Frigorigènes : les hydrocarbures

Propriétés thermodynamiques des hydrocarbures utilisés comme frigorigènes

 

Les hydrocarbures utilisés comme frigorigènes sont chimiquement stables sur une large gamme de températures, non toxiques et respectueux de l’environnement avec un PRP extrêmement faible et un ODP nul. Les hydrocarbures ont également d’excellentes propriétés thermodynamiques ainsi que des propriétés physiques et chimiques qui les rendent particulièrement écoénergétiques. ^[1] Dans les systèmes de froid et de conditionnement d’air par compression de vapeur, les hydrocarbures les plus fréquemment utilisés sont le R290 (propane), le R600a (isobutane) et le R1270 (propène/propylène). ^{[2], [3]}

 

Principales propriétés thermodynamiques et environnementales des hydrocarbures utilisés comme frigorigènes. ^{[1], [4]}

Frigorigène	No.	Formule chimique	Masse moléculaire (kg/kmol)	Point d’ébullition (°C)	PRP (100 ans)	ODP
Méthane	R50	CH4	16.0	-161	30
Propane	R290	C3H8	44.1	-42	<1	0
Butane	R600	C4H10	58.12	0	<1	0
Isobutane	R600a	C4H10	58.12	-12	<1	0
Éthène/éthylène	R1150	CH2=CH2	28.1	-104	3.7	0
Éthane	R170	C2H6	30.07	-89	1.4	0
Propène/Propylène	R1270	C3H6	42.08	-48	<1	0
Dyméthyléther	RE170	C2H6O	46.07	-25	1	0

 

 

Normes de sécurité et charge des hydrocarbures utilisés comme frigorigènes  

 

Selon la norme ISO 817, les hydrocarbures sont des frigorigènes de classe « A3 », faiblement toxiques et hautement inflammables. ^[2] Néanmoins, les hydrocarbures ne présentent pas de danger s’ils sont manipulés en respectant les procédures de sécurité et installés conformément aux instructions du fabricant.

Selon une Note d’Information de l’IIF, l’une des mesures de sécurité requises pour prévenir les risques d’incendie ou d’explosion avec des frigorigènes inflammables consiste à minimiser la charge et les fuites de frigorigènes. ^[5]  Sachant que la majeure partie de la charge est stockée dans des échangeurs de chaleur, la charge en frigorigène peut être réduite en diminuant le volume interne de l’échangeur de chaleur, par exemple à l’aide d’échangeurs de chaleur à microcanaux. ^{[4], [6]}

Les limites de charge des frigorigènes inflammables sont définies dans les normes de sécurité suivantes pour le froid, le conditionnement d’air et les pompes à chaleur : ISO 5149, IEC 60,335-2-40 et IEC 60,335-2–89 au niveau international et EN 378 en Europe. Ainsi, la limite de charge pour le froid domestique est de 150 g, tandis que la limite de charge pour le froid commercial varie entre 500 g et 1,5 kg selon les normes. ^[2]  La taille de la pièce et le nombre d’occupants sont des facteurs à prendre en compte dans l’utilisation des hydrocarbures. Pour des systèmes frigorifiques dont la limite de charge est supérieure à 150 g, la taille de la pièce doit être telle qu’une fuite soudaine de frigorigène n’augmente pas la concentration moyenne de gaz dans la pièce au-delà d’un seuil donné. ^[1]

Outre les problématiques d’inflammabilité, le coût représente un autre frein à l’adoption des hydrocarbures en tant que frigorigènes. Selon les cas, l’investissement requis pour l’utilisation des hydrocarbures peut être onéreux en raison des coûts supplémentaires liés aux exigences de sécurité.

