Indicateurs pour les différents fluides 10

Introduction

Durant l’année 2015-2017, j’ai effectué un BTS en organisations et performances industrielles, chez Renault. Ceci m’a permis, dans un premier temps, de découvrir le monde industriel et me familiariser avec les différentes techniques d’améliorations et de performances en production.
A l’issue de ce BTS, ma seule envie fût de poursuivre mes études afin d’acquérir plus de connaissances dans le milieu industriel, et développer d’autres compétences dans un autre environnement que celui de l’industrie automobile. C’est pour cela que j’ai décidé d’intégrer la première année du cycle ingénieur généraliste en alternance à l’école l’EI CESI située à ARRAS, à l’usine SICOS de l’Oréal à CAUDRY.
Au sein de ce rapport, je vais donc présenter dans un premier temps la problématique, puis dans un second temps la méthodologie utilisée pour atteindre notre objectif ainsi que les fluides frigorigènes et leurs aspects règlementaires et pour finir l’étude qui a été établie afin de trouver une solution à notre problématique.

I. La problématique
Comment choisir une installation frigorigène qui répond aux exigences du client et aux normes environnementales ?
La SICOS a été construite en 1970 suites au rachat de Lancôme par l’Oréal. Située au Nord de France, plus précisément à Caudry, elle est spécialisée dans la fabrication ainsi que dans le conditionnement de produits Lancôme notamment les soins pour le corps. Les objectifs du groupe sont les suivant :

CONTEXTE :
Notre usine est constituée de plusieurs groupes froids afin de parvenir aux différents besoins en froid de celle-ci. Aujourd’hui, nous avons en notre possession un équipement non conforme. Il s’agit du groupe froid bureau paysage, celui-ci a un retard de requalification ainsi qu’une absence totale de dossier à son sujet. Ceci nous expose à une sanction administrative pour infraction à l’article L557-57 et L557-58 (15 000 euros + mise en demeure) voire même une amende de 75 000 euros pour équipement non conforme.
Notre objectif n’est pas seulement de le remplacer mais d’innover durablement. C’est pour cela que j’effectue cette étude. Nous avons la volonté de remplacer le groupe Froid vieillissant du bâtiment administratif, on désire revoir la conception de son installation suivant un axe environnemental, tout en respectant un budget de 100 000 euro.
Le but est d\’anticiper les futures restrictions d\’utilisation des HFC en froid et de diminuer les émissions de gaz à effet de serre. La réglementation sur les HFC étant amenée à se durcir dans les prochaines années il est nécessaire d\’évaluer les technologies susceptibles de remplacer les installations actuelles.
La diminution des émissions de gaz à effet de serre étant nécessaire, le monde du froid est donc contraint de changer ses habitudes et de penser à l\’impact de ses installations sur l\’environnement.
II. La méthodologie

La méthodologie utilisée est celle employée par la plupart des bureaux d’études (S.A.S PROJET…).
Le groupe ayant pour fonction actuelle, le rafraichissement du bureau paysager, de la zone RH et de la nouvelle infirmerie.
 Diagnostic
Dans un premier temps, je vais collecter le document technique, afin de réaliser un diagnostic de l’installation pour évaluer les caractères techniques. Celui-ci a pour but d’établir un constat à l’instant T, pour une meilleure approche de nos réels besoins.
 Projet
Cette étude a pour but de définir les orientations des choix, suivant des présentations technique et financières :

 Une note de calcul pour établir les apports et déperditions du bâtiment, cela nous permettra de pré-dimensionner la production de froid ;
 Etablissement du dossier de consultation des entreprises
 Consultation d’entreprises pour l’exécution des travaux
 Etablissement tableaux comparatifs
 Estimation définitive du coût prévisionnel des travaux
 Etablissement des plans et schémas de principes
 Dimensionnement des principaux appareils, réseaux à mettre en œuvre
 Détermination du délai global de réalisation de l’ouvrage
 Tableau de bilan de puissance consommée pour la nouvelle installation
III. Les fluides frigorigènes
a. Les différents fluides frigorigènes
Les CFC : Nocifs pour la couche d\’ozone, leur production a été arrêtée en 1994 et leur utilisation en maintenance et entretien a été stoppée en 2001.

