L’histoire du froid et des fluides frigorigènes
Le froid dans l’Antiquité
Avant de plonger au cœur de l’histoire des fluides frigorigènes, remontons le temps bien avant la révolution industrielle.
En effet, que ce soit pour la conservation des aliments ou le rafraîchissement des habitats, les usages majeurs du froid étaient déjà bien présents dès l’Antiquité.
Que ce soit en Europe…
Ainsi, les Romains (entre autres) utilisaient de la glace. Celle-ci provenait de lacs et rivières gelées en saison froide, ou amenée depuis les montagnes l’hiver. Afin de la conserver le plus longtemps possible, elle était placée dans des silos immenses jusqu’à son utilisation.
Les Romains utilisaient également les aqueducs qui leur permettaient de faire circuler de l’eau froide à l’intérieur des murs des foyers de citoyens fortunés afin de rafraîchir leur logement.
…Ou au Moyen-Orient
Autre exemple plus sophistiqué, les Perses étaient déjà à même de stocker de la glace en plein désert, y compris en été. Pour cela, ils utilisaient une structure conique appelée Yakhchal.
Celle-ci pouvait faire jusqu’à près de 20m de hauteur. Le Yackchal avait une forme de dôme et était essentiellement constitué de murs (d’argile, de sable, de laine, de blancs d’œuf) de 2m d’épaisseur. De l’eau était placée au centre.
L’air chaud s’engouffrait par la base de l’édifice et montait au sommet de celui-ci. Ainsi, une dépression se créait à la base, ce qui entraînait une évaporation de l’eau contenue dans la cuve centrale.
C’est cette évaporation qui absorbait la chaleur contenue dans l’air et provoquait à la fois le refroidissement de l’air et du reste de l’eau de la cuve. Une ouverture à la base du bâtiment permettait à l’air frais d’entrer et de se répandre dans les sous-sols où les aliments étaient conservés.
Le froid et la révolution industrielle
Il a fallut attendre la révolution industrielle pour que prenne naissance le froid artificiel. Même si les premiers prototypes remontent à 1755, le véritable essor se fait autour de 1850.
Les premières machines industrielles
Différents systèmes sont inventés successivement :
- La machine à compression mécanique de vapeurs liquéfiables (1856).
- Celle à absorption ammoniac-eau (1859).
- Puis celle à cycle à air (1862).
- Enfin, la machine à vaporisation d’eau sous vide (1866).
La machine à compression mécanique de vapeurs liquéfiables est le système de très loin le plus utilisé, aujourd’hui encore.
Dans cette machine, le fluide actif du cycle frigorifique (le fluide frigorigène), se vaporise dans un évaporateur en produisant du froid.
Ensuite, un compresseur mécanique aspire la vapeur produite et la comprime. Puis, cette vapeur est refoulée dans un condenseur où elle se liquéfie.
Finalement, le liquide formé retourne vers l’évaporateur en traversant un détendeur.
La grande époque des fluides naturels
Après l’invention initiale par Harrison en 1856 avec comme fluide l’éther éthylique, différents systèmes frigorifiques à compression arrivent sur le marché.
Chacun d’eux met en œuvre un fluide différent :
- Dioxyde de carbone (CO2) en 1866.
- Ammoniac (NH3) en 1873.
- Dioxyde de soufre (SO2) en 1874.
- Chlorure de méthyle (CH3Cl) en 1878.
- Mais aussi le propane (C3H8), l’isobutane (C4H10), ou encore le chlorure d’éthyle (C2H5Cl).
- L’eau.
Tous ces fluides que l’on regroupe aujourd’hui sous l’appellation fluides naturels réfrigérants, avaient des propriétés thermodynamiques intéressantes mais présentaient plusieurs inconvénients notables :
- Leur toxicité (NH3, SO2, CH3Cl, C2H5Cl).
- Leur combustibilité (NH3, CH3Cl, C2H5Cl, C3H8, C4H10).
- La nécessité de très haute pression (CO2).
- Un besoin de haute maîtrise du vide (pour l’eau).
Les fluides frigorigènes fluorés s’imposent
La jeune entreprise américaine Carrier se créee en 1915. Elle se met en quête d’une fluide qui soit ininflammable et non toxique.
Cela sera chose faite, autour des années 1930. Date à laquelle des chercheurs du laboratoire de Frigidaire Corporation, mettent au point de nouveaux fluides frigorigènes. Ce sont des hydrocarbures halogénés dont le nom commercial sera Fréon.
