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Réfrigération à l’ammoniac (NH3 – R717)

Aujourd’hui, la réfrigération à l’ammoniac, également connu sous le nom de NH3 ou R717, est l’une des principales alternatives, mais pourquoi ?

L’ammoniac ou NH3 est un réfrigérant naturel de type L2, principalement utilisé dans les grandes installations industrielles, connues sous le nom de refroidisseurs ou de centrales frigorifiques. La technologie de réfrigération au NH3 se caractérise par ses excellentes propriétés thermodynamiques.

Ses performances lui permettent d’être utilisé à des températures moyennes et basses, jusqu’à -70 ºC.

Propriétés de l'ammoniac (NH3 - R717)

Principales caractéristiques de l’ammoniac
Formule chimique	NH₃
Densité du liquide à +20ºC	610 kg/m³
Densité du gaz à +20ºC	0,78kg/m³
Densité relative du gaz (par rapport à l’air)	0,6
Point triple	-77,7 ºC
Temperatura evaporación a 1,013 bar	-33,4 ºC
Température d’allumage (DIN 51794)	+ 651 ºC
Concentration d’explosifs en volume	15-28%
Concentration d’explosifs en poids	114-212,8 g/m³
Concentration explosive en p.p.m.	150000 – 280000 ppm
Augmentation du volume lors d’un changement d’état	800 fois
Très soluble dans l’eau (litres NH3/litre d’eau)	1140 a 0ºC
Provoque des brûlures de la peau

Qualité requise de l’ammoniac pour son utilisation comme réfrigérant
La pureté	99,98%
Teneur en eau maximale	150 ppm
Huile usagée	3 ppm
Innommable	0,2 ml/g

Pourquoi l'ammoniac est-il utilisé dans la réfrigération ?

La réfrigération à l’ammoniac s’explique principalement par les conséquences liées à l’utilisation des réfrigérants à base d’halocarbures (HFC, HCFC et CFC) qu’ils entraînent :

La destruction de la couche d’ozone a conduit à son interdiction par le protocole de Montréal.
Le réchauffement de la planète, conséquence de l’émission de gaz à effet de serre. Cela a conduit à la nécessité de limiter et même d’interdire l’utilisation des HFC, qui avaient été introduits comme substituts des CFC et des HCFC. Afin de régulariser cette situation, le protocole de Kyoto a été formalisé.

Cela a renforcé l’objectif de l’Accord de Paris dont le but est de maintenir le réchauffement climatique en dessous de 1,5°C à 2°C d’ici 2100. Il faut également garder à l’esprit que ces émissions seront de plus en plus restreintes dans le monde entier jusqu’à ce qu’elles soient finalement interdites.

Pour résoudre la future pénurie de réfrigérants, deux possibilités ont été envisagées et développées :

La synthèse de nouveaux fluides frigorigènes, bien qu’après leur échec et l’interdiction des HFC bien connus comme “substituts”, cette alternative ne mènerait qu’à l’inconnu.
Utiliser des réfrigérants naturels connus et compatibles avec la protection de l’environnement.

Les réfrigérants naturels ne contribuent pas à l’appauvrissement de la couche d’ozone, au réchauffement de la planète ou à la sécurité écologique. En outre, ils permettent de réduire leur contribution indirecte au réchauffement de la planète.

Les réfrigérants naturels actuellement utilisés sont

Air (R-729)
L’eau (R-718)
Dioxyde de carbone ou CO2 (R-744)
Ammoniac ou NH3 (R-717)

Il existe également des hydrocarbures HC : propane (R-290), propylène (R-1270), butane (R-600), isobutane (R-600a), éthane (R-170).

L’utilisation de l’un ou l’autre de ces fluides peut comporter certains risques, mais ceux-ci seront maîtrisés par une exécution et un entretien corrects, sur la base de la vaste expérience disponible et du respect des réglementations, des ordonnances et des normes locales applicables.