 

Applications des hydrocarbures dans les systèmes de froid et de conditionnement d'air

 

Les hydrocarbures peuvent être utilisés soit dans un équipement frigorifique conçu spécifiquement pour leur utilisation, soit en remplacement d’autres frigorigènes moyennant quelques modifications de l’équipement. Dans les équipements modifiés, la compatibilité avec le lubrifiant et le respect des mesures de sécurité sont primordiaux. ^[1]

 

Les hydrocarbures dans le froid domestique et le conditionnement d’air

 

Pour les réfrigérateurs domestiques, les hydrocarbures, en particulier le R600a (isobutane), sont considérés comme la principale alternative écoénergétique et compétitive en termes de coûts.^{[4], [7], [8]} Dans une étude sur un réfrigérateur domestique, un mélange ternaire de R290/R600/R600a a permis  une augmentation de 14 % du coefficient de performance (COP) et de 3,43 % du rendement exergétique, par rapport au HFC-134a. ^[9] Pour atténuer les risques liés à la sécurité, des études récentes se sont  concentrées sur l’optimisation des configurations afin de minimiser à la fois la charge en frigorigène et la consommation d’énergie dans les réfrigérateurs domestiques. ^[8]

L’utilisation des HFC pour le conditionnement d’air résidentiel reste généralisée dans de nombreux pays. Néanmoins, une transition des lignes de production vers le R290 (propane) est en cours en Chine, en Asie du Sud-Est et en Amérique du Sud. Les exigences restrictives des normes de sécurité limitent l’introduction sur le marché de ces nouveaux produits, à l’exception des petites unités portables. ^[10] Les équipements de conditionnement d’air contenant des hydrocarbures sont disponibles dans le commerce pour des modèles à faible charge tels que les mini-split, les climatiseurs de fenêtre ou portables et, plus récemment, les systèmes split et ceux avec conduite d’évacuation en toiture. ^[4]

Les frigorigènes inflammables tels que le propane peuvent être utilisés en toute sécurité dans les climatiseurs de fenêtre, en raison de leur taille compacte et du faible volume de charge en frigorigène requis pour leur fonctionnement. ^[11]  Dans une étude, le R290 a été utilisé en remplacement du HCFC-22 dans un climatiseur individuel en ajoutant un échangeur de chaleur à aspiration liquide. Le nouveau système a permis d’augmenter le COP de 38 %. ^[12]  Dans une autre étude, un prototype de climatiseur de fenêtre à haut rendement utilisant du R290 a atteint la même puissance de refroidissement qu’un modèle au R410A de base et a obtenu un EER supérieur de 17 % à celui des modèles promus par le programme « Energy Star » de l'agence de protection de l’environnement des États-Unis. ^[11]

 

Hydrocarbures dans le froid commercial

 

Selon un article de synthèse récent, le HCFC-22, le HFC-404A et le HFC-134a dominent toujours le secteur des équipements frigorifiques de petite taille destinés à la vente au détail. Néanmoins, l’adoption d’hydrocarbures tels que le R290 et le R600a dans les meubles frigoriques de vente et les congélateurs progresse grâce aux technologies de réduction de charge. ^[7]  Par exemple, une réduction de 28 % de la consommation d’énergie a été signalée lors de l’utilisation du R290 dans des refroidisseurs de bouteilles à portes vitrées par rapport aux modèles plus anciens contenant du HFC-134a. ^[4]  En Chine, les résultats d’une étude de performance ont montré une réduction significative de la consommation d’énergie lors de l’utilisation du R290 dans un meuble frigorifique de vente vertical, aussi bien dans des conditions de congélation que de réfrigération. ^[7]

 

Hydrocarbures dans le conditionnement d’air automobile ^{[4], [13-14]}

 

Les normes de sécurité régionales et les limites de charge pour l’utilisation de frigorigènes inflammables ne sont pas standardisées dans le secteur du conditionnement d’air automobile. Par exemple, selon le rapport d’évaluation RTOC 2018 du PNUE, les équipements rénovés pour fonctionner avec des hydrocarbures étaient autorisés dans certains états en Australie, mais bannis dans d’autres tout comme aux États-Unis. Les hydrocarbures pourraient être utilisés dans des équipements neufs, à condition que les problèmes de sécurité aient été réglés, par exemple en introduisant un circuit de boucle secondaire qui permet de séparer les frigorigènes inflammables des espaces occupés. ^{[4], [13]}

 

Hydrocarbures dans les systèmes à ultra-basse température  ^[3]

 

