Les systèmes de réfrigération au CO₂ utilisent du dioxyde de carbone, également appelé R-744, pour maintenir les chambres froides et les chaînes de transformation alimentaire à des températures basses et stables. Ils se généralisent de plus en plus, car le CO₂ présente un potentiel de réchauffement global égal à 1, tandis que de nombreux fluides frigorigènes HFC plus anciens ont un impact climatique bien plus important. Le CO₂ peut être utilisé pour l’entreposage frigorifique, les tunnels de congélation, les congélateurs à spirale, les congélateurs à plaques et les systèmes de surgélation.
S'appuyant sur une expérience en matière de projets de réfrigération industrielle et d’entreposage frigorifique, ce guide explique le fonctionnement de la réfrigération au CO₂ et les applications auxquelles elle est la mieux adaptée. Il aborde les systèmes transcritiques, les systèmes sous-critiques, les systèmes en cascade NH₃/CO₂, la sécurité des fluides frigorigènes, le coût des systèmes, la consommation d’énergie, la récupération de chaleur, la réglementation et les étapes de sélection pour les usines agroalimentaires et les entrepôts frigorifiques.
Qu'est-ce qu'un système de réfrigération au CO₂ ?
Un système de réfrigération au CO₂ utilise le dioxyde de carbone comme fluide de travail dans un cycle de compression de vapeur. Le réfrigérant est désigné sous le nom de R-744. Il absorbe la chaleur au niveau de l'évaporateur et la rejette au niveau du condenseur ou du refroidisseur de gaz. Le CO₂ a un point critique à 31,1 °C et 73,8 bars. La norme ASHRAE 34 classe le CO₂ dans la catégorie A1 : non toxique et ininflammable.
Que signifie « R-744 » et pourquoi le CO₂ est-il qualifié de réfrigérant naturel ?
R-744 est la désignation ASHRAE du dioxyde de carbone. Le préfixe « 7 » désigne les composés inorganiques. Le CO₂ est considéré comme un réfrigérant naturel car il est présent dans l’atmosphère et la biosphère. Parmi les autres réfrigérants naturels, on trouve l’ammoniac (R-717) et les hydrocarbures tels que le R-290.
Comment fonctionne le cycle de réfrigération au CO₂ ?
Le cycle comporte quatre étapes. Le compresseur met le gaz sous pression. Le refroidisseur de gaz ou condenseur rejette la chaleur dans l’environnement. Le détendeur fait baisser la pression et la température. L’évaporateur absorbe la chaleur de l’espace froid. À une température ambiante supérieure à 31,1 °C, le CO₂ ne peut pas se condenser et fonctionne en mode transcritique via un refroidisseur de gaz.
Quels sont les principaux avantages et défis ?
Les systèmes au CO₂ présentent six avantages mesurables et quatre défis avérés (IIR, 2023 ; ASHRAE).
Avantages :
- PRG de 1 et ODP de 0
- Indice de sécurité A1 : non toxique et ininflammable
- Grande capacité volumétrique, diamètres de tuyauterie réduits
- Récupération de chaleur jusqu’à 90 °C à la sortie du compresseur
- Stabilité réglementaire dans le cadre des accords de Kigali, de la réglementation sur les gaz fluorés (F-Gas) et de la loi AIM
- Coût du fluide frigorigène : 1 à 2 $/kg ; abondant et recyclable
Défis :
- Les pressions de service pouvant atteindre 120 bars nécessitent des composants renforcés
- Les dépenses d'investissement (CAPEX) sont de 15 à 30 % plus élevées que celles des systèmes à HFC
- La formation de glace carbonique en dessous du point triple de 5,18 bars nécessite des procédures d'intervention spécifiques.
- Le rendement transcritique diminue au-delà de 32 °C de température ambiante sans compression parallèle
Pourquoi le CO₂ représente-t-il l'avenir écologique du stockage frigorifique ?
Le CO₂ est le réfrigérant ininflammable utilisé à des fins commerciales qui a le plus faible impact climatique. Son potentiel de réchauffement global (PRG) de 1 est de 1 000 à 4 000 fois inférieur à celui des HFC courants. Trois réglementations imposent l'élimination progressive des HFC à l'échelle mondiale d'ici 2050.
Quelles réglementations prévoient l'élimination progressive des HFC à l'échelle mondiale ?
Trois cadres définissent le calendrier de suppression progressive.
