Le CO₂ est de plus en plus utilisé dans la réfrigération des supermarchés en raison de ses hautes performances, de ses excellentes propriétés de transfert thermique, de sa faible sensibilité aux pertes de charge et de son très faible potentiel de réchauffement global. Avec un PRG de 1, le CO₂ est largement disponible comme sous-produit de plusieurs procédés industriels, tout en restant un fluide frigorigène économique.
En climat chaud, la pertinence de la réfrigération au CO₂ a longtemps fait débat. Aujourd’hui, de nouvelles technologies rendent les systèmes CO₂ transcritiques techniquement fiables et économiquement pertinents, même dans les environnements les plus chauds, tout en aidant les distributeurs à simplifier l’architecture de leurs installations et à anticiper les réglementations actuelles et futures sur les fluides frigorigènes conventionnels.
La réfrigération au CO₂ est-elle adaptée aux climats chauds ?
Oui, à condition que l’architecture du système soit correctement dimensionnée et adaptée à l’application. Systèmes en cascade, boosters transcritiques, compression parallèle, condensation évaporative, sous-refroidissement mécanique et technologie des éjecteurs peuvent tous améliorer les performances du CO₂ en climat chaud, selon la taille du magasin, les conditions climatiques, le niveau de complexité acceptable, l’investissement initial et les objectifs d’efficacité énergétique.
Pourquoi choisir le CO₂ pour la réfrigération des supermarchés ?
| Atout du CO₂ | Pourquoi c’est déterminant |
|---|---|
| PRG de 1 | Contribue à une stratégie bas carbone et à une approche pérenne du choix des fluides frigorigènes. |
| Coefficients de transfert thermique élevés | Favorisent d’excellentes performances frigorifiques dans les applications de supermarché. |
| Faible sensibilité aux pertes de charge | Aide à préserver les performances globales du système dans les applications au CO₂. |
| Coût réduit du fluide frigorigène | Le CO₂ est largement disponible comme sous-produit dans plusieurs secteurs industriels. |
| Potentiel de récupération de chaleur | Les systèmes au CO₂ offrent un fort potentiel de valorisation de chaleur. |
| Anticipation réglementaire | Aide les distributeurs à accompagner la sortie progressive des HFC traditionnels. |
Systèmes CO₂ en cascade : de bonnes performances, mais une complexité élevée
Les systèmes CO₂ en cascade sont utilisés depuis plusieurs années dans les climats chauds. Cette architecture associe le CO₂ dans la boucle secondaire à un autre fluide frigorigène dans la boucle primaire, ce qui permet au CO₂ de fonctionner efficacement lorsque les températures extérieures sont élevées.
Ces systèmes peuvent offrir une très bonne efficacité énergétique, mais leur investissement initial et leur niveau de complexité restent élevés. Cela peut freiner leur déploiement, en particulier dans les petites installations de distribution alimentaire, où la sensibilité au coût d’entrée est plus forte.
Systèmes booster CO₂ transcritiques : le standard actuel du marché
Le système booster transcritique est aujourd’hui l’architecture CO₂ la plus répandue. Plus de 7 000 systèmes ont déjà été installés avec des composants Danfoss uniquement.
Les systèmes booster transcritiques sont particulièrement répandus dans les climats tempérés. En climat chaud, ils doivent généralement être associés à des technologies complémentaires pour atteindre une efficacité énergétique équivalente ou supérieure à celle des solutions utilisant des fluides frigorigènes synthétiques.
Compression parallèle : une solution CO₂ performante en climat chaud
La compression parallèle renforce l’intérêt du CO₂ en climat chaud, en particulier pour les installations de grande taille. Elle améliore l’efficacité du système en comprimant l’excès de gaz au niveau de pression le plus élevé possible, ce qui permet d’augmenter le coefficient de performance lorsque les températures ambiantes sont élevées.
En climat chaud, la compression parallèle permet un gain significatif de COP et s’impose comme une solution CO₂ à très haute efficacité énergétique.
Condensation évaporative et sous-refroidissement mécanique pour les petites installations
La condensation évaporative utilise l’eau pour refroidir le gaz dans les applications CO₂ transcritiques. Elle convient bien aux petites installations frigorifiques et devient particulièrement intéressante lorsqu’elle peut être couplée aux systèmes de climatisation présents sur site. En climat chaud, elle peut générer environ 5 à 10 % d’économies d’énergie.
Elle peut aussi réduire jusqu’à 50 % la capacité compresseur requise, même si cette capacité doit généralement être reportée sur l’unité de refroidissement auxiliaire. Cette solution n’est envisageable que là où l’approvisionnement en eau n’est pas contraint. Sur certains marchés, son usage reste limité en raison du risque de contamination par les légionelles lié à l’eau utilisée dans l’installation.