Le R170 (éthane) et le R1150 (éthène) sont les seuls hydrocarbures dont le point d’ébullition est adapté au froid à ultra-basse température (inférieure à –50 °C). Le R170 convient aux équipements de froid commercial à basse température ainsi qu’aux grands équipements de froid commercial et industriel. Dans une étude théorique, le R170 et le R1150 ont été utilisés dans l’étage inférieur d’un système en cascade. Comparé à d’autres frigorigènes sélectionnés, le R170 présentait des performances supérieures en termes de COP, mais pas en termes de puissance de refroidissement volumétrique. D’autres études portant sur l’utilisation d’un éjecteur dans un système frigorifique en cascade fonctionnant avec du R290 et du R170 ont révélé des performances supérieures en termes de COP, de puissance de refroidissement et de réduction de la consommation électrique.

 

Hydrocarbures dans les systèmes de pompes à chaleur

 

Dans les pompes à chaleur de forte puissance, l’utilisation d’hydrocarbures est limitée à une charge maximale de 500g requise par la norme CEI. Par conséquent, les HFO sont plus adaptés. Toutefois, pour les systèmes de faible et de moyenne puissance, les pompes à chaleur à compression utilisant des hydrocarbures ont un grand potentiel de développement pour le froid commercial. ^[15]

Selon le rapport RTOC 2018 du PNUE, un nombre limité d’installations de pompe à chaleur utilisant du R290 avec un faible niveau de charge pour le chauffage de l’eau a été vendu en Europe. ^[4]  Néanmoins, un rapport plus récent du PNUE indique que le R290 progresse rapidement dans les équipements monoblocs de chauffage de l’eau, dans le respect des restrictions de sécurité. ^[10]

Selon un article de synthèse récent, lorsque la température de la source de chaleur est comprise entre 40 °C et 80 °C et que la température de sortie varie entre 80°C et 120°C, le R600 et le R600a  ainsi que le HFO-1234ze (Z) sont les frigorigènes les plus appropriés pour ces applications de pompes à chaleur à moyenne et haute température. Le R600, le R600a et le R601 peuvent fournir des températures plus élevées allant jusqu’à 135 °C avec des COP compris entre 1,9 et 7,0. Pour des températures de sortie inférieures à 70 °C, le R290 est l’option la plus fréquente, avec des valeurs de COP comprises entre 1,3 et 6,0. ^[15]

 

Efficacité énergétique et impact environnemental des hydrocarbures utilisés comme frigorigènes ^{[1], [4]}  

 

Les hydrocarbures constituent une alternative écoénergétique aux HFC. Lors de l’utilisation d’hydrocarbures, plusieurs études ont rapporté des économies d’énergie allant de 4,4 à 18,7 % par rapport au HFC-134a et de 2,65 à 13,5 % par rapport au HCFC-22. ^[1] Plusieurs études ont également fait état d’une réduction des charges en frigorigène de 40 à 56 % par rapport au HFC-134a et une réduction de 12,9 à 58 % par rapport au HCFC-22. ^[1] Cela est dû à la densité plus faible des hydrocarbures par rapport aux HFC. Une charge en frigorigène plus faible contribue à réduire la consommation de frigorigène et, par conséquent, à réduire les éventuelles émissions de CO₂-eq en cas de fuites et en fin de vie. ^[4] Dans une étude récente, une analyse TEWI a permis de déterminer que l’utilisation d’hydrocarbures au lieu d’un HFC associée à une conception optimisée d’un système frigorifique permettaient conjointement de réduire les émissions de CO₂-eq. ^[16]

 

Liens utiles pour plus d'information

 

 

 

References

[1]          K. Harby, « Hydrocarbons and their mixtures as alternatives to environmental unfriendly halogenated refrigerants: An updated overview », Renew. Sustain. Energy Rev., vol. 73, p. 1247‑1264, juin 2017, doi: 10.1016/j.rser.2017.02.039.

[2]          D. Colbourne, K. O. Suen, T.-X. Li, I. Vince, et A. Vonsild, « General framework for revising class A3 refrigerant charge limits – a discussion », Int. J. Refrig., vol. 117, p. 209‑217, sept. 2020, doi: 10.1016/j.ijrefrig.2020.04.024.

