Réduire l’impact environnemental des systèmes frigorifiques à ultra-basse température

Introduction

 

Les équipements frigorifiques produisant des températures allant de -50 °C jusqu’à -100 °C peuvent être définis comme systèmes frigorifiques à ultra-basse température (ULT). De tels systèmes sont utilisés notamment en lyophilisation ainsi que pour le refroidissement dans l’industrie pharmaceutique, chimique et pétrochimique.

 

Le Règlement de l’UE sur les gaz fluorés (F-gaz), l’Amendement de Kigali au Protocole de Montréal relatif aux substances qui appauvrissent la couche d’ozone ainsi que les règlements de l’Agence américaine de protection de l’environnement limitent tous le GWP dans la plupart des équipements de froid, de conditionnement d’air et de pompe à chaleur.

 

Mais, comme le soulignent les auteurs d’un récent article de synthèse dans la Revue Internationale du Froid ^[1], jusqu’à présent, le froid ULT a été exclu des réglementations notamment en raison du faible nombre de systèmes ULT en service par rapport aux systèmes à des températures supérieures à -50 °C. Par conséquent, il y a peu de recherche et de développement disponibles sur le froid ULT.

 

L’absence des frigorigènes ULT dans les politiques de réduction des HFC peut expliquer que peu d’articles scientifiques aient étudié les alternatives respectueuses de l’environnement aux HFC utilisés pour le froid ULT.

 

Le froid ULT utilise généralement des frigorigènes au GWP très élevé tels que R23 (GWP de 12 690) et R508B (GWP de 12 000). Il est donc essentiel que des frigorigènes alternatifs à faible GWP soient développés pour ce secteur du froid. De même, l’efficacité énergétique des systèmes frigorifiques ULT doit être améliorée.

 

La figure ci-dessous montre les générations successives de frigorigènes utilisés dans le froid ULT.

 

 

Les architectures de systèmes frigorifiques ULT

 

L’architecture la plus courante pour le froid ULT est le cycle en cascade bi-étagé. Une telle architecture utilise deux frigorigènes couplés par l’intermédiaire d’un échangeur thermique. L’échangeur thermique fait office d’évaporateur pour le frigorigène du premier étage et de condenseur pour le frigorigène du second étage. 

 

Des études suggèrent que dans un cycle en cascade avec du R23 dans le l’étage inférieur, le meilleur frigorigène pour l’étage supérieur est le R717 (ammoniac), par rapport au R290, au R404A et au R507.

 

Une optimisation mathématique multi-objectif de système frigorifique en cascade a montré que, comparé au R717 pourtant toxique, l’utilisation des hydrocarbures (HC) était préjudiciable à la sécurité du système. C’est pourquoi la plupart des systèmes en cascade pour le froid à basse température utilisent habituellement une combinaison R744 (dioxyde de carbone)/R717. Cependant, l’analyse des paramètres thermodynamiques optimaux pour le système en cascade R744/R717 a révélé que l’utilisation du R1234yf au lieu du R717 réduit le coût d’exploitation tout en augmentant le rendement exergétique.

 

Une autre architecture pour le froid ULT est le système en auto-cascade, parfois utilisé dans les systèmes frigorifiques ULT monobloc de faible puissance. Le froid ULT peut également être obtenu dans des cycles de sublimation solide-gaz utilisant notamment du R744.

 

Les frigorigènes alternatifs à faible GWP

 

L’examen des études sur le froid ULT au cours des vingt dernières années indique que la prochaine génération de frigorigènes pour le froid ULT sera basée sur des frigorigènes à faible GWP tels que le R41 (GWP de 116), le R1132a (GWP < 1), le R170 (éthane, GWP de 5,5) et le R1150 (éthylène, GWP de 4).

 

Pour les systèmes ULT, la transition vers des frigorigènes à faible GWP dépendra du domaine d’application et de la possibilité d’utiliser des frigorigènes avec un certain degré d’inflammabilité. Pour les systèmes frigorifiques ULT qui tolèrent des frigorigènes hautement inflammables, des hydrocarbures (HC), facilement disponibles, peuvent être utilisés, avec une adaptation appropriée des systèmes.

Pour les systèmes frigorifiques ULT ne tolérant pas les frigorigènes hautement inflammables, il n’y a pas de solution conventionnelle ou directe existante.

 

Frigorigènes naturels comme alternative pour le froid ULT

 

Le R170 et le R1150 sont des HC avec des propriétés qui semblent appropriées aux systèmes frigorifiques ULT. Les températures normales d’ébullition du R170 et du R1150 sont respectivement de -88,6 °C et de -103,8 °C. Par conséquent, ils peuvent être utilisés soit dans le second étage des systèmes frigorifiques ULT en cascade, soit comme composant dans des mélanges de frigorigènes pour les systèmes en auto-cascade. Le R170 est classé comme fluide cryogénique inflammable, recommandé pour les unités frigorifiques hermétiques à basse température.

