Fluides frigorigènes Une période de transition

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© Doc. Daikin

La réglementation sur les gaz fluorés organise la raréfaction des HFC (R410A, R134a et R407C) sur le marché en fonction de leur contribution à l’effet de serre. Après l’interdiction des CFC puis des HCFC, une nouvelle période de transition vers d’autres fluides s’annonce. Il existe des solutions. Le HFC R32 et les HFO, purs ou en mélange, font aujourd’hui figure d’outsiders.

Les fluides frigorigènes sont des substances utilisées dans les systèmes de refroidissement (réfrigération et climatisation) en raison de leurs propriétés thermodynamiques. Ils ont pour particularité, quand ils changent d’état physique (liquide à vapeur), d’absorber de la chaleur. Ils peuvent ainsi être exploités dans un cycle de compression et de détente pour produire du froid ou du chaud. Les fluides frigorigènes sont choisis en fonction de leur température d’évaporation (généralement plutôt basse), des pressions liées au changement d’état physique (basses lors de l’évaporation, hautes lors de la condensation), et surtout de la quantité d’énergie qu’ils peuvent absorber. Il en résulte des fluides frigorigènes plus ou moins performants selon les applications. Les équipements de réfrigération et de climatisation sont développés autour de ces fluides : compresseurs, échangeurs, organes et carte électronique… jusqu’à l’huile de lubrification qui doit être compatible et présenter le bon taux de miscibilité à l’état liquide.

Il existe plusieurs familles de fluides frigorigènes, qui diffèrent par leur composition chimique. Les chlorofluorocarbures (CFC) et les hydrochlorofluorocarbures (HCFC) sont des gaz chlorés qui appauvrissent la couche d’ozone et sont de puissants gaz à effet de serre. Ils sont réglementés par le protocole de Montréal, ratifié le 16 septembre 1987. Les CFC (Fréon 12 notamment) sont déjà de l’histoire ancienne. Quant aux HCFC (R22 pour le plus connu), ils sont interdits de mise sur le marché depuis le 1er janvier 2015 (règlement n° 1005/2009/CE du 14 septembre 2009). Cette mesure concerne les fluides vierges ou recyclés (c’est-à-dire régénérés à des fins de maintenance et d’entretien des équipements). Il reste bien sûr encore des équipements au R22 en fonctionnement, mais il n’est plus possible d’intervenir sur le circuit frigorifique. Si la machine tombe en panne, le fluide doit être récupéré et détruit.
Les fluides frigorigènes les plus employés actuellement dans le bâtiment (systèmes de climatisation et pompes à chaleur) sont les HFC (hydrofluorocarbures), qui, au contraire des CFC et HCFC, ne contiennent pas de chlore. Ils n’ont aucun effet sur la couche d’ozone mais contribuent par contre à l’effet de serre et sont de fait réglementés par le protocole de Kyoto, ratifié le 11 décembre 1997. Cette problématique est à l’origine des réglementations européennes actuelles (F-Gaz puis désormais F-Gaz 2), qui visent à limiter les émissions de gaz à effet de serre dans le cadre de la lutte contre le réchauffement climatique.

Une nouvelle réglementation contraignante

Le nouveau règlement européen F-Gaz (n° 517/2014, dit F-Gaz 2, publié au Journal officiel de l’Union européenne le 20 mai 2014) est entré en vigueur le 1er janvier 2015 et vient d’être retranscrit dans le droit français par le décret n° 2015-1790 du 28 décembre 2015. Des arrêtés (cinq sont prévus) devraient être publiés en sus (au plus tard au second trimestre 2016). Ce texte renforce les exigences existantes en ajoutant une réduction progressive, mais drastique, des mises sur le marché des HFC (on parle de « phase down ») et des interdictions de mise sur le marché ou d’usage de certains fluides.
La limitation progressive des HFC va organiser la raréfaction de ces fluides en fonction de leur PRP (pouvoir de réchauffement planétaire, ou GWP en anglais - on trouve encore parfois le terme PRG, pour pouvoir de réchauffement global) : de 100 % en 2015 (année de référence, établie sur les quantités exprimées en tonne équivalent CO2 mises en moyenne sur le marché entre 2009 et 2012, que certains jugent d’ailleurs sous-estimées) jusqu’à 21 % en 2030.
C’est l’une des autres nouveautés de ce texte que d’exprimer non plus les quantités en kilo de fluide mais en tonne équivalent CO2. « Chaque producteur ou importateur a reçu un quota annuel de mise sur le marché dégressif jusqu’en 2030, explique Delphine Martin, responsable marketing communication Europe chez Climalife (groupe Dehon). Ce quota est la quantité de fluide HFC exprimée en tonne équivalent CO2. C’est une notion toute nouvelle, qui va conduire à faire un choix entre les différentes molécules qui seront mises sur le marché en fonction de leur PRP. » Ce dispositif concerne tous les fluides fabriqués en Europe, y compris ceux destinés à l’exportation. Il va devenir très contraignant dès 2018, année où les quotas chuteront à 63 %, sachant que plus de la moitié des fluides mis sur le marché sont déjà nécessaires à l’entretien des équipements existants pour pallier les fuites. La disponibilité des HFC sera donc réduite, note l’AFCE (Alliance froid climatisation environnement), et il faudra de plus en plus songer à l’utilisation de fluides à bas PRP ou à des alternatives aux HFC, notamment lors du renouvellement des équipements.
Parallèlement à cette limitation progressive des HFC, la F-Gaz 2 introduit des interdictions d’usage de HFC en fonction de leur PRP pour certains secteurs, et en premier lieu la réfrigération. Pour la maintenance, les HFC neufs de PRP > 2 500 ne pourront plus être utilisés dès 2020 pour l’entretien des équipements de réfrigération ayant une charge supérieure à 40 t éq. CO2 (soit la plupart des installations de froid commercial). Seuls les fluides recyclés et venant du même site, ou régénérés, pourront être utilisés jusqu’en 2030.
Pour les équipements neufs, la climatisation n’est pas impactée tout de suite, mais seulement à partir de 2020 pour les climatiseurs mobiles, et surtout 2025 pour les systèmes bi-blocs. Tous les équipements comportant moins de 3 kg de HFC avec un PRP ? 750 (c’est-à-dire les trois HFC majoritairement utilisés dans le bâtiment que sont le R410A, le R134a et le R407C) seront alors interdits.

