St Malo, 23-24 / 05 / 2016 Jacques Guilpart 06 43 44 66 28 L’efficacité énergétique dans le secteur du froid :

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1 St Malo, 23-24 / 05 / 2016 Jacques Guilpart j.guilpart@mfconseil.fr 06 43 44 66 28 www.mfconseil.fr L’efficacité énergétique dans le secteur du froid : le futur et le présent

2 St Malo, 23-24 / 05 / 2016 Pourrait-on imaginer un monde moderne sans production de froid artificiel ? La production de froid a un impact sur l’environnement : Elle est responsable de 17% de la consommation électrique mondiale (2% pour le froid industriel alimentaire, 7% pour le tertiaire et 8% pour le résidentiel) 440 kWh / ha.an (entre 2 700 aux EU et 76 en Afrique sub saharienne ) Elle utilise des fluides frigorigènes dont certains ont un effet direct sur le réchauffement global Alimentation & chaîne du froid Climatisation fixe & mobile

3 St Malo, 23-24 / 05 / 2016 Deux questions se posent : 1- Quelles orientations scientifiques et techniques pour un froid durable ? 2- A quelles réalités de terrain peut se confronter le froid du futur ? Quelques expériences vécues depuis le début de l’année 2016 … Quelques idées et tendances mises en avant dans l’un des 34 plans industriels destinés à construire une offre nouvelle et compétitive sur les segments de produits et services innovants à forte valeur ajoutée et forte croissance. http://www.economie.gouv.fr/vous-orienter/industrie/nouvelle-france-industrielle

4 St Malo, 23-24 / 05 / 2016 Le froid est indispensable. Sa production et son utilisation future devront : Mettre en œuvre de techniques économes en énergie (promotion de l’efficacité énergétique) S’affranchir tant que faire se peut de fluides frigorigènes de synthèse (promotion des fluides à faible impact environnemental) S’adapter à l’utilisation d’énergies alternatives non conventionnelles (promotion des 3 x 20) Les grandes orientations pour le futur

5 St Malo, 23-24 / 05 / 2016  Mettre en œuvre des techniques économes en énergie Premier point :

6 St Malo, 23-24 / 05 / 2016  Mettre en œuvre des techniques économes en énergie Concernant l’utilisation du froid : Dans le domaine de l’agro alimentaire Travailler sur une évolution des techniques de conservation Conservation des matières premières agricoles hors réfrigération Emballage, contrôle d’atmosphère, … Notion de « Hurdel technologies » Continuer les recherches sur une évolution des procédés utilisant le froid congélation HP, en champ électrique pulsé, … Recherche de nouveaux procédés (superchilling, perfusion chilling,) Redéfinir certaines températures de conservation ? Que ce soit en froid positif ou en froid négatif Poursuivre le travail sur l’aéraulique (distribution de froid) (protection des ouvertures, gestion de l’humidité et du givrage, aéraulique des grands volumes, protection rapprochée - froid localisé, …)  Vers une évolution de l’utilisation du froid (moins de froid, plus ciblé ) ?

7 St Malo, 23-24 / 05 / 2016  Mettre en œuvre des techniques économes en énergie Concernant l’utilisation du froid : Dans le domaine de la climatisation et du tertiaire Travail sur l’enveloppe des bâtiments (matériaux multifonctionnels, isolation, inertie thermique, …) Travail sur l’architecture (protection, ventilation, intégration, bâtiment actif, …) Recherche de nouveaux procédés (free cooling, dessiccants liquides, intégration solaire, …) Optimisation de composants (émetteurs, récupération de chaleur, pompes à chaleur, …) … Voir les nombreux exposés de ces deux journées

8 St Malo, 23-24 / 05 / 2016  Mettre en œuvre des techniques économes en énergie Concernant la production de froid :  Un gros travail sur l’efficacité énergétique des cycles existants (85% de l’empreinte d’un système frigorifique vient de sa consommation énergétique)  Une recherche sur des cycles plus performants, adaptés aux « nouveaux » fluides CO2 transcritique, compression parallèle, éjecteurs, …  Développement de nouveaux composants Minicanaux, compression linéaire, récupération du travail de détente, …  Ré ingénierie des cycles à sorption Notamment sur leur contrôle-commande et leur adaptation à des variations de charge importantes.  Froid magnétique  …