 

Une étude a proposé une cascade R290 (propane)/R170 pour remplacer le R22/R23, en raison d’un coefficient de performance (COP) comparable, en particulier à des conditions de température plus faibles de condensation et d’évaporation. De plus, le débit massique plus faible de la cascade R290/R170 permet de réduire le risque d’inflammabilité.

 

L’analyse théorique et l’optimisation intermédiaire de la température d’un système en cascade ont été effectuées en utilisant du R170 et du R1150 au second étage. Par rapport à d’autres frigorigènes sélectionnés, le R170 a eu un meilleur COP, mais pas une meilleure puissance frigorifique volumétrique par rapport au R744A (oxyde nitreux). Néanmoins, son GWP très faible lui donne l’avantage. Il convient de mentionner que l’échangeur thermique interne donne un avantage considérable au R170.

 

Un inconvénient généralement cité des HC est leur inflammabilité élevée. Des mélanges ont donc été examinés afin d’étudier ce problème.

 

Les mélanges azéotropes de R170/R23, R170/R116 et R170/R23/R116 ont été étudiés pour le second étage d’un système en cascade et comparés au R508B tout en utilisant du R404A dans le premier étage. Le COP du mélange R170/R116 était jusqu’à 10 % plus élevé que celui du R508B, mais le mélange R170/R23/R116 avait la plus grande puissance frigorifique. Le mélange azéotrope de R290/R170 a également été proposé pour les applications ULT.

 

Le mélange des frigorigènes R744/R744A a récemment été étudié pour des applications dans lesquelles le R170 et le R1150 ne peuvent pas être utilisés. Un prototype conçu avec différents lubrifiants a montré que l’efficacité énergétique était comparable à celle des systèmes aux HFC disponibles sur le marché à des températures d’évaporation jusqu’à -80 °C.

 

Frigorigènes dae synthèse alternatifs pour le froid ULT

En 2018, une étude a présenté le R1132a comme une alternative aux frigorigènes utilisés dans les systèmes frigorifiques ULT. Le R1132a appartient à la famille des HFO, significativement plus stable que d’autres éthènes fluorés.  Ainsi, le R1132a est proposé pour le froid ULT comme composant de mélanges avec des températures d’ébullition faibles. Par exemple, le mélange binaire R1132a/R170 présente une meilleure puissance frigorifique et un meilleur COP (à une température d’évaporation de -85 °C) que le R170, le R508B purs ou que le R1132a mélangé à du R116.

 

Un autre frigorigène apparu comme alternative dans le froid ULT est le R41. 

 

L’analyse théorique du R41 en remplacement du R23 dans le second étage d’un système en cascade (avec du R404A dans le premier étage) a révélé des valeurs de COP plus élevées. Cependant, par rapport au R170, les résultats en termes de COP ont été plus faibles, tandis que la consommation d’énergie et les pertes d’exergie ont été plus élevées. Dans le cas d’un système tri-étagé, le R41 et le R170 ont été recommandés pour remplacer le R23 dans l’étage intermédiaire, avec du R1150 dans l’étage basse température à des températures d’évaporation jusqu’à -120 °C.

L’inflammabilité du R41 est problématique pour son utilisation dans le froid ULT. Le mélange de R41 avec d’autres frigorigènes non inflammables, comme par exemple le R744, permet de fonctionner à haute température ambiante tout en évitant les formations solides ainsi que des pressions ou des rapports de pression trop élevés. R41/R744 (50/50 wt %) est un mélange azéotrope potentiellement non inflammable qui maximise la température critique et correspond aux caractéristiques de pression-température à la saturation et à la puissance frigorifique des frigorigènes existants dans cette gamme.

 

Conclusion

 

Parmi les frigorigènes hydrocarbures, le R170 et le R1150 sont actuellement les meilleures options en tant que frigorigènes alternatifs à faible GWP dans les systèmes frigorifiques ULT. Le problème de leur inflammabilité peut être résolu en les combinant avec des frigorigènes peu ou non inflammables dans le premier étage de systèmes en cascade.

Le R1132a, un HFO peu inflammable, a récemment été considéré, mais les informations disponibles sont encore limitées principalement à la caractérisation de ses propriétés thermodynamiques. 

Le R41 est un autre frigorigène possible, mais présente quelques limites, notamment en termes d’inflammabilité. 

Tous ces frigorigènes alternatifs ont présenté des résultats énergétiques prometteurs lors de simulations théoriques dans des configurations avancées de froid ULT. Toutefois, des recherches expérimentales supplémentaires sont nécessaires pour caractériser leur comportement et leur permettre de dominer le marché de façon fiable.

 

^[1] Mota-Babiloni, A., Joybari, M. M., Navarro-Esbrí, J., Mateu-Royo, C., Barragán-Cervera, Á., Amat-Albuixech, M., & Molés, F. (2019). Ultralow-temperature refrigeration systems: Configurations and refrigerants to reduce the environmental impact. International Journal of Refrigeration.

https://doi.org/10.1016/j.ijrefrig.2019.11.016