Quelles alternatives ?

On le voit, la F-Gaz va mener à terme à une diminution drastique des HFC pour ne garder, quand c’est possible (car cela ne l’est pas encore partout), que les fluides à bas PRP. Parmi les alternatives aux trois fluides que sont le R410A, le R134a et le R407C, on trouve notamment un HFC : le R32 (difluorométhane, un fluide pur, contrairement notamment au R410A ou au R407C, qui sont des mélanges et dont l’un des composants est justement le R32). Son PRP s’élève à 675 (selon le rapport 4 du GIEC, car, pour compliquer la donne, le PRP varie selon le rapport du GIEC) et correspond à un tiers de celui du R410A. Le fabricant Daikin, qui possède pour particularité de produire en Asie (et depuis peu en Europe) ses fluides frigorigènes, est le premier à avoir commercialisé en France, dès 2013 et au terme de cinq ans de développement, un climatiseur split au R32 (Ururu Sahara). Il n’est plus le seul : Panasonic, notamment, a aussi fait ce choix avec deux nouvelles gammes monosplit. Celui-ci a d’ailleurs annoncé que toutes ces gammes de climatiseurs basculeraient au R32 d’ici à trois ans.
Le R32 est un fluide classé A2L, c’est-à-dire qu’il n’est pas toxique mais légèrement inflammable (vitesse de propagation de la flamme < 10 cm/s). « À conditions égales, ce fluide est 8 % plus efficace du point de vue énergétique que le R410A, annonce Frédéric Pignard, directeur de la division RSE et Relations institutionnelles de Daikin. À efficacité égale, il est possible de charger le même équipement avec 30 % de fluide en moins. Il s’agit par ailleurs d’un fluide pur, facilement manipulable, récupérable et recyclable, dont les caractéristiques restent inchangées tout au long de sa vie et du cycle de compression. Le marché compte cinq grands fabricants, avec plus de 4 millions d’unités au R32 installées dans le monde. On pense que c’est une solution pérenne dont le faible PRP est inscrit dans la F-Gaz. Nous proposerons en 2016 une gamme complète (mono et multisplit) pour le résidentiel. » On trouve déjà dans d’autres pays des équipements de plus de 10 kW au R32. Daikin travaille d’ailleurs au développement d’un système à débit réfrigérant variable utilisant ce fluide. Un développement est aussi envisagé pour les groupes d’eau glacée.