Les HCFC : Moins nocifs pour la couche d\’ozone ils participent cependant à l\’effet de serre. Depuis janvier 2004 ils sont interdits dans tout appareil neuf. Depuis 2010, seuls les fluides recyclés pouvaient être utilisés, ils sont interdits depuis 2015.

Les HFC : Ils ne sont pas nocifs pour la couche d\’ozone mais participent à l\’effet de serre. Une interdiction progressive des HFC à fort PRG est mis en place.

Les fluides naturels : Ils ont peu ou pas d\’impact sur l\’effet de serre. Ils possèdent par contre d\’autres inconvénients, notamment en matière de sécurité, ce qui limite leur utilisation. Les hydrocarbures, comme le propane, sont explosifs. L\’ammoniac possède de bonnes propriétés thermodynamiques mais est très toxique. Le CO2 nécessite des pressions de fonctionnement élevées.

b. Les critères de comparaison
La comparaison des fluides entre eux et l\’évaluation de leurs impacts sur l\’environnement, est simplifiée par la mise en place des indicateurs qui vont être définis ci-après :
i. L’ODP (Ozone Depletion Potential)

ii. Le GWP (Global Warming Potential)
C\’est l\’indicateur qui permet d\’évaluer l\’impact du fluide sur l\’effet de serre. Le gaz à effet de serre servant de référence est le CO2, son GWP est de 1. Le GWP des autres fluides est donc exprimé en kg équivalent CO2. Par exemple, le GWP du R404a est de 3260, ceci signifie que l\’émission d\’un kg de R404a a le même impact sur l\’effet de serre que 3260 kg de CO2.
c. Caractéristiques des fluides
Le tableau donne un aperçu des indicateurs cités auparavant pour différents fluides :

Ce tableau met clairement en évidence que les fluides synthétiques sont beaucoup plus nocifs pour l\’environnement que les fluides naturels.
d. Les fluides naturels
En se référant au tableau précédent, les fluides naturels apparaissent comme les fluides idéals pour limiter les émissions de gaz à effet de serre. Malheureusement ces fluides ne possèdent pas que des vertus, c\’est d\’ailleurs pour cette raison que l\’on utilise plutôt les HFC.
i. Le propane
Il fait partie des gaz envisagés pour remplacer les HFC, malheureusement il est explosif et donc relativement dangereux. Il appartient aux fluides L3 selon la norme EN-378, son utilisation est donc contraignante vis-à-vis de la réglementation en vigueur.

ii. L’ammoniac
Ses propriétés thermodynamiques très intéressantes font qu\’il est utilisé dans le domaine du froid. Son utilisation reste cependant limitée aux grosses installations industrielles. L\’inconvénient de l\’ammoniac est sa toxicité. L\’ammoniac est classé L2 dans la norme EN-378, son utilisation peut donc être source de problèmes vis-à-vis de la réglementation concernant les établissements recevant du public, mais également vis-à-vis des installations classées.
iii. Le dioxyde de carbone

IV. La réglementation
Comme dans tous les domaines, la réglementation pèse de manière importante dans le choix de certaines solutions. Le domaine du froid n\’échappe pas à cette règle, il est notamment concerné par les textes suivants.
a. A propos des fluides frigorigènes
Depuis 1985, on a pris conscience du rôle de destruction de l\’ozone stratosphérique par les molécules chlorées. Les fluides frigorigènes qui couvraient alors 90 % du marché étaient le R-11, le R12, le R-22 et le R-502. Les 10 % restants correspondaient à l\’utilisation de l\’ammoniac, principalement dans les industries agroalimentaires (source : ADEME France). Suite au Protocole de Montréal (1987), trois d\’entre eux sont interdits depuis 1995 : le R-11, le R12 et le R-502. Ce sont les CFC.
Ensuite, c’est l’utilisation des HCFC qui a été réglementée et progressivement interdite. Le R-22, particulièrement utilisé en climatisation, a ainsi été toléré recyclé jusqu’à fin 2014 et fut interdit en 2015.
b. La norme EN-378 et la F-GAS

