Avantages et défis du réfrigérant CO₂ (R744) dans les systèmes de climatisation automobile

Avantages du réfrigérant CO₂

1. Sécurité et respect de l'environnement

Comme le montre le tableau 1, le CO₂, étant un réfrigérant naturel, est ininflammable, non toxique, n'a pas de potentiel d'appauvrissement de la couche d'ozone (ODP) et un potentiel de réchauffement climatique (PRG) extrêmement faible. Ces caractéristiques en font un choix idéal pour les applications de réfrigérant respectueuses de l'environnement et sûres.

Réfrigérant	R134a	R1234yf	R744
Formule moléculaire	CF3CH2F	CF3CF=CH2	CO2
Point d'ébullition standard /℃	-26.1	-30	-78.5
Température critique /℃	101.1	95	31.1
Pression critique /MPa	4.07	3.38	7.38
Valeur GWP	1430	4	1
Valeur ODP ①	0	0	0
Groupe de sécurité ②	A1 (Non toxique, ininflammable)	A2L	A1 (Non toxique, ininflammable)
Coût / (RMB/kg)	48	400	6
Exemples de modèles de compresseurs Guchen	GC20A12	GC66B600	En développement

① ODP : Potentiel d'appauvrissement de la couche d'ozone
② Système de classification de sécurité ASHRAE
R : Faible toxicité ;
1, 2L, 2, 3 : Niveaux d'inflammabilité.
1 : Ininflammable.
2L : Légèrement inflammable avec une faible vitesse de propagation de la flamme.
2 : Inflammable.
3 : Très inflammable.

Contrairement aux réfrigérants synthétiques, l’utilisation du CO₂ dans les systèmes de climatisation automobile élimine le besoin de récupération du réfrigérant lors de la mise au rebut du véhicule. Le CO₂ est également largement disponible et peu coûteux, offrant des avantages financiers significatifs par rapport aux réfrigérants comme le R1234yf.

2. Performances de chauffage exceptionnelles

Systèmes de pompe à chaleurconnaissent souvent des performances de chauffage réduites dans des environnements à basse température. Cela se produit en raison de la diminution de la densité du gaz réfrigérant à basse température, entraînant des débits massiques plus faibles, et parce que la pression d'aspiration du système doit être maintenue positive en limitant la vitesse du compresseur.
Les figures 1 et 2 illustrent que le CO₂ a une densité de gaz et une pression d'évaporation beaucoup plus élevées que le R134a ou le R1234yf, ce qui lui permet de maintenir des performances de chauffage supérieures même dans des conditions de basse température.

La figure 3 montre la capacité calorifique (en termes de cylindrée du compresseur en cm³) pour trois types de réfrigérants à différentes températures ambiantes. La capacité calorifique du système CO2 à différentes températures ambiantes est 7 à 11 fois supérieure à celle des systèmes R134a ou R1234yf. En particulier à basse température, le système au CO2 conserve une capacité de chauffage élevée, ce qui permet aux systèmes de pompe à chaleur utilisant le CO2 comme réfrigérant d'être appliqués dans des régions ou des saisons où les températures sont plus basses. De plus, un potentiel de chauffage aussi élevé permet théoriquement aux véhicules électriques utilisant le CO2 comme réfrigérant de pompe à chaleur d'éliminer les radiateurs électriques généralement utilisés, améliorant ainsi l'efficacité énergétique et réduisant les coûts du système.
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Les défis du réfrigérant CO₂

1. Efficacité moindre du refroidissement et du chauffage

Les systèmes au CO₂ fonctionnent généralement dans des états transcritiques, où le réfrigérant est supercritique du côté haute pression. La perte d'énergie importante pendant la phase d'étranglement de l'expansion entraîne une efficacité de cycle inférieure.
Des études indiquent que les systèmes au CO₂ ont un rendement de cycle inférieur de 20 à 40 % à celui des systèmes au R134a ou au R1234yf, cet inconvénient devenant plus prononcé à des températures ambiantes plus élevées. Une efficacité moindre entraîne une diminution des performances énergétiques, une augmentation de la consommation de carburant dans les véhicules à combustion interne ou de la consommation d’électricité dans les véhicules électriques.
Cependant, à des températures extrêmement basses (inférieures à -10°C), l'efficacité des pompes à chaleur CO₂ dépasse celle des systèmes R134a ou R1234yf. En effet, ces derniers systèmes nécessitent un chauffage électrique d'appoint en raison de leurs capacités limitées de pompe à chaleur, ce qui réduit considérablement l'efficacité du chauffage. Des technologies avancées, telles que des éjecteurs et des dispositifs d’expansion, sont à l’étude pour améliorer l’efficacité du cycle du CO₂, mais elles en sont encore au stade expérimental et se heurtent à des obstacles techniques qui entravent une application commerciale immédiate.