Fluides de quatrième génération

Une autre famille de fluides frigorigènes se développe aujourd’hui : les HFO (hydrofluoro-oléfines), non réglementés par la F-Gaz 2 (seule obligation : déclarer les quantités mises sur le marché). Ces fluides de quatrième génération présentent pour avantage d’avoir un faible PRP et, en climatisation, une efficacité énergétique comparable aux HFC. « Ils ressemblent beaucoup aux HFC mais possèdent une double liaison qui leur permet d’être moins stables dans l’atmosphère et d’avoir une durée de vie moindre, et donc un PRP inférieur, explique Pascal Faidy, directeur développement commercial du producteur de fluides Chemours. Cette double liaison leur confère en revanche une certaine inflammabilité. C’est le prix à payer quand on veut un fluide extrêmement stable à l’usage mais instable dans l’atmosphère. À ce jour, il n’a pas été possible de développer une alternative aux HFC présentant à la fois un faible PRP et un caractère ininflammable. »
Trois nouvelles molécules ont été développées par les fabricants. Deux sont classées A2L (non toxiques et légèrement inflammables) : le R1234yf et le R1234ze. Une est classée A1 (non toxique et ininflammable) : le R1233zd.
Le R1234yf tend à remplacer le R134a en climatisation automobile. Il se développe également dans les gros chillers, contenant plusieurs centaines de kilos de fluide. Son principal inconvénient : le prix, encore très élevé.
Le R1234ze est destiné aux applications frigorifiques et de traitement d’air (multisplits, systèmes DRV ou PAC air/air, notamment). « C’est une molécule validée par plusieurs compressoristes, indique Delphine Martin. Le R1234ze offre de réels avantages et des économies d’énergie qui peuvent atteindre 5 à 10 % dans les chillers et les PAC. » Plusieurs leaders du marché (Carrier, Trane…) ont déjà choisi cette solution pour leurs nouveaux chillers.
Le R1233zd possède un PRP < 1 selon le rapport 5 du GIEC (soit moins que le CO2). Il est notamment utilisé dans les chillers centrifuges (ou basse pression), en remplacement du R123 en neuf (« avec une production frigorifique supérieure de 40 à 50 % », selon Delphine Martin), ou du R245fa en retrofit (reconversion avec remplacement de l’huile et de certains organes de l’installation).
Les HFO peuvent être utilisés purs ou en mélange (HFO + HFC). Tout est question de stratégie. Pour Chemours, par exemple, « l’objectif qui a guidé la R&D était d’obtenir des fluides de substitution qui soient les plus proches possible des fluides à remplacer, de manière qu’il n’y ait pas nécessité à changer des composants et que l’on puisse continuer à utiliser des architectures de système aujourd’hui produites en masse et bon marché », explique Pascal Faidy. C’est ce qu’on nomme le drop-in (remplacement du fluide, sans celui de l’huile et des organes de l’installation). Le mélange de HFO et de HFC dépend du fluide que l’on souhaite remplacer. L’un des avantages de ces nouveaux fluides est leur capacité à modifier les équipements thermodynamiques. Chemours n’utilise que le R1234yf. L’utilisation de mélanges permet de réduire la dangerosité du HFO utilisé, tout en collant au plus près du fluide que l’on cherche à remplacer. Le PRP est réduit par rapport à un HFC, mais reste tout de même plus élevé qu’un HFO pur. Qui dit mélange dit bien sûr également réduction des prix de ces molécules encore très onéreuses.

Fluides naturels

Autre solution aux HFC, le CO2 (PRP = 1), également appelé R744, est un fluide naturel aux performances intéressantes, pour l’instant plutôt réservé à la réfrigération (froid négatif ou procédés agroalimentaires notamment). Il est utilisé depuis une quinzaine d’années au Japon pour produire de l’eau chaude sanitaire. C’est aussi le fluide choisi par la société Boostheat pour sa chaudière thermodynamique, présentée lors du dernier salon Interclima. Mais ce fluide présente plusieurs contraintes. Son fonctionnement à pression élevée (>100 bars) tout d’abord, qui n’est pas sans poser des questions de sécurité et qui impose de modifier et de renforcer les composants (échangeur, compresseur…) de l’installation. Ensuite, ses mauvaises performances en climat chaud.
Autres fluides naturels, les hydrocarbures (tels que le propane ou R290) possèdent d’excellentes propriétés thermodynamiques mais appartiennent à la classe 3 (extrêmement inflammables). Leur charge est limitée à 150 grammes par circuit frigorifique. On leur utilise quasi exclusivement dans l’industrie. Daikin, par exemple, a développé un split au R290 mais ne l’a jamais commercialisé, jugeant le risque trop élevé.
Enfin, l’ammoniac (NH3 ou R717) est quant à lui un fluide de type B2L (toxique et légèrement inflammable), dont la mise en œuvre dans les installations ainsi que le transport, note Climalife, requièrent de respecter un certain nombre de normes de sécurité et règlements. On le rencontre très peu, et exclusivement dans des installations à caractère industriel.

La transition est amorcée

La période actuelle est clairement transitionnelle. Toutes les solutions en remplacement des HFC ne sont pas connues. La plupart des solutions HFO en remplacement du R134a sont déjà commercialisées (R1234yf, R1234ze et R450A) et certains développements restent en cours. Honeywell, notamment, va lancer un nouveau HFO (Solstice L-40X) pour répondre au besoin de PRP < 150 qui sera entre autre applicable en résidentiel et en tertiaire, en climatisation et PAC. Son PRP sera 93 % plus faible que le R410A. Mais il reste difficile de prévoir quels fluides remplaceront à terme le R410A. « Les fabricants vont avoir un panel de solutions, chacun fera son choix », indique Delphine Martin. Pour François Heyndrickx, délégué général de l’AFCE, « on entre dans une ère où il y aura demain de très nombreux fluides frigorigènes qui ne seront pas compatibles les uns avec les autres mais qui seront dédiés à des applications précises. Cela va demander un gros effort d’adaptation pour les installateurs et les acteurs de la maintenance. »

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