- Amendement de Kigali (2016) : Réductions progressives des HFC par groupe de pays — les pays développés réduiront leurs émissions de 85 % d’ici 2036, la plupart des pays en développement de 80 % d’ici 2045, les autres atteindront 85 % d’ici 2047 (PNUE)
- Règlement européen sur les gaz fluorés (révision de 2024) : Interdiction totale des HFC d’ici 2050
- Loi américaine AIM (2020) : Réduction de 85 % des HFC d’ici 2036 (EPA, 2024)
Comment le PRG du CO₂ se compare-t-il à celui des réfrigérants synthétiques ?
Le PRG de 1 du CO₂ sert de référence. Le tableau compare les fluides frigorigènes les plus courants utilisés dans le stockage frigorifique.
| Fluide frigorigène | Type | PRG (AR4, 100 ans) | ODP | Statut |
| R-744 (CO₂) | Naturel | 1 | 0 | Utilisation encouragée |
| R-717 (ammoniac) | Naturel | 0 | 0 | Utilisation encouragée |
| R-404A | HFC | 3922 | 0 | Suppression progressive |
| R-134a | HFC | 1430 | 0 | Utilisation restreinte |
| R-22 | HCFC | 1810 | 0.05 | Interdit |
Source : GIEC AR4 ; ASHRAE 34.
Quels avantages ESG le CO₂ offre-t-il aux fabricants agroalimentaires ?
Le CO₂ réduit les émissions de scope 1 dans l’inventaire des GES d’un fabricant. Les fuites des systèmes au HFC s’élèvent en moyenne à 15-25 % par an (US EPA, 2023). Le remplacement du R-404A par le R-744 permet de réduire ces émissions de plus de 99 %. Des marques agroalimentaires telles que Tyson, Cargill et Unilever communiquent publiquement sur leurs réductions de Scope 1 via le CDP et la SBTi, où le choix du fluide frigorigène constitue un élément de plus en plus déterminant.
Quelles sont les trois architectures de systèmes au CO₂ ?
Les installations de stockage frigorifique peuvent choisir parmi trois architectures au CO₂ : transcritique, sous-critique et en cascade NH₃/CO₂. Le choix dépend de la plage de température, de la capacité et du climat. Les systèmes en cascade permettent une congélation à des températures inférieures à -35 °C.
En quoi les systèmes au CO₂ transcritiques et sous-critiques diffèrent-ils ?
Les systèmes transcritiques rejettent la chaleur au-dessus du point critique du CO₂, fixé à 31,1 °C, à l’aide d’un refroidisseur de gaz. Ils conviennent aux sites de capacité moyenne situés dans des climats tempérés. Les systèmes sous-critiques condensent le CO₂ en dessous du point critique. L’utilisation autonome en mode sous-critique est limitée aux sites situés dans des climats froids ou aux configurations en cascade où la température du dissipateur thermique reste inférieure à 25 °C.
Pourquoi le système en cascade NH3/CO2 est-il la norme en matière de surgélation industrielle ?
Le système en cascade associe un étage supérieur à l'ammoniac à un étage inférieur au CO₂. Le CO₂ s'évapore entre -35 °C et -50 °C dans les serpentins du congélateur. L'ammoniac condense le CO₂ via un échangeur de chaleur en cascade dans un Système de réfrigération industrielle en cascade au CO₂. Cette conception permet de réduire la charge d'ammoniac de 80 à 90 % par rapport à une installation fonctionnant entièrement à l'ammoniac (IIAR, 2022).
Quelle architecture correspond au climat et à la capacité de votre site ?
Trois variables déterminent l'adéquation : la température ambiante de conception, la capacité totale et la température d'évaporation la plus basse.
| Condition | Architecture recommandée |
| Sites situés dans des régions froides ou systèmes dotés d'un dissipateur thermique secondaire à une température inférieure à 25 °C, évaporation > -25 °C | CO₂ sous-critique (généralement configuré dans le cadre d’un système en cascade) |
| Température ambiante : 25–35 °C, puissance : 100–800 kW, température d'évaporation > -30 °C | CO₂ transcritique avec compression parallèle |
| Toutes conditions climatiques, puissance > 500 kW, température d'évaporation < -35 °C | Cascade NH3/CO2 |
Quelles sont les différences : le CO₂ par rapport aux autres réfrigérants ?