Avantages de la réfrigération à l'ammoniac

L’ammoniac (NH3 ou R717) est utilisé comme réfrigérant depuis la fin du XIXe siècle et reste un choix populaire aujourd’hui, en particulier dans les applications industrielles et commerciales. Son utilisation est due à un certain nombre d’avantages qui en font une alternative intéressante aux réfrigérants synthétiques.

Bénéfices

La technologie de réfrigération à l’ammoniac ou au NH3 présente les avantages suivants :

Efficacité et performances supérieures à celles des autres gaz HFC tels que le R134a, le R290 ou même le CO2.
Fiabilité et sécurité grâce aux réglementations en vigueur régissant l’application en toute sécurité dans vos locaux et à son odeur caractéristique, facile à identifier en cas de fuite.
Durabilité environnementale. Le R717 est un réfrigérant naturel dont le PRG et le PDO sont nuls.
Investissement judicieux, en raison de son retour sur investissement rapide à rendement maximal.

Avantages

La technologie de réfrigération à l’ammoniac ou au NH3 présente les avantages suivants :

Efficacité énergétique. Grâce à ses excellentes propriétés thermodynamiques, la consommation d’électricité est réduite et le retour sur investissement est rapide.
Peu d’entretien. Il s’agit d’un système optimisé et compact grâce à la fonctionnalité de son système de réfrigération.
Rentabilité, en raison de l’abondance de ce réfrigérant naturel, son coût est faible.
Faible charge de réfrigérant. Grâce à la conception de la charge critique sans réservoir, il intègre également des composants permettant d’économiser de l’énergie.
Pas besoin de salle des machines. Système avec condensateur d’air intégré, conçu pour être installé à l’extérieur.
Pas de consommation d’eau. Grâce à la condensation de l’air pour des températures allant jusqu’à 47ºC, le système est donc exempt de risque de légionellose.
Compatibilité avec un système de refroidissement indirect au glycol à débit variable (en option).
Coût de fabrication inférieur. Son système de réfrigération utilise des tuyaux en acier de plus petit diamètre, ce qui permet de réaliser des économies.

Quelles sont les applications de la réfrigération à l'ammoniac ?

L’ammoniac joue un rôle clé dans un large éventail d’applications dans le domaine de la réfrigération, garantissant la qualité et la sécurité des produits et des processus. Ses principales fonctions sont les suivantes :

Abattoirs industriels : utilisés dans des activités telles que la conservation, les chambres de congélation et les salles de découpe, où ils garantissent un refroidissement efficace du produit, en maintenant des conditions optimales de température et d’humidité.
Magasins de fruits et légumes : Indispensable pour maintenir des conditions optimales de température et d’humidité, afin de préserver la qualité des produits pendant le stockage. Il est également utilisé dans les chambres à atmosphère contrôlée pour retarder le mûrissement de certains fruits.
Industrie de la pêche : utilisé pour la conservation des produits frais et congelés, garantissant des températures adéquates pour la conservation du poisson dans les fabriques de glace et les chambres de conservation.
Industries laitières et laiteries : utilisées pour le refroidissement et la conservation du lait et de ses dérivés, en coordonnant la charge thermique avec la production de froid pour garantir l’efficacité énergétique.
Usines de boissons : il gère la température pendant les processus de fermentation, en évitant la cristallisation de l’eau et en assurant le bon développement des souches de levure.
Industrie plastique : contrôle de la température lors de la transformation des matières plastiques, garantissant la forme souhaitée des pièces moulées.
Autres procédés industriels : utilisés pour le refroidissement des équipements de soudage, l’automobile, l’aéronautique et d’autres procédés nécessitant un contrôle précis de la température.

Prix

En général, l’ammoniac tend à être moins cher que de nombreux autres réfrigérants synthétiques en raison de sa disponibilité et du fait qu’il s’agit d’un produit chimique relativement simple à produire. Toutefois, il est important de noter que le prix de l’ammoniac peut fluctuer en raison de facteurs tels que l’offre et la demande sur le marché mondial des produits chimiques, les coûts de production et de transport, ainsi que les réglementations gouvernementales susceptibles d’affecter sa production et son utilisation.