Le sous-refroidissement mécanique constitue une autre option pour rendre la réfrigération CO₂ transcritique plus pertinente en climat chaud. Il repose sur un petit cycle mécanique à compression de vapeur couplé au cycle principal à la sortie du condenseur, afin d’assurer le sous-refroidissement du circuit principal. L’unité complémentaire ne fonctionne que lorsque la température dépasse un certain seuil, ce qui permet de générer des économies d’énergie lors des pointes de charge.
Technologie des éjecteurs : renforcer l’efficacité de la compression parallèle
La technologie des éjecteurs peut améliorer l’efficacité énergétique de la compression parallèle dans les systèmes de réfrigération au CO₂. En coopération avec SINTEF, Danfoss a développé des méthodes permettant d’exploiter cette technologie en récupérant l’énergie lors de la détente entre la pression du refroidisseur de gaz et celle de la ligne liquide.
L’éjecteur récupère le gaz et en élève la pression, ce qui réduit le travail du compresseur tout en maintenant la capacité frigorifique demandée. Les premiers essais menés dans plus de 10 supermarchés ont montré qu’un éjecteur de gaz simple pouvait améliorer l’efficacité d’un système à compression parallèle dans les mêmes proportions que le passage d’un système sans compression parallèle à un système avec compression parallèle.
Le développement des éjecteurs liquides permet d’alimenter les évaporateurs moyenne température en mode noyé, avec à la clé des économies supplémentaires grâce à une pression d’aspiration plus élevée. Des éjecteurs combinés liquide et gaz sont exploités sur des installations pilotes depuis 2013 et ont permis de générer 20 à 25 % d’économies d’énergie par rapport aux systèmes HFC.
| Système | Économies d’énergie vs R404A | Gain compresseur vs booster |
|---|---|---|
| Booster | -11 % | 0 % |
| Compression parallèle | 7 % | 15 % |
| Éjecteur de gaz | 10 % | 18 % |
| Éjecteurs liquide et gaz | 22 % | 27 % |
| Option système | Application la plus adaptée | Point de vigilance principal |
|---|---|---|
| Système CO₂ en cascade | Climats chauds nécessitant une efficacité élevée et acceptant une architecture plus complexe. | L’investissement initial et la complexité peuvent constituer un frein, surtout pour les petites installations. |
| Système booster transcritique | Climats tempérés et applications privilégiant une architecture CO₂ éprouvée. | En climat chaud, des technologies complémentaires peuvent être nécessaires pour optimiser l’efficacité. |
| Compression parallèle | Grandes installations en climat chaud. | Améliore le COP en comprimant l’excès de gaz au niveau de pression le plus élevé possible. |
| Condensation évaporative | Petites installations où l’usage de l’eau est acceptable et où une intégration avec la climatisation est possible. | La disponibilité de l’eau et les contraintes liées aux légionelles doivent être intégrées dès la conception. |
| Sous-refroidissement mécanique | Systèmes nécessitant un appui lors des fortes températures ambiantes et des pointes de charge. | Repose sur un cycle supplémentaire à compression de vapeur activé au-delà d’un seuil de température défini. |
| Éjecteur de gaz | Systèmes avec compression parallèle nécessitant un gain d’efficacité supplémentaire. | Réduit le travail du compresseur en récupérant l’énergie issue de la détente. |
| Éjecteurs liquide et gaz | Systèmes CO₂ avancés visant des gains énergétiques plus élevés. | Les installations pilotes ont montré 20 à 25 % d’économies d’énergie par rapport aux systèmes HFC. |
Le CO₂ est-il en train de devenir un standard du marché, tous climats confondus ?
Le CO₂ gagne rapidement des parts de marché dans la distribution alimentaire, à mesure que les HFC traditionnels sont retirés du marché et que les distributeurs cherchent à réduire leur empreinte carbone. Porté par des avancées technologiques rapides, le CO₂ s’impose comme l’une des options les plus pertinentes pour la réfrigération des supermarchés dans tous les climats, en permettant aux enseignes internationales de déployer des solutions similaires sur l’ensemble de leurs sites.
Le CO₂ combine une efficacité énergétique élevée, un fort potentiel de récupération de chaleur et une faible empreinte carbone. Danfoss développe des solutions et des composants dédiés à la réfrigération au CO₂, et met à disposition des produits, des formations, des outils de conception et des services de conseil pour accompagner l’adoption de ces systèmes sur l’ensemble de la chaîne de valeur.