9 St Malo, 23-24 / 05 / 2016  S’affranchir tant que faire se peut de fluides frigorigènes de synthèse Second point :

10 St Malo, 23-24 / 05 / 2016  S’affranchir tant que faire se peut de fluides frigorigènes de synthèse La problématique des HCFC est réglée Depuis 2015 en Europe, en 2020 aux US, en 2030 pour les pays développés et 2040 pour les annexes 5 La question des HFC à GWP > 2 500 également F-gas : GWP > 2 500 interdits en 2020 pour les installations contenant une charge supérieure à 40 t eq. CO2. A partir du 01/01/2030, aucune recharge autorisée sauf pour une installation de charge inf. à 40 t eq. CO2 Apparition des HFO Ne pose pas de problèmes majeurs au plan thermique et thermodynamique La question de la sécurité et de l’impact environnemental de ces fluides doit être sereinement posée, et surtout pas éludée. Le coût et la disponibilité des fluides va certainement évoluer dans un avenir plus ou moins proche. Proposition de mélanges de HFC et HFC-HFO à bas GWP (drop-in, simples d’emploi, technologies maîtrisées par les installateurs et maintenanciers) R1234yf CF3-CF=CH2 GWP = 4

11 St Malo, 23-24 / 05 / 2016 FluidGWP ARM-321548 LTRAX1277 D-52Y965 XP-10605 N13a579 L-41a524 L-41b524 DR-5520 ARM-70497 ARM-31a490 HPR-1D432 L-20302 L-40302 D2Y-60289 DR-7260 D2Y-65253 LTR6A219 ARM-30a210 ARM-42a114 Liste non exhaustive, Un nouveau mélange étant développé (et breveté) presque chaque jour … Une caractéristique commune à tous ces mélanges : Leur comportement zéotrope. Ces mélanges sont “dosés” (conçus) pour respecter des contraintes de relations P/T, d’enthalpie volumique, de GWP, … (optimisation sous contrainte, algorithmes génétiques, …)  S’affranchir tant que faire se peut de fluides frigorigènes de synthèse Les mélanges de HFC – HFC / HFO à bas GWP

12 St Malo, 23-24 / 05 / 2016  S’affranchir tant que faire se peut de fluides frigorigènes de synthèse Un point clé pour l’avenir de ces fluides de synthèse : La gestion de leur zéotropie Pour les systèmes à détente directe, avec un fluide pur ou azéotrope : Air entrée 5°C 1,5 K sur l’air 2K de surchauffe Fluide sortie détendeur - 0,5°C 2 K de pincement 3,5 °C 1,5 °C Ex. : chambre froide à +5°C – HR 95% R22 : P = 4,9 b R404A : P = 5,9 b (proche azéotrope)

13 St Malo, 23-24 / 05 / 2016  S’affranchir tant que faire se peut de fluides frigorigènes de synthèse Un point clé pour l’avenir de ces fluides de synthèse : La gestion de leur zéotropie Pour les systèmes à détente directe, avec un mélange fortement zéotrope : Ex. : chambre froide à +5°C – HR 95% Air entrée 5°C 1,5 K sur l’air 2K de surchauffe 2 K de pincement 3,5 °C 1,5 °C 5,7 K de glissement Givrage ! (non uniforme) -0,5 °C R407F P rosée à -0,5 °C : 5,1 b T bulle à 5,1 b : -6,2 °C (fluide sortie détendeur)

14 St Malo, 23-24 / 05 / 2016  S’affranchir tant que faire se peut de fluides frigorigènes de synthèse Un point clé pour l’avenir de ces fluides de synthèse : La gestion de leur zéotropie Pour les systèmes à bouteilles : LP receiver LTCp Fluide circulant en BP = composition du liquide dans la bouteille (enrichi en composants les moins volatiles) Fluide circulant en HP (donc au compresseur) = composition de la vapeur dans la bouteille (enrichi en composants les plus volatiles) 1 3 4 2 Fluide chargé  fluide circulant en BP  fluide circulant en HP => Quel impact sur les performances du système ?

15 St Malo, 23-24 / 05 / 2016  S’affranchir tant que faire se peut de fluides frigorigènes de synthèse Un point clé pour l’avenir de ces fluides de synthèse : La gestion de leur zéotropie Pour les systèmes à bouteilles : La non prise en compte de la distillation du fluide peut amener à des pertes de performances notoires qui viennent s’ajouter à celles facilement prévisibles Exemple : remplacement du R22 par du RS45 (glide = 2.8 K) Cycle monoétagé -15/+35 avec bouteille BP et alimentation par pompe Pertes de puissance au compresseur attendue : 11% Pertes de puissance avec prise en compte du glissement : 17 %

