractéristiques physiques de la molécule. En fait, il n’était pas possible d’opérer un système de réfrigération utilisant le CO₂ en régime sous-critique avec une température ambiante supérieure à 70 °F, comme on le fait avec les réfrigérants synthétiques tels que le R-448a. Le cycle transcritique moderne a été développé entre 1988 et 1991 par le chercheur norvégien Gustav Lorentzen (1915-1995) et son équipe. Autour des années 2000, des équipements de réfrigération fonctionnant en cycle transcritique du CO₂ ont commencé à être commercialisés. Depuis ce temps, les technologies des compresseurs, des valves et des contrôles ont évolué et nous sommes maintenant en mesure de produire des équipements commerciaux compétitifs et efficaces fonctionnant avec le cycle transcritique du CO₂.

Cycle sous-critique typique des réfrigérants synthétiques.

Cycle simplifié transcritique du CO₂.

Centrale de production du froid

Afin de comprendre la complexité des systèmes de réfrigération au CO₂, voyons les défis principaux que nous rencontrons avec une centrale de production de froid (CPF) à multiples compresseurs. 1. Température d’évaporation:

Nous avons typiquement deux températures d’évaporation. Une application basse température pour les aliments congelés (approximativement -10 °F) et une application à température moyenne pour les aliments réfrigérés (34 °F).

Les CPF à multiples compresseurs doivent donc contrôler de multiples températures d’évaporation impliquant de nombreuses valves et contrôles.

2. Dégivrage des évaporateurs au gaz chaud :

Les CPF sont parfaitement adaptées au dégivrage au gaz chaud, ce qui réduit la consommation électrique. Cependant, la gestion de ce type de dégivrage implique l’utilisation de valves et de contrôles plus sophistiqués.

3. Fonctionnement en transcritique durant l’été:

Pour pouvoir rejeter la chaleur à l’extérieur en été, nous nécessitons un cycle de réfrigération en transcritique. Ce cycle requiert deux étages de compression pour les évaporateurs des congélateurs (-20 °F évaporation). La gestion et le balancement des capacités des premier et deuxième étages de compression ajoutent de la complexité au système.

4. Récupération de la chaleur :

La chaleur rejetée par le système doit être récupérée le plus possible pour permettre le chauffage gratuit. Cette capacité est variable et ajoute à la complexité au système.
Pour certaines applications, la récupération de chaleur oblige le système à fonctionner en cycle transcritique même en hiver afin d’avoir du réfrigérant très chaud pour la récupération. La récupération en sous-critique, si possible, est plus efficace. Bref, ces quatre éléments du système arrivent simultanément et sont variables. Ils ajoutent donc de la complexité à la CPF.

Comment simplifier les systèmes au CO₂?

Un peu comme nous le faisons avec les systèmes utilisant les réfrigérants synthétiques, nous pouvons utiliser des groupes compresseurs / condenseurs CU CO₂ avec un ou des évaporateurs dédiés à une seule température d’évaporation au lieu d’utiliser une CPF avec de multiples évaporateurs à différentes températures d’évaporation. Quels sont les avantages d’utiliser un groupe compresseur / condenseur au CO₂ par rapport à une CPF à multiples compresseurs ?

Une seule température d’évaporation au lieu de multiples températures d’évaporation;
Système de dégivrage électrique au lieu de dégivrage au gaz chaud (moins de valves et de contrôles, simplification du système);
Système avec ou sans récupération de chaleur (malheureusement, très peu de CU utilisent la récupération de chaleur);
Système à un seul compresseur à deux étages de compression permettant l’opération en cycle transcritique avec une température d’évaporation à -20 °F, sans la complexité centrale de froid fonctionnant avec deux étages de compresseurs.
Dans le cas des CU CO₂, le compresseur de quatre cylindres utilise deux cylindres pour le premier étage de compression et les deux autres cylindres pour le deuxième étage de compression.

Cycle critique pour un compresseur deux étages au CO₂

Comparaison des installations de systèmes utilisant les CPF versus les CU CO₂

L’installation de systèmes avec les CPF demande l’utilisation d’une salle mécanique pour l’installation centralisée de la CPF. Toute la tuyauterie de réfrigération et tout le filage de contrôle partira aussi de la salle mécanique. Beaucoup de tuyauterie et beaucoup de connections sont à prévoir dans cette salle. Ce type d’installation, qui s’étend sur tout le bâtiment, augmente la quantité de réfrigérant ainsi que le nombre de points potentiels de fuites. L’installation nécessite de nombreux filages pour les contrôles et une grande quantité de main-d’œuvre au chantier.

La CPF doit être connectée au refroidisseur de gaz « gas cooler » situé au toit. L’interconnexion doit être faite pour une pression d’opération élevée de 120 bar et par des soudeurs spécialisés haute pression.

Une fois l’installation terminée, une mise en marche rigoureuse doit être faite afin de s’assurer que tous les éléments/valves/contrôles fonctionnent correctement.

Installation typique pour un groupe compresseur-condenseur CO₂ avec quatre évaporateurs.

Dans le cas d’une installation d’un CU CO2 avec trois à quatre évaporateurs, la mise en place des équipements est beaucoup plus compacte. La distance entre les évaporateurs et les CU CO2 est courte, ce qui implique moins de réfrigérant, moins de points de fuites, moins de filage de contrôle, etc. De plus, il n’est plus nécessaire d’avoir une grande salle mécanique à l’intérieur. Une installation de ce type réduit le besoin en main-d’œuvre et élimine l’interconnexion haute pression au chantier entre le compresseur et le refroidisseur de gaz « gas cooler » au toit, puisque le tout est fait chez le manufacturier.

Le coût total de l’installation et des équipements pour les groupes compresseurs / condenseurs est donc plus bas que pour les CPF.

En conclusion, vous avez une nouvelle solution pour vos projets de réfrigération utilisant le réfrigérant naturel CO2. Cette alternative simplifiée vous permettra de proposer des projets compétitifs utilisant le CO2 en toute confiance.