Carrier, devenu aujourd’hui le leader mondial de la climatisation, lance ses premiers systèmes à base de CFC (R-11 puis R-12) dès 1933. Viendront ensuite les composés de la famille des HCFC, notamment le R-22 en 1934.
Les années 1930 marquent donc l’abandon progressif des fluides dits naturels. A l’exception notable de l’ammoniac, qui reste utilisé pour des applications dans les secteurs du froid commercial et du froid industriel.
Une succession de problématiques environnementales
CFC et HCFC – Le trou dans la couche d’ozone
Ayant pleinement répondu à ce pourquoi ils avaient été créés (résoudre les problématiques de toxicité et d’inflammabilité), CFC et HCFC vont se développer sans encombre pendant plus de 40 ans.
Jusqu’en 1974 et la publication par Nature, d’un article expliquant l’impact négatif des composés chlorés sur la couche d’ozone située dans la stratosphère. Les CFC, entre autres, seront finalement bannis avec la signature de l’accord de Montréal en 1987.
Suivront les HCFC, avec la signature d’un amendement, à Copenhague en 1992. Le résultat de ces accords est l’interdiction totale des CFC dès 1995 dans les pays développés (2010 pour les pays en développement) puis celle des HCFC à partir de 2020.
HFC – Le changement climatique
Les composés HFC ayant des propriétés thermodynamiques proches de celles des CFC et HCFC ont ainsi été désignés comme remplaçant.
Mais le répit aura été de courte durée, puisque le protocole de Kyoto, ratifié en 2005, va cibler différents gaz pour leur important pouvoir de réchauffement global (PRG) dit aussi plus communément « effet de serre ».
Les HFC figurent parmi les 6 familles de gaz « traqués », qui plus est, parmi « les plus mauvais élèves » :
| Gaz | Formule | PRG relatif / CO2 (à 100 ans) |
|---|---|---|
| Gaz carbonique | CO2 | 1 |
| Méthane | CH4 | 25 |
| Protoxyde d’azote | N2O | 298 |
| PFC – Perfluorocarbures | CnF2n+2 | 7400 à 12200 |
| HFC – Hydrofluorocarbures | CnHmFp | 120 à 14800 |
| Hexafluorure de soufre | SF6 | 22800 |
HFO – Un dernier baroud d’honneur ?
La nouvelle réglementation européenne dite « F-Gaz » vise la réduction de l’utilisation des gaz à fort pouvoir à effet de serre afin de diviser par 5 les émissions de CO2 du secteur du froid à l’horizon de 2030.
A compter de 2030, les HFC qui ont un PRG supérieur ou égal à 150 ne seront plus autorisés. Afin de palier à cela, les industriels de la chimie du fluor proposent depuis quelques années déjà une nouvelle famille de composés: les hydrofluoroléfines (HFO).
Ces nouveaux fluides présentent des PRG très bas (<10) mais commencent déjà à soulever d’autres questions au plan environnemental. Notamment la décomposition rapide en acide trifluoroacétique (TFA), lui-même représentant un risque d’acidification des pluies et des cours d’eau lorsqu’il est rejeté dans l’atmosphère.
Qui plus est le PRG omet de nombreuses émissions (procédé de fabrication du fluide, transport, utilisation et gestion de la fin de vie). La prise en compte d’un nouvel indicateur tel que le LCCP (Life Cycle Climate Potential) permettrait d’avoir une représentation plus juste de l’impact d’un système dans son ensemble.
Ne serait-il pas temps d’envisager d’autres voies, oubliées dans les années 1930 au profit des composées fluorés ? Les progrès technologiques permettent d’envisager le retour de composés mis de côté. Au premier rang desquels l’eau. C’est bien ce qu’Alpinov X entend implémenter à l’échelle industrielle.
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Vous avez envie d’aller plus loin dans l’histoire des fluides frigorigènes ? Nous vous recommandons les lectures suivantes :
✔ « Les fluides frigorigènes », de Daniel Colbourne et Francis Meunier.
✔ « L’évolution des fluides », de Jacques Bernier
✔ « Décryptage : les fluides frigorigènes », Penser l’immobilier responsable.
Concernant les problématiques soulevées par les HFO, nous vous suggérons des lectures qui vont de :
✔ à l’Académie des Sciences (page 37)
✔ en passant par cet article sur « les fluides frigorigènes à faibles GWP » (page 4)