16 St Malo, 23-24 / 05 / 2016  S’affranchir tant que faire se peut de fluides frigorigènes de synthèse Conclusions :  L’utilisation de mélanges zéotropes ne pose pas de problème pour les applications à détente sèche fortement positives ou négatives  Problèmes identifiés : Le refroidissement d’ambiances à temp. faiblement positives et à HR élevées (problème déjà rencontré lors du remplacement du R12 par du FX dans les MFV) Les systèmes à bouteilles (dont les jours sont comptés avec la limitation F-gas et la limite de « aucune recharge autorisée pour les installations de plus de 40 t eq.CO2 en 2030 »)  Le glissement est prévisible, donc gérable (on eut même en tirer parfois profit, notamment sur la récupération de chaleur et les boucles d’eau)  De nouvelles recherches sur les cycles doivent être conduites (redécouverte des cascades intégrées ?) Mais le plus simple, n’est-il pas de promouvoir les fluides « naturels », dans le respect des contraintes qu’ils imposent ? (inflammabilité, toxicité, ESP, …)

17 St Malo, 23-24 / 05 / 2016  S’adapter à l’utilisation d’énergies alternatives non conventionnelles Troisième point :

18 St Malo, 23-24 / 05 / 2016  S’adapter à l’utilisation d’énergies alternatives non conventionnelles L’un des problèmes de la majorité des énergies alternatives restant le caractère plus ou moins aléatoire de leur production …

19 St Malo, 23-24 / 05 / 2016 … à mettre en regard du côté plutôt prédictible des besoins. Entre 18h00 et 19h30, Mr et Mme martin entrent à la maison avec leurs enfants … … et d’un certain aléa sur 20% de la production  S’adapter à l’utilisation d’énergies alternatives non conventionnelles

20 St Malo, 23-24 / 05 / 2016  La problématique de la gestion du réseau et de sa charge prendra une importance croissante. Tout consommateur capable d’ajuster sa consommation en fonction de la charge du réseau sera considéré comme bienvenu … … et se verra rémunéré en conséquence (il agit comme « assureur » pour le distributeur) => Apparition d’un marché « spot » de l’énergie, renforcé par la libéralisation des marchés Les producteurs et distributeurs d’énergie électrique doivent trouver (cherchent) une solution pour assurer la stabilité des réseaux.  S’adapter à l’utilisation d’énergies alternatives non conventionnelles

21 St Malo, 23-24 / 05 / 2016  S’adapter à l’utilisation d’énergies alternatives non conventionnelles Eutectiques Coulis de glace Coulis d’hydrates Sofrigam Un élément clé : le stockage de froid Les matériaux à changement de phase … Coulis stabilisés

22 St Malo, 23-24 / 05 / 2016 Un élément clé : le stockage de froid Macro encapsulation (nodules) Micro / nano encapsulation (emballages, imprégnation de parois) Cascade & banquise, bacs à glace Silo de stockage de coulis … et leur mise en œuvre CNRS-LSMC Parois à hautes inerties thermiques  S’adapter à l’utilisation d’énergies alternatives non conventionnelles Cristopia 240 MWh de stockage en bacs à glace pour la climatisation de La Défense

23 St Malo, 23-24 / 05 / 2016  S’adapter à l’utilisation d’énergies alternatives non conventionnelles Un élément clé : la gestion prédictive du stockage Il s’agit de mettre en concordance les besoins et les disponibilités  Prévoir ce qui va se passer + stocker / déstocker du froid. Construire des scénarios probables Météo (température, vent, ensoleillement, nébulosité, …) Production (lancement d’une ligne, ouverture de portes, arrivée d’un lot, …) Caractéristiques des équipements (inertie thermique, puissances, COP) Prédire les besoins frigorifiques en conséquence Échelles de temps adaptée ( quelques jours à quelques minutes) => Gérer le stock de froid en conséquence

24 St Malo, 23-24 / 05 / 2016 Mais quid de la réalité de terrain ? Le froid du futur se dessine … Les idées ne manquent pas, d’autres viendront certainement. Les techniques et technologies évoluent (notamment modélisation et simulation qui permettent d’explorer de nouvelles pistes) … et le dessin sortira peut-être du cadre. Conclusion : Crédit : smashinghub.com