La norme NF EN 378 : 2017 est une norme à visée environnementale et de sécurité, publiée par le CEN (Comité européen de normalisation) et qui fournit un certain nombre de règles et de recommandations concernant la conception, l’installation, l’exploitation et la maintenance des systèmes frigorifiques et pompes à chaleur (PAC).
La lutte contre le changement climatique conduit à une évolution mondiale des réglementations afin de réduire les émissions de gaz à effet de serre (GES) mesurées en Tonnes CO2 équivalent. La diminution drastique de l’utilisation, et même l’interdiction de certains fluides à fort potentiel de réchauffement planétaire (PRP) va conduire à l’utilisation plus fréquente de fluides à PRP plus faible mais comportant d’autres risques.

L’application de ces nouveaux règlements internationaux en toute sécurité impose une classification internationale plus fine des fluides frigorigènes et l’adaptation des normes et règlement internationaux permettant leur utilisation en toute sécurité (Établissements Recevant du public – ERP…).

Depuis 2006 la réglementation F-GAZ encadre la vente et l’utilisation des fluides frigorigènes qui sont considérés comme d’importants gaz à effet de serre tels que le r407c, le r404a, le r507a et le r410a.
A partir de 2015, elle s’est renforcée (décret n°2015-1790 du 28 décembre 2015 et arrêtés d’application du 29 février 2016) et impose dorénavant :
La baisse des mises sur le marché des fluides frigorigènes. La réglementation sur les fluides frigorigènes définit un planning allant jusqu’en 2030 qui instaure la planification de la diminution progressive de mise sur le marché des fluides frigorigènes à fort PRG*. Aussi appelé GWP* ou PRP* indique son potentiel de réchauffement, sur une durée donnée de 100 ans, pour 1 kg émis dans l’atmosphère, par rapport au CO2.

Horizon Champ d’application Fluides interdits
2020 Installations neuves
-Réfrigérateurs et congélateurs commerciaux
-Réfrigération stationnaire sauf T40T eq. CO2 Fluide de PRP>2500 (ex. R404a)
Sauf maintenance jusqu’en 2030: tolérance si fluide régénéré, ou recyclé sur la même installation.
2022 Réfrigération centralisée commerciale >40kW PRP>150 (ex. R134a, R410a, R407c, R407a/f)
Mais PRP <1500 toléré (ex. R134a) pour étage haute T d’instal en cascade
2025 Climatisation mono-split, toute instal de charge750

c. Règlementation environnementale :

V. Les installations frigorigènes
a. Le fonctionnement :

La plupart des installations frigorifiques utilisent un fluide frigorigène et ses changements de phase entre les états liquides et gazeux. Les principaux composants sont le compresseur, le condenseur et l’évaporateur. Les calories (ou frigories) peuvent être transférées directement par un échangeur de chaleur ou via un circuit de refroidissement secondaire.

 Dans le compresseur : le fluide frigorigène arrive à l\’entrée du compresseur à l\’état gazeux, sous basse pression et basse température. La compression permet d\’élever sa pression et sa température. En théorie, la compression est adiabatique; mais elle ne l’est pas en pratique.
 Dans le condenseur : le gaz chaud cède sa chaleur à l’eau du circuit extérieur. Les vapeurs de fluide frigorigène se refroidissent (\”désurchauffe\”), puis le fluide se condense. Le fluide liquide se refroidit de quelques degrés (sous-refroidissement) avant de quitter le condenseur.
 Dans le détendeur : le fluide subit une détente isenthalpique. Le fluide frigorigène se vaporise partiellement, ce qui abaisse sa température.
 Dans l’évaporateur : le fluide frigorigène s\’évapore totalement en absorbant la chaleur provenant du circuit d’eau qui se refroidit. Dans un deuxième temps, le gaz formé est encore légèrement réchauffé par le fluide extérieur ; c\’est ce qu\’on appelle la phase de surchauffe.

b. Les différents types d’installations :

• Un système direct consiste à faire circuler le fluide frigorigène dans tout le magasin, là où il y en a besoin. Le fluide alimente directement les étalages de produits frais ou surgelés, sans intermédiaire.