Le CO₂ surpasse les HFC en termes de performances environnementales et égale l’ammoniac en termes d’efficacité dans la plupart des cas d’entreposage frigorifique. Le tableau résume les compromis pratiques.
| Propriété | CO₂ (R-744) | Ammoniac (R-717) | HFC (R-404A) | Hydrocarbure (R-290) |
| GWP | 1 | 0 | 3922 | 3 |
| Classe de sécurité | A1 | B2L | A1 | A3 |
| Inflammabilité | Aucun | Faible | Aucun | Haut |
| Pression de service | Haut | Moyen | Faible | Faible |
| Capacité optimale | 50 kW – 5 MW | >500 kW | Tout | <100 kW |
Le CO₂ est préférable aux HFC en raison de la pérennité de la réglementation. Le CO₂ est préférable à l’ammoniac dans les halls de production exigeant une faible toxicité. Le CO₂ est préférable aux hydrocarbures lorsque la puissance dépasse 100 kW ou que les normes de sécurité incendie interdisent l’utilisation de fluides frigorigènes inflammables.
Comment la réfrigération au CO₂ est-elle utilisée dans le stockage frigorifique industriel et la transformation alimentaire ?
La réfrigération au CO₂ dessert cinq segments : les entrepôts frigorifiques, la surgélation individuelle rapide (IQF) des produits de la mer, la viande et la volaille, la boulangerie-pâtisserie et les plats préparés. Les configurations en cascade permettent d’obtenir des températures d’évaporation comprises entre -10 °C et -50 °C. Les systèmes s’intègrent aux congélateurs à spirale, à plaques et à tunnel.
Comment le CO₂ est-il utilisé dans les entrepôts frigorifiques ?
Les centres de distribution utilisent un système en cascade NH₃/CO₂ pour les chambres maintenues entre -25 °C et -30 °C. Le circuit basse pression au CO₂ dessert les quais de chargement et les zones de stockage. L’ammoniac reste confiné dans la salle des machines. Ce confinement respecte les seuils PSM de l’OSHA et réduit les coûts d’assurance.
Pourquoi les usines de transformation des produits de la mer, de la viande et de la volaille se tournent-elles vers le CO₂ ?
Ces produits nécessitent des températures d'évaporation comprises entre -40 °C et -45 °C pour congélation rapide individuelle. Le système en cascade NH₃/CO₂ offre cette plage de fonctionnement avec un COP supérieur à celui des systèmes au R-507. La faible toxicité du CO₂ permet au circuit de basse pression d’entrer dans les zones en contact avec les aliments.
Quel est le rôle du CO₂ dans les chaînes de production de boulangerie et de plats préparés ?
Les usines de boulangerie et de plats préparés exploitent des tunnels en continu à des températures comprises entre -30 °C et -35 °C. Le CO₂ garantit des températures d’évaporation stables avec des longueurs de tuyauterie réduites. La récupération de chaleur du compresseur fournit de l’eau chaude à 70–90 °C pour la fermentation, le nettoyage en place (CIP) et le lavage.
Comment le CO₂ s'intègre-t-il aux congélateurs à spirale, à plaques et à tunnel ?
Le CO₂ permet de gérer les charges instantanées élevées des congélateurs à spirale et à tunnel IQF. Le circuit côté basse pression alimente les serpentins de l'évaporateur en CO₂ à expansion directe ou par pompage. La conception des serpentins, compatible avec le nettoyage en place (CIP), permet un lavage quotidien sans risque de contamination.
Coût total de possession : le CO₂ vaut-il l'investissement ?
Les systèmes au CO₂ sont amortis en 4 à 7 ans pour les exploitants de chambres froides industrielles (IIR, 2023). Le calcul du coût total de possession (TCO) se décompose en cinq postes.
- CAPEX : 15 à 30 % plus chers que les systèmes au HFC en raison des composants haute pression
- Énergie : Réduction de 10 à 20 % des coûts d'exploitation (OPEX) dans les climats tempérés grâce à la compression parallèle
- Coût du fluide frigorigène : 1 à 2 $/kg pour le CO₂ contre 40 à 80 $/kg pour les HFC soumis à restriction
- Récupération de chaleur : compense 20 à 40 % des besoins en eau chaude de l'usine à une température comprise entre 70 et 90 °C
- Conformité : Élimine l'exposition aux quotas de HFC et réduit les émissions de fluides frigorigènes de scope 1 de plus de 99 %
Le délai de rentabilité est encore plus court en cas de modernisation de systèmes fonctionnant au R-22 ou au R-404A soumis à une élimination progressive obligatoire.
Comment choisir un système de réfrigération au CO₂ pour votre entrepôt frigorifique ?
La sélection s'effectue selon un processus en quatre étapes lié aux données de l'installation.
- Étape 1 – Cartographier les charges thermiques et les zones : Indiquez la charge de pointe, la charge moyenne et la température d'évaporation la plus basse par chambre froide.
- Étape 2 – Adapter l'architecture au climat : Utilisez la température de conception ambiante et la capacité pour choisir entre un système sous-critique, transcritique ou en cascade NH₃/CO₂.