Enfin, lorsqu’on évalue le prix de l’ammoniac dans la réfrigération, il est important de prendre en compte non seulement le coût initial d’acquisition, mais aussi les avantages à long terme en termes d’efficacité énergétique, d’entretien et de respect des réglementations environnementales.

Calcul du cycle de vie. Installation de réfrigération R717 – Données du projet.

Installation de réfrigération NH3
Heures annuelles de “manutention” (personnel travaillant pour le chargement/déchargement et autres activités) :	3.840h
Nombre d’heures restantes par an en régime de “maintenance”	4.920h
Capacité de réfrigération	1.200 kW
Puissance nominale horaire absorbée par les compresseurs	325 kW
Puissance annuelle moyenne absorbée par les compresseurs en mode manutention	230 kW
Puissance horaire nominale absorbée par les équipements auxiliaires (ventilateurs, pompes, résistance électrique, etc.)
Puissance horaire moyenne absorbée par les équipements auxiliaires en mode de manutention	38 kW
Puissance horaire moyenne absorbée par les compresseurs en mode maintenance (4 920h)	120 kW
Puissance horaire moyenne absorbée par les équipements auxiliaires en mode maintenance (4 920h)	22 kW
Cycle de vie pris en compte	15 années
Coût actuel de l’électricité	0,11€/kWh
Augmentation annuelle des prix de l’énergie	3%
Coût moyen de l’électricité sur 15 ans	0,14€/kWh
Intérêt moyen sur l’argent	5% par an
Coûts annuels d’entretien de l’installation frigorifique	4% du prix d’achat

Calcul du cycle de vie. Installation de réfrigération au R717 – Analyse économique.

Coûts étalés sur 15 ans
Études antérieures : 30 000 euros	2.000€
Installation frigorifique complète 940 000 € avec intérêts	90.562€
Installations auxiliaires pour l’usine de réfrigération 180.000€ (électricité, eau, air comprimé, etc.)	17.342€
Coûts énergétiques annuels moyens sur 15 ans : 1.631.280 kW-h x 0,14€/kW	228.379€
Coûts d’exploitation de la centrale de froid (1 opérateur 20 % du temps)	6.600€
Frais d’entretien (installations frigorifiques et auxiliaires)	3.000€
Coûts environnementaux	2.000€
Frais de démantèlement (60 000 €/15)	4.000€
Coût annuel total	353.883€
Consommation d’électricité en pourcentage de la consommation totale : 65%.

Précautions pour la réfrigération à l'ammoniac

Les mesures préventives sont essentielles pour garantir un fonctionnement fiable des équipements tout au long de leur durée de vie, tout en s’assurant qu’ils fonctionnent avec une efficacité maximale :

Il est obligatoire de contracter une maintenance préventive avec une entreprise agréée, ce qui, selon le RD 552/2019, est obligatoire pour les installations de niveau.
L’entretien doit être effectué conformément au manuel d’instructions fourni par le fabricant. Il ne faut pas oublier que le non-respect de la fréquence et/ou de l’étendue des inspections peut entraîner la perte des garanties et, en outre, ne respecte pas le principe d’action préventive (loi 31/1995 et RD 486/1997).
Au cours des dernières années, on a constaté une augmentation sensible des contrefaçons dans l’industrie de la réfrigération et il incombe à l’utilisateur d’exiger la présentation d’un certificat délivré par le fabricant d’origine ou d’un certificat équivalent afin de garantir le respect de la législation nationale et internationale éventuellement applicable.