• Un système indirect consiste à transmettre le froid porté par le fluide frigorigène à un réseau secondaire contenant un fluide appelé fluide frigoporteur (ex : eau glycolée) qui n’a pas d’impact climatique (PRG nul). C’est ce deuxième réseau qui va alimenter en froid les différents meubles de présentation. L’intérêt est de minimiser la charge de fluide frigorigène et d’en limiter la présence en salle des machines uniquement, et non plus dans le magasin entier.

VI. L’étude
a. Le bilan thermique :

Etablir le bilan thermique d\’un local, c\’est répertorier et quantifier toutes les sources de perturbation qui vont influencer l\’ambiance en température et en humidité : Apports de chaleur venant de l\’extérieur (été) ou départs de chaleur vers l\’extérieur (hiver)

b. Les différentes solutions :

Actuellement les voies exploitées pour diminuer la contribution des installations de froid à l\’effet de serre sont les suivantes :
• Amélioration du confinement des installations
• Utilisation de fluides naturels n\’ayant pas, ou peu, d\’impact sur l\’effet de serre
Pour pouvoir comparer ces différentes installations, les critères principaux devant être abordés sont les suivants :
• L\’impact sur l\’effet de serre,
• La mise en œuvre,
• La législation en vigueur,
• Le respect du budget soit 100 000 euro

Les trois offres reçu actuellement sont les suivantes :

Fluides GWP Législation en vigueur Puissance Frigorifique Prix
Offre 1 R290 3 Infini 126 kW 114 921,00 €
CO2 1 Infini 126 kW 190 880,00 €
Offre 2 R290 3 Infini 117,5 kW 64 770,00 €
CO2 1 Infini 110,9 kW 133 770,00 €
Offre 3 R410 2088 2022 120 kW 36 000,00 €

Les 2 meilleures solutions entre celle-ci sont l’offre 1 et 2.
L’offre 3 à cause de la législation ainsi que la puissance frigorifique sont des inconvénients non négligeables.
En étudiant les deux solutions, concernant le fluide R290 nous respectant notre budget de 100 000 euro mais malheureusement le R290 a un inconvénient, il est explosif contrairement au CO2 qui est beaucoup moins dangereux. Grâce aux nouvelles technologies les installations au R290 sont équipées contre toutes fuites avec des différents capteurs thermiques. Ce qui nous permet de prendre cette offre en considération.
L’installation au CO2 a l’inconvénient de dépasser notre budget, pour répondre à cette problématique, j’ai contacté nos fournisseurs afin qu’ils revoient leurs offres, j’ai aussi demandé de retirer la dépose de l’installation existante car nous pouvons la faire par un ferrailleur gratuitement, puis le raccordement, celui-ci pourra être effectué par « ACTEMIUM » pour un budget moins important. Je reste en attente de leurs nouvelles offres.

Vous pouvez retrouver c’est trois offres en Annexe.

Option incluses Option non incluses
Offre 1 : Frigoclim Circuit frigorifique :Modifications des tuyauteries existantes et calorifuges -Electricité : câblage de l\’ensemble et modification -Mise en service : -tirage au vide de l\’installation -Charge en huile de qualité frigorifique -Charge en fluide frigorigène -Réglages -Mise en service Support toiture pour la pose du groupe glacée -Charge du groupe à prendre en compte dans le calcul de la charpente -Alimentations électriques protégées à prévoir au droit du groupe de condensation
Offre 2 : Johnson Controls La vidange en fluide frigorigène et huile -Désaccouplement fluidique, électrique et hydraulique – Evacuation des équipement par camion plateau -La manutention pour le groupe ainsi que le condenseur -Support toiture pour le nouveau groupe -L’installation du nouveau groupe -Les raccordements hydrauliques -Les tuyauteries seront calorifugées avec un tube isolant -L’installation d’un nouveau coffret électrique – L\’installation d\’un cordon chauffant autorégulant pour maintenir hors gel La mise en service de l’installation
Offre 3 : Axima