- Étape 3 – Précisez les composants et les commandes : Vérifiez les pressions nominales jusqu’à 120 bars, la compression parallèle pour les climats chauds et les commandes basées sur un automate programmable (PLC).
- Étape 4 – Vérifier la sécurité et la formation : Appliquer la norme OSHA 1910.147 relative au verrouillage et à l'étiquetage, installer un système de détection de fuites de CO₂ conforme à la norme EN 378 (Europe) ou ASHRAE 15 (États-Unis), et former le personnel à l'entretien des équipements à haute pression.
Le fait de sauter l’étape 1 est la principale cause du surdimensionnement des compresseurs et de la dégradation du rendement à charge partielle.
Quelles sont les performances du CO₂ dans les usines agroalimentaires réelles ?
Les conversions industrielles des systèmes utilisant le R-404A et le R-507 vers des systèmes à base de CO₂ montrent des gains constants en matière d’énergie et de réduction des émissions. Les données publiées par le secteur vont dans le même sens, tous segments alimentaires confondus.
Quels sont les avantages d'une conversion au CO₂ sur une ligne de surgélation IQF de produits de la mer ?
Les systèmes en cascade NH₃/CO₂ remplaçant les installations au R-507 permettent généralement de réduire la consommation d’énergie de 15 à 25 % dans les applications IQF. Les émissions directes de fluides frigorigènes diminuent de plus de 99 % rien qu’en raison de la différence de PRG. Les projets de modernisation à l’échelle industrielle affichent un délai de rentabilité de 4 à 7 ans une fois pris en compte les coûts évités liés aux quotas de HFC.
Quelles sont les performances du CO₂ dans les tunnels de congélation en continu pour la boulangerie ?
Le système au CO₂ transcritique avec récupération de chaleur fournit une température comprise entre -30 °C et -35 °C aux congélateurs à spirale et à tunnel des lignes de production continues de boulangerie. La récupération de chaleur du compresseur fournit de l’eau chaude à 70–90 °C pour le nettoyage en place (CIP), la fermentation et le lavage. L’intégration de la récupération de chaleur compense 20 à 40 % des besoins énergétiques de l’usine en eau chaude.
Foire aux questions
La réfrigération au CO₂ est-elle sans danger pour les usines agroalimentaires ?
Oui. Le CO₂ est non toxique, ininflammable et classé A1 selon la norme ASHRAE 34. Une détection des fuites est obligatoire car le CO₂ déplace l’oxygène à partir d’une concentration supérieure à 5 %. Les installations standard comprennent des capteurs de CO₂ et des verrouillages de ventilation conformes à la norme EN 378 (Europe) ou ASHRAE 15 (États-Unis).
Les systèmes au CO₂ peuvent-ils atteindre -40 °C ?
Oui. Les systèmes en cascade NH₃/CO₂ fonctionnent à des températures d’évaporation pouvant descendre jusqu’à -50 °C. Le CO₂ de l’étage inférieur est condensé par l’ammoniac de l’étage supérieur, ce qui permet une congélation profonde pour les applications IQF et de surgélation rapide.
Comment le CO₂ se compare-t-il à l'ammoniac pour la congélation industrielle ?
Le CO₂ est plus sûr en intérieur en raison de son classement A1. L’utilisation de l’ammoniac (B2L) dans les halls de production est soumise à des restrictions selon la plupart des réglementations. L’ammoniac offre un rendement supérieur au-delà de 500 kW. Les systèmes en cascade combinent les deux fluides frigorigènes.
La réfrigération au CO₂ sera-t-elle un jour abandonnée ?
Non. Le CO₂ a un PRG de 1 et n’est pas soumis aux quotas de réduction progressive prévus par le protocole de Kigali, la réglementation sur les gaz fluorés (F-Gas) ou la loi AIM. Il reste conforme à long terme.
La réfrigération au CO₂ fonctionne-t-elle sous les climats tropicaux ?
Oui, grâce à la compression parallèle, aux éjecteurs ou aux refroidisseurs de gaz adiabatiques. Ces ajouts permettent de maintenir un rendement transcritique à une température ambiante supérieure à 35 °C. La cascade NH3/CO2 fonctionne dans n’importe quel climat, car le rejet de chaleur s’effectue via le circuit d’ammoniac.
Quelle est la durée de vie d'un système de réfrigération au CO₂ ?
15 à 25 ans pour les installations industrielles. Les compresseurs haute pression et les refroidisseurs de gaz ont une durée de vie équivalente à celle des équivalents HFC. Les tuyauteries en acier inoxydable supportent une pression de 120 bars sans fatigue (IIR, 2023).