En outre, en termes de sécurité dans la zone de travail, il est important de prendre les mesures de sécurité nécessaires pour garantir qu’en cas d’événement imprévu au cours du processus de production, l’installation est sûre et que la surexposition de l’ammoniac à l’environnement peut être évitée, ce qui pourrait entraîner des problèmes ayant un impact plus important sur l’intégrité de la zone de travail ainsi que la perte du produit. D’autre part, il s’agit d’un gaz dont l’odeur caractéristique est facile à identifier.

Réglementation applicable

L’ammoniac étant un réfrigérant utilisé dans les équipements de compression depuis 1876, une série de normes et de réglementations ont été élaborées pour garantir la meilleure sécurité possible pour les personnes, l’environnement et les produits stockés. Dans l’Union européenne, la norme reconnue par tous les États membres est l’EN 378 “Systèmes de réfrigération et pompes à chaleur – Exigences en matière de sécurité et d’environnement”, qui est alignée sur la norme internationale de sécurité ISO 5149. Exigences en matière de sécurité et d’environnement”, qui est alignée sur la norme internationale de sécurité ISO 5149. La norme EN 378 a intégré de nouvelles caractéristiques telles que :

Partie 1 : introduction de la catégorie d’inflammabilité 2L. Une méthode de calcul de la charge basée sur la classification des réfrigérants et l’ajout de deux nouvelles méthodes alternatives.
Partie 2 : Modifications des organigrammes utilisés pour la détermination des exigences relatives aux dispositifs de protection
Partie 3 : modifications des exigences relatives aux salles des machines.
Partie 4 : Dispositions pour la manipulation de la vapeur d’ammoniac.

Cependant, chaque pays possède ses propres règles et réglementations.

En Europe, les réglementations applicables à la réfrigération à l’ammoniac sont principalement régies par la directive 2014/68/UE relative aux équipements sous pression et la directive 2009/29/CE relative à la limitation des émissions de gaz à effet de serre fluorés.

La directive 2014/68/UE définit les exigences en matière de conception, de fabrication, d’inspection et de conformité pour les équipements sous pression, y compris les systèmes de réfrigération utilisant l’ammoniac comme réfrigérant. Ces exigences visent à garantir la sécurité et l’intégrité des équipements et à prévenir les accidents.

D’autre part, la directive 2009/29/CE vise à réduire les émissions de gaz fluorés, y compris de nombreux réfrigérants synthétiques utilisés dans les systèmes de réfrigération. Cela peut influencer le choix de réfrigérants alternatifs plus respectueux de l’environnement, tels que l’ammoniac, dans les systèmes de réfrigération.

Voici quelques exemples de réglementations existantes dans d'autres territoires :

États-Unis :
- Clean Air Act (Titre VI) : Réglemente les émissions de gaz fluorés, y compris les réfrigérants utilisés dans les systèmes de réfrigération.
- Occupational Safety and Health Administration (OSHA) : Établit des normes de sécurité professionnelle relatives à la manipulation de l’ammoniac dans les environnements de travail.
Canada :
- Loi canadienne sur la protection de l’environnement : réglemente la manipulation et les émissions de substances dangereuses, y compris les réfrigérants tels que l’ammoniac.
- Réglementations provinciales en matière de sécurité au travail : Peut établir des exigences supplémentaires pour la manipulation en toute sécurité de l’ammoniac dans les environnements de travail.
Australie :
- Chemical Control Act (loi sur le contrôle des produits chimiques) : réglemente la manipulation en toute sécurité des produits chimiques dangereux, y compris l’ammoniac.
- Réglementations nationales sur la sécurité au travail : Fixent des exigences en matière de sécurité lors de la manipulation de l’ammoniac sur le lieu de travail.
Japon :
- Chemical Substance Control Law (loi sur le contrôle des substances chimiques) : réglemente la manipulation en toute sécurité des produits chimiques dangereux, y compris l’ammoniac.
- Réglementations du ministère de l’économie, du commerce et de l’industrie (METI) : Peuvent établir des exigences supplémentaires pour la manipulation en toute sécurité des réfrigérants.