25 St Malo, 23-24 / 05 / 2016 Mais quid de la réalité de terrain ?

26 St Malo, 23-24 / 05 / 2016 Exemple 1 : Abattoir / découpe de poulets 3 000 poulets / heure 2 834 MWh elec / an, dont 81% pour le froid (2 309 MWh – 180 k€) Fluide : ammoniac Condensation : condenseurs évaporatifs Puissances installées (compresseurs à pistons) : Froid positif : 310 kW à -10 / +35, circulation par thermosiphon Froid négatif : 289 kW à -34 / +35, compression bi étagée, circulation par pompe Eau glacée : 150 kW à -10 / +35, avec stockage en bac à glace. Expression du besoin client : Diagnostic de l’origine de la dégradation rapide de l’huile Audit énergétique et identification des pistes d’amélioration

27 St Malo, 23-24 / 05 / 2016 Diagnostic huile : Changement récent de l’huile minérale utilisée (Clavius 68S) par une PAB (S4FR), plus « détergente » que les huiles minérales.  Remise en suspension des dépôts et résidus accumulés dans les circuits  Noircissement prématurée de l’huile Installation d’une nourrice pour faciliter les remplissages après vidanges  Prise d’humidité de l’huile (hygroscopie)  Acidification de l’huile et renforcement du phénomène

28 St Malo, 23-24 / 05 / 2016 Diagnostic énergétique : Mesure à la pince ampèremétrique sur le groupe froid négatif : Appel voisins de 120 A aux compresseurs i/o des 250 attendus.  Au mieux 67 kW aux bornes des moteurs  Au mieux 125 kW frigorifique (COP constructeur = 1.86) Soit 2.3 fois moins que la valeur attendue (289 kW) … 2 origines à ce dysfonctionnement : 1- Utilisation d’une vanne à pression constante sur la ligne aspiration (0.2 bar de pertes de charges à pleine ouverture => -20% de puissance frigorifique)

29 St Malo, 23-24 / 05 / 2016 Diagnostic énergétique : 2- et très probablement : Bouchage des circuits de commande de la régulation de puissance par condamnation de cylindres par les dépôts d’huiles remis en suspension. Tuyaux de commande bouchés => cylindres condamnés Les compresseurs ne marchent que sur 2 cylindres i/o 6  Puissance frigo divisée par 3  COP dégradé de 20% Et en plus : T refoulement = 125°C i/o 102°C, ce qui aggrave encore la dégradation de l’huile … Conclusion : la réalité du terrain réserve souvent des surprises … qu’il est difficile de mette en équations !

30 St Malo, 23-24 / 05 / 2016 Exemple 2 : toujours l’abattoir / découpe de poulets Mais quid de la réalité de terrain ? Production d’eau glacée par bac à glace & stockage

31 St Malo, 23-24 / 05 / 2016 Régulation de la boucle : par Vanne à Pression Constante sur l’aspiration VPC à 2 commandes : Ouverture proportionnelle par bulbe thermostatique placé en pied de bouteille NH3 => Pertes de charges en fonctionnement normal  1.1 bar. TOR sur l’eau glacée (fermeture à -1°C) – arrêt des Cp en sécurité BP. Justification du concepteur / installateur : il s’agit d’un mode de régulation efficace et performant dont le cout de mise en œuvre était compatible avec les exigences client … Conclusion : la réalité du terrain réserve souvent des surprises … dont les choix financiers sont parfois (souvent) l’origine

32 St Malo, 23-24 / 05 / 2016 Conclusions L’efficacité énergétique dans le secteur du froid : Le présent La réalité des contraintes ainsi que leurs natures expliquent des choix et orientations constatée sur le terrain :  Pour les gros utilisateurs (grosses entreprises mettant en avant une culture de responsabilité environnementale). Une orientation assez marquée vers les fluides « verts » (NH3-CO2-frigoporteurs)  Pour les « petits » utilisateurs ( PME dont la trésorerie est une contrainte majeure et incontournable). Une orientation (souvent emprunte d’amertume) vers les fluides de transition à GWP le plus bas possible.  Sans oublier les entreprises disposant d’une direction financière ayant une durée de vie inférieure au temps de retour des investissement nécessaires …

33 St Malo, 23-24 / 05 / 2016 Conclusions L’efficacité énergétique dans le secteur du froid : Le futur La proximité de ce futur est directement lié au cout et à la disponibilité de l’énergie ainsi qu’à la pression financière et administrative subie par les entreprises. De nombreuses pistes existent. Elles sont à fouiller et à approfondir. La recherche pour un froid durable et efficace a encore de beaux jours devant elle. Merci aux organisateurs de ce colloque et aux orateurs qui y présentent leurs recherches.

34 St Malo, 23-24 / 05 / 2016 Jacques Guilpart j.guilpart@mfconseil.fr 06 43 44 66 28 www.mfconseil.fr L’efficacité énergétique dans le secteur du froid : le futur et le présent