FAQ
La réfrigération au CO₂ peut-elle fonctionner dans les climats chauds ?
- Oui. La réfrigération au CO₂ peut fonctionner en climat chaud dès lors que la conception du système intègre la technologie adaptée, comme les systèmes en cascade, la compression parallèle, le sous-refroidissement mécanique, la condensation évaporative ou la technologie des éjecteurs.
Pourquoi la réfrigération au CO₂ a-t-elle historiquement été remise en question dans les climats chauds ?
- La question s’est posée pendant longtemps, car les systèmes CO₂ transcritiques de base peuvent nécessiter des technologies complémentaires pour égaler ou dépasser l’efficacité énergétique des systèmes fonctionnant avec des fluides frigorigènes non naturels lorsque les températures sont élevées.
Qu’est-ce qu’un système CO₂ en cascade ?
- Un système CO₂ en cascade utilise le CO₂ dans la boucle secondaire et un autre fluide frigorigène dans la boucle primaire. Cette configuration permet au CO₂ de rester performant en climat chaud, mais elle peut accroître l’investissement initial et la complexité de l’installation.
Qu’est-ce qu’un système booster CO₂ transcritique ?
- Un système booster CO₂ transcritique est aujourd’hui l’architecture CO₂ la plus courante, particulièrement répandue dans les climats tempérés. Plus de 7 000 systèmes ont déjà été installés avec des composants Danfoss uniquement.
Qu’est-ce que la compression parallèle dans la réfrigération au CO₂ ?
- La compression parallèle consiste à comprimer l’excès de gaz au niveau de pression le plus élevé possible afin d’améliorer l’efficacité énergétique et le COP en climat chaud.
Qu’est-ce que la condensation évaporative dans la réfrigération au CO₂ ?
- La condensation évaporative utilise l’eau pour refroidir le gaz dans les applications CO₂ transcritiques. Elle convient bien aux petites installations frigorifiques et peut générer environ 5 à 10 % d’économies d’énergie en climat chaud.
Qu’est-ce que le sous-refroidissement mécanique ?
- Le sous-refroidissement mécanique repose sur un petit cycle à compression de vapeur couplé au cycle principal à la sortie du condenseur afin d’assurer le sous-refroidissement. Il peut générer des économies d’énergie lors des pointes de charge lorsque la température ambiante dépasse un seuil défini.
Qu’est-ce que la technologie d’éjecteur dans la réfrigération au CO₂ ?
- La technologie des éjecteurs récupère l’énergie lors de la détente entre la pression du refroidisseur de gaz et celle de la ligne liquide. Elle augmente la pression du gaz, réduit le travail du compresseur et peut améliorer l’efficacité des systèmes à compression parallèle.
Combien d’énergie les éjecteurs liquide et gaz peuvent-ils économiser ?
- Les éjecteurs combinés liquide et gaz ont permis de générer 20 à 25 % d’économies d’énergie par rapport aux systèmes HFC sur des installations pilotes.
Pourquoi le CO₂ est-il attractif pour la réfrigération des supermarchés ?
- Le CO₂ est attractif pour la réfrigération des supermarchés grâce à son PRG de 1, à son coût réduit comme fluide frigorigène, à ses excellentes propriétés de transfert thermique, à sa faible sensibilité aux pertes de charge, à son fort potentiel de récupération de chaleur et à sa faible empreinte carbone.
Composants nécessaires pour une chambre froide au CO₂
- Un système de réfrigération au CO₂ pour chambre froide diffère d'un système HFC standard. Il nécessite des composants conçus pour des pressions de service beaucoup plus élevées, ainsi que des vannes de contrôle et de régulation garantissant un fonctionnement efficace du système dans une large gamme de conditions ambiantes.
Mise en service d'un groupe froid CO₂ — étapes à suivre ?
- Controler les vitesse de refrigerant et la charge necessaire, faire les testes de pression réglementaire au pays, tirer au vide, puis charger de manière approprié en fonction des pressions et des types d'équipements.
Stratégie fluide frigorigène pour chaîne de supermarchés en France — quelle approche ?
- Ils se dirigent vers des réfrigérant ayant un GWP bas (A2L) ou très bas (Amoniac ou CO₂).
CO₂ transcritique vs A2L pour chambres froides commerciales — comparaison pour la France
- Le CO₂ demande un investissement supérieur à l'achat mais un cout d'exploitation plus faible
Téléchargements
Cette page résume les principaux critères de choix issus de l’article technique Danfoss consacré à la réfrigération au CO₂ en climat chaud. Téléchargez le PDF complet pour consulter l’article d’origine, les comparatifs de systèmes, les figures et les informations détaillées.