Un cycle frigorifique sûr et écologique
Un cycle frigorifique sûr et écologique
Le potentiel du propane dans les pompes à chaleur
Banc d’essai du projet LC150. Source: Fraunhofer ISE
Le défi consiste à trouver une alternative à la génération actuelle de pompes à chaleur fonctionnant aux gaz fluorés. Source: Fraunhofer ISE
Les pompes à chaleur permettent de chauffer et de produire de l’ECS de manière écologique ; elles peuvent en outre généralement également servir au refroidissement. Elles fonctionnent toutefois encore souvent à l’aide de réfrigérants nocifs pour le climat. C’est pourquoi l’institut Fraunhofer ISE a, en collaboration avec l’industrie, développé un cycle frigorifique recourant au propane, une alternative écologique et bon marché. Avec ce cycle, une pompe à chaleur géothermique a besoin de si peu de propane que l’appareil peut être installé sans mesures de sécurité supplémentaires. On se penche également actuellement sur des solutions au propane pour de plus grandes applications. Les objections visant à affirmer que l’usage de ce type de réfrigérant serait dangereux sont infondées. Nous utilisons de l’isobutane dans les réfrigérateurs depuis 30 ans. Des millions d’entre eux fonctionnent depuis des années sans aucun problème, alors que l’isobutane est également un hydrocarbure inflammable.
Éviter les émissions de gaz fluorés
En 2050, l’Europe devra être climatiquement neutre. Le chauffage des bâtiments devra également apporter sa pierre à l’édifice en la matière. Les pompes à chaleur ont ici un grand rôle à jouer, dans la mesure où il n’y a pas de combustion de combustibles fossiles, contrairement au chauffage au mazout ou au gaz. La source de chaleur est le sol, la nappe phréatique ou l’air ambiant. La température de la chaleur ambiante est rehaussée à l’aide d’électricité, qui est toujours produite de manière carboneutre. La pompe à chaleur a donc un énorme potentiel en matière de réduction des émissions de CO2 du chauffage des bâtiments.
Dans la plupart des cas, les pompes à chaleur utilisent encore des gaz à effet de serre fluorés comme réfrigérant, les dits F-gaz. Ces gaz synthétiques de la catégorie des PFAS (substances per- et polyfluoroalkylées) sont nocifs et difficilement dégradables. C’est la raison pour laquelle ils sont parfois appelés “produits chimiques éternels”. Le réfrigérant se trouve en effet dans un circuit frigorifique fermé et n’est pas consommé. Par ailleurs, dans certaines circonstances, des quantités de ces substances se retrouvent tout de même dans l’atmosphère, par exemple lors du remplissage d’appoint ou de travaux de réparation.
Les réfrigérants nocifs pour le climat: une histoire qui touche à sa fin
La réglementation européenne 517/2014 sur les gaz à effet de serre fluorés (réglementation F-gaz) prévoit une réduction progressive de l’effet de serre des réfrigérants. Ainsi, en 2020, le recours à des réfrigérants dont le PRG était supérieur à 2.500 a été interdit. Et d’autres restrictions sur les réfrigérants à PRG élevé surviendront à l’avenir. D’ici 2030, les émissions totales exprimées en équivalent CO2 seront réduites à environ un cinquième (21%) des quantités actuelles sur le marché.
De plus, l’Agence européenne des produits chimiques (ECHA) a introduit une proposition d’interdiction des produits chimiques de type PFAS. Une décision de la Commission européenne est attendue à ce sujet d’ici 2025. Si les réfrigérants devaient également être soumis à cette réglementation, leur usage deviendrait encore plus compliqué, voire impossible.
Réfrigérant écologique, le propane comble un vide sur le marché
Il y a donc un besoin urgent de réfrigérants écologiques, dont fait partie le propane, également connu comme le R290. D’après le dernier rapport (AR6) de l’IPCC (Intergovernmental Panel on Climate Change), son PRG s’élève à seulement 0,02. L’effet sur le réchauffement climatique est donc inférieur -de plusieurs centaines de fois- à celui des fluides frigorigènes usuels. A titre de comparaison : le R410A affiche une valeur de 2255,5 et celle du R32 est de 771.
Un autre avantage du propane est qu’il est bon marché et disponible dans le monde entier. Il autorise également des rendements élevés, grâce à ses bonnes propriétés thermodynamiques. De nombreux fabricants de pompes à chaleur ont entretemps intégré des modèles au R290 dans leur gamme.
Il s’agit dans la majeure partie des cas d’appareils au R290 prévus pour une installation extérieure. Le motif : le propane est inflammable. D’importantes mesures de sécurité se révèlent donc nécessaires pour permettre l’utilisation de celui-ci dans une pompe à chaleur. Si une pompe à chaleur contient plus de 150 grammes de réfrigérant, elle ne peut être installée à l’intérieur que moyennant des précautions supplémentaires. Il en résulte une augmentation des coûts. La plupart des pompes à chaleur pour maisons unifamiliales, dont la puissance varie de 5 à 10 kW, se situent toutefois au-dessus de cette valeur limite. L’utilisation en intérieur de pompes à chaleur au propane est donc très rare.