2. Émissions de carbone élevées pendant le cycle de vie

Les émissions de carbone sur le cycle de vie des réfrigérants de climatisation automobile comprennent les émissions directes et indirectes. Les émissions directes proviennent des fuites de réfrigérant pendant le chargement, le fonctionnement, la maintenance et la récupération en fin de vie, tandis que les émissions indirectes proviennent de la consommation d'énergie pendant le fonctionnement du système et la production//le transport du réfrigérant.
Bien que le CO₂ ait une valeur GWP négligeable, sa faible efficacité énergétique pendant le fonctionnement entraîne des émissions de carbone pendant le cycle de vie nettement plus élevées que celles du R134a ou du R1234yf. Cela est particulièrement pertinent dans des régions comme la Chine, où les avantages des pompes à chaleur au CO₂ à basse température ont moins d'impact en raison des climats tempérés et subtropicaux.

3. Coûts et problèmes de fuite associés à une pression de fonctionnement élevée

Les systèmes au CO₂ fonctionnent à des pressions supérieures à 15 MPa, avec un différentiel de haute pression dépassant souvent 12 MPa et des températures de refoulement atteignant plus de 160°C. Ces conditions extrêmes nécessitent une refonte de tous les composants de la boucle réfrigérante pour résister à des pressions et des températures aussi élevées, ce qui augmente considérablement les coûts des composants.
Bien que le CO₂ lui-même soit peu coûteux, des composants tels quecompresseurs, les échangeurs de chaleur, les conduites de réfrigérant, les séparateurs, les vannes et les capteurs de pression sont plus chers que leurs homologues des systèmes R134a ou R1234yf, ce qui augmente les coûts globaux du système d'au moins 2 500 ¥.
De plus, la taille moléculaire plus petite du CO₂ augmente les risques de fuite à travers les tuyaux ou les connecteurs dans des conditions de température et de pression élevées. Bien que des matériaux d'étanchéité spécialisés pour les systèmes CO₂ aient été développés, leur efficacité reste sous-optimale, nécessitant des recharges de réfrigérant plus fréquentes pour maintenir les performances du système.

4. Problèmes de sécurité

Bien que le CO₂ soit non toxique et inodore, les fuites dans l’habitacle du véhicule pourraient présenter des risques pour la santé. Des concentrations de CO₂ aussi faibles que 1 % peuvent provoquer un inconfort et une somnolence, tandis que des niveaux de 2 % peuvent entraîner des maux de tête et une perte de concentration. À 5 %, une perte de conscience, voire la mort, peut survenir.
Pour atténuer les risques, les véhicules utilisant des réfrigérants CO₂ doivent être équipés de capteurs CO₂. Une conception alternative implique un échange de chaleur indirect, où les boucles de réfrigérant sont confinées au compartiment moteur et où l'air refroidi circule dans la cabine. Cependant, cette approche réduit l’efficacité de l’échange thermique, ce qui diminue encore davantage les performances de refroidissement du système.
Les pressions élevées des systèmes CO₂ augmentent également les risques de sécurité pendant le développement, les tests et la maintenance.

Perspectives pour les applications des réfrigérants CO₂

Sur la base de l'analyse des caractéristiques du CO₂ et des limites technologiques actuelles, Guchen Industry conclut que l'adoption à grande échelle des systèmes de climatisation automobile au CO₂ est peu probable à court terme pour les raisons suivantes :
◆ Efficacité et émissions de carbone : la moindre efficacité énergétique des systèmes au CO₂ augmente les émissions de carbone tout au long du cycle de vie, ce qui entre en conflit avec les objectifs mondiaux d'économie d'énergie et de neutralité carbone.
◆ Adéquation au climat : les pompes à chaleur CO₂ excellent dans les climats froids, mais les avantages sont moins significatifs dans les régions au climat tempéré, comme la majeure partie de la Chine.
◆ Défis liés aux coûts et à la sécurité : le fonctionnement à haute pression entraîne une augmentation des coûts, des risques de fuite et des risques pour la sécurité qui nécessitent des progrès technologiques supplémentaires pour être résolus.

Cela dit, les propriétés naturelles du CO₂, notamment l’ininflammabilité, la faible toxicité, l’appauvrissement nul de la couche d’ozone et les avantages en termes de coûts, combinées à son potentiel de chauffage exceptionnel, sont prometteuses pour une adoption future. À mesure que la technologie évolue, les systèmes de climatisation automobile basés sur le CO₂ pourraient devenir viables pour une gamme plus large d’applications.