Etudes et plans nécessaires au chantier – La manutention pour le groupe ainsi que le condenseur -L’installation du nouveau groupe – Les raccordements hydrauliques et électriques – La mise en service de l’installation – Remplacement de la station de pompe distribution par une pompe double neuve Mise à disposition d\’une alimentation électrique -Structure métallique ou tout autre moyen pour installer le groupe en toiture -Renforcement de charpente et étude de reprise de charges -Ouverture et reprise étanchéité pour le passage des tuyauteries

Conclusion

Grace à cette étude, j’ai pu découvrir le monde des fluides frigorigènes et aussi me confronter à sa complexité. Ça m’a permis de développer et d’approfondir certaines compétences qui sont les suivantes :
– Gérer l’aspect organisationnel : afin de bien mener cette étude. (Organisation)
– Adapter mon discours face à mes différents interlocuteurs. (Humain)
– Accorder les offres des fournisseurs avec notre budget. (Négociation)
– Acquérir des compétences techniques dans un nouveau domaine.
A travers ces documentations ainsi que ces recherches, j’ai appris à mettre en application mes connaissances pour résoudre notre problématique.
Cette étude nous permet d’établir un choix environnemental et en adéquation avec la législation actuelle. Grace à l’installation d’un groupe froid au R290 ou CO2 nous allons perdurer dans le temps ainsi nous n’aurons pas à changer de groupe ou de fluide durant les années à venir.

L’offre de Johnson Controls est la plus complète des 3 offres car elle regroupe plusieurs options que les autres n’inclus pas.
Ces options sont les suivantes :
• La vidange en fluide frigorigène et huile
• La manutention pour le groupe ainsi que le condenseur
• Support toiture pour le nouveau groupe
• Évacuation des équipements
• L’installation du nouveau groupe
• Les raccordements hydrauliques
• L’installation d’un tube isolant
• L’installation d’un nouveau coffret électrique
• La mise en service de l’installation

J’ai contacté l’usine de BRI qui a récemment mis en place un groupe froid, afin d’effectuer une comparaison entre leurs offres et les nôtres.
Pour résumé, leur offre au CO2 a un budget très élevé donc elle est exclue, ils ont reçu une offre au HFO-1234ze celui-ci est un gaz fluoré de la famille des hydrofluoro-olefines (HFO) à très faible GWP, destiné aux applications frigorifiques et de conditionnement d\’air, il présente un coût moins élevé que le CO2. J’ai demandé à nos fournisseurs d’impliquer ce fluide dans leurs nouvelles offres.

Je reste en attente de leurs nouvelles réponses, afin de fixer le choix de l’offre.

Bibliographie

Méthodologie :
http://www.marche-public.fr/Marches-publics/Definitions/Entrees/DIA.htm
https://www.weka.fr/marches-publics/dossier-pratique/gerer-vos-operations-de-travaux-dt37/realiser-l-avant-projet-aps-apd-rehabilitation-reutilisation-neuve-d-un-ouvrage-de-batiment-3110/

Fluides frigorigènes :
https://www.ademe.fr/sites/default/files/assets/documents/fluidesfrigo-bd-8558.pdf
http://www.frigoristes.fr/article.php?sid=310#.W3_yEM4zbcs

Bilan thermique:
http://herve.silve.pagesperso-orange.fr/bilan_th.htm
https://www.abcclim.net/calcul-bilan-thermique.html
https://www.thermexcel.com/french/ressourc/bilanth.htm

Règlementation :
https://www.energieplus-lesite.be/index.php?id=11278
http://www.climefroid16.com/images/professionnel/89399/Reglementation_Fluides.pdf
https://media.xpair.com/pdf/reglementation/Norme-NFEN378_analyse_de_risques.pdf

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