Innovation: pompe à chaleur au propane pour maison unifamiliale
Un nouveau développement du Fraunhofer ISE pourrait changer la donne. Dans le projet LC150 (low charge 150g), aujourd’hui abouti, des chercheurs ont développé en collaboration avec un consortium de fabricants un circuit frigorifique au propane, avec une quantité de réfrigérant extrêmement faible. La pompe à chaleur est équipée d’un compresseur totalement hermétique, et elle atteint une puissance calorifique de 11,4 kW avec seulement 146 grammes de propane.
Grâce à cela, l’appareil reste en dessous de la quantité autorisée maximale en cas d’installation intérieure, tout en affichant une puissance suffisante pour une maison unifamiliale. La quantité spécifique de réfrigérant s’élève à 12,8 grammes par kW, soit environ un cinquième des systèmes usuels, qui ont besoin de 60 grammes par kW. Les appareils actuels sur le marché se situent donc au-dessus de la limite de 150 grammes à partir d’une puissance de 2,5 kW.
Des risques largement surestimés
Malgré tout le R&D, de nombreuses objections, préjugés et idées fausses circulent encore sur le R290 dans les pompes à chaleur. Les risques en matière de sécurité seraient trop élevés, parce que les appareils pourraient facilement exploser. Il s’agit toutefois d’un mythe. Le propane est certes inflammable et donc dangereux. Mais c’est aussi le cas de l’isobutane dans les réfrigérateurs, du gaz naturel en chauffage et dans les brûleurs gaz en général. Il y a toujours un certain risque, une sécurité à 100% n’existe pas. Toutefois, une série de règles de sécurité s’appliquent, ce qui permet de minimiser les situations dangereuses.
Dans le cas des réfrigérateurs, seule une poignée de cas d’incendie ont été signalés en Allemagne, alors que des millions d’unités -toutes remplies d’isobutane- sont pourtant en circulation. Tout comme le popane, l’isobutane est un hydrocarbure inflammable. En moyenne, un réfrigérateur contient 100 grammes d’isobutane ; dans des petits frigos, c’est moins, et dans des grands, c’est plus.
Cette quantité est comparable avec celle du circuit frigorifique nouvellement développé pour les pompes à chaleur. Avec ce dernier, il n’est pas nécessaire de prévoir plus de 150 grammes pour une maison unifamiliale. La quantité de réfrigérant par kW (12,8 grammes) correspond au contenu de six briquets. On a par ailleurs recensé très peu d’incidents avec des pompes à chaleur au propane. Il y a environ cinq ans, une pompe à chaleur au propane non standard a pris feu à Berlin. Ce cas spécifique n’est toutefois en rien représentatif des risques de la technologie en général.
Échangeur de chaleur à plaques asymétrique: un élément crucial pour le nouveau système
Pour le prototype, l’équipe de recherche a utilisé des composants courants. L’échangeur de chaleur à plaques asymétrique est un élément essentiel du système. Il en résulte une moindre quantité de réfrigérant nécessaire. Par ailleurs, l’équipe a réussi à limiter encore un peu plus le contenu en réfrigérant en réduisant la quantité d’huile pour le compresseur. On a enfin réduit au strict minimum le nombre de pièces supplémentaires, comme les capteurs, afin de limiter au maximum les longueurs de conduite, ce qui a également contribué à la contenance inférieure du système.
Des pompes à chaleur au propane pour les collectivités
La prochaine étape est le développement de pompes à chaleur au propane pour applications de plus grandes dimensions. Fin décembre 2022, le nouveau projet LCR290 – Low charge HP solutions a ainsi démarré au Fraunhofer ISE ; son but : développer des pompes à chaleur au propane pour des immeubles à appartements. En association avec des fabricants et des sociétés de logements sociaux, l’institut s’est mis en quête de solutions pour le remplacement des chaudières au mazout et au gaz des appartements. Un budget de sept millions d’euros a ainsi été dégagé, et le gouvernement allemand a également apporté sa contribution. Le projet prendra fin en juin 2025.
Les recherches portent sur des solutions destinées à trois situations: chauffage pour appartements individuels, chaufferies centrales dans le bâtiment, et pompes à chaleur de puissances supérieures installées en extérieur. Pour les appartements individuels, on s’est appuyé sur les résultats du projet LC150, avec des concepts adaptés à la source de chaleur et au tampon, aux raccordements hydrauliques sur l’installation d’émission, ainsi qu’aux systèmes de régulation.
Conclusion
À l’heure actuelle, la plupart des pompes à chaleur fonctionnent avec des gaz fluorés non respectueux de l’environnement. Le propane est une alternative bon marché et écologique. Ce gaz est toutefois inflammable, ce qui a jusqu’à présent limité son utilisation à des appareils exclusivement installés en extérieur. Un nouveau développement du Fraunhofer ISE a permis de rester sous la barre du contenu maximal de réfrigérant autorisé pour une installation intérieure, tout en offrant suffisamment de puissance pour une maison unifamiliale. Les recherches pour les collectivités se poursuivent également à plein régime. Les objections du secteur relatives au danger du propane seraient, ou plutôt, sont infondées. Dans les réfrigérateurs, on utilise en effet depuis longtemps des hydrocarbures inflammables à grande échelle. Les pompes à chaleur ne représentent pas de risque majeur.
Le projet LC150 a été financièrement soutenu par le ministère allemand de l’économie et de l’environnement, qui apporte également son aide au projet LCR290.
Par: Katharina Morawietz, Lena Schnabel, Clemens Dankwerth, Timo Mehler (Fraunhofer ISE)