[3]          A. Mota-Babiloni et al., « Ultralow-temperature refrigeration systems: Configurations and refrigerants to reduce the environmental impact », Int. J. Refrig., vol. 111, p. 147‑158, mars 2020, doi: 10.1016/j.ijrefrig.2019.11.016.

[4]          UNEP, « Refrigeration, Air Conditioning and Heat Pumps Technical Options Committee (RTOC) 2018 Assessment Report », 2018. [En ligne]. Disponible sur: https://ozone.unep.org/sites/default/files/2019-04/RTOC-assessment-report-2018_0.pdf

[5]          IIF-IIR et D. Colbourne, « Flammable refrigerants, 36th Informatory Note on refrigeration technologies. », 2017. https://iifiir.org/en/fridoc/flammable-refrigerants-36-lt-sup-gt-th-lt-sup-gt-informatory-note-on-141136 (consulté le juill. 27, 2021).

[6]          E. Allymehr et al., « Numerical Study of Hydrocarbon Charge Reduction Methods in HVAC Heat Exchangers », Energies, vol. 14, no 15, Art. no 15, janv. 2021, doi: 10.3390/en14154480.

[7]          E. Gao, Q. Cui, H. Jing, Z. Zhang, et X. Zhang, « A review of application status and replacement progress of refrigerants in the Chinese cold chain industry », Int. J. Refrig., vol. 128, p. 104‑117, août 2021, doi: 10.1016/j.ijrefrig.2021.03.025.

[8]          W. Cho, D. S. Jang, S. H. Lee, S. Yun, et Y. Kim, « Refrigerant charge reduction in R600a domestic refrigerator-freezer by optimizing hot-wall condenser geometry », Int. J. Refrig., vol. 117, p. 295‑306, sept. 2020, doi: 10.1016/j.ijrefrig.2020.05.012.

[9]          M. Fatouh et H. Abou-Ziyan, « Energy and exergy analysis of a household refrigerator using a ternary hydrocarbon mixture in tropical environment – Effects of refrigerant charge and capillary length », Appl. Therm. Eng., vol. 145, p. 14‑26, déc. 2018, doi: 10.1016/j.applthermaleng.2018.09.008.

[10]       UNEP, « Technology and Economic Assessment Panel (TEAP) 2021. Progress Report (Volume 1) - advanced copy », 2021. [En ligne]. Disponible sur: https://ozone.unep.org/node/11983

[11]       B. Shen et B. Fricke, « Development of high efficiency window air conditioner using propane under limited charge », Appl. Therm. Eng., vol. 166, p. 114662, févr. 2020, doi: 10.1016/j.applthermaleng.2019.114662.

[12]       D. M. Nasution, M. Idris, N. A. Pambudi, et Weriono, « Room air conditioning performance using liquid-suction heat exchanger retrofitted with R290 », Case Stud. Therm. Eng., vol. 13, p. 100350, mars 2019, doi: 10.1016/j.csite.2018.11.001.

[13]       M. Mohanraj et J. D. A. P. Abraham, « Environment friendly refrigerant options for automobile air conditioners: a review », J. Therm. Anal. Calorim., oct. 2020, doi: 10.1007/s10973-020-10286-w.

[14]       S. Wongwises, A. Kamboon, et B. Orachon, « Experimental investigation of hydrocarbon mixtures to replace HFC-134a in an automotive air conditioning system », Energy Convers. Manag., vol. 47, no 11, p. 1644‑1659, juill. 2006, doi: 10.1016/j.enconman.2005.04.013.

[15]       D. Wu, B. Hu, et R. Z. Wang, « Vapor compression heat pumps with pure Low-GWP refrigerants », Renew. Sustain. Energy Rev., vol. 138, p. 110571, mars 2021, doi: 10.1016/j.rser.2020.110571.

[16]       M. Ghanbarpour, A. Mota-Babiloni, B. E. Badran, et R. Khodabandeh, « Energy, Exergy, and Environmental (3E) Analysis of Hydrocarbons as Low GWP Alternatives to R134a in Vapor Compression Refrigeration Configurations », Appl. Sci., vol. 11, no 13, Art. no 13, janv. 2021, doi: 10.3390/app11136226.