Centrale CO2 transcritique et récupération de chaleur

La centrale frigorifique au CO₂ ( dioxyde de carbone ou R-744) ) notamment en configuration transcritique, s’impose aujourd’hui comme une solution de référence pour la réfrigération industrielle et commerciale. Son intérêt dépasse la seule production de froid : elle se distingue par son potentiel élevé de récupération de chaleur !

Centrale frigorifique CO₂ transcritique : Fonctionnement en bref

Une installation frigorifique au CO₂ transcritique fonctionne à des pressions et températures supérieures au point critique du CO₂ (31 °C et 73,6 bars). Dans ce régime, le fluide frigorigène n’atteint jamais la phase de condensation classique (changement d’état) mais reste dans un état supercritique, ce qui modifie la conception des échangeurs et la gestion des cycles thermodynamiques. Le cycle comprend quatre phases principales : compression, refroidissement (par un gas cooler), détente et évaporation.

Étapes du cycle transcritique

Le cycle transcritique suit quatre étapes : compression, refroidissement, détente et évaporation.

• Compresseurs : Compriment le CO2 jusqu'à des pressions supérieures au seuil critique (73,6 bars), assurant le cycle transcritique.
• Refroidisseur de gaz  (gas cooler): Refroidit le CO2 supercritique sans condensation (sans changement d'état), régulant la température via des ventilateurs et optimisant la récupération de chaleur.
• Vanne HP : Réduit la pression du CO2, facilitant sa détente en mélange liquide-vapeur pour le circuit frigorifique.
• Bouteille de séparation : permet au dioxyde de carbone (R-744) de changer d'état
• Évaporateurs : Absorbent la chaleur des espaces à refroidir, vaporisant le CO2 pour alimenter le compresseur en fluide basse pression.

Pour rn savoir plus voir cet article : CO2 (R-744), fonctionnement transcritique et subcritique

Pourquoi la récupération de chaleur  ?

On considère que 33% de l’énergie consommée par l’industrie lors des opérations de production ou de transformation se dissipe sous forme de chaleur, appelée « chaleur fatale ». On la qualifie de « fatale » car elle est excédentaire et rejetée à l’extérieur, sous forme d’eau, de vapeur, de buée, de gaz ou encore de condensats issus des fumées.

Pourtant, cette énergie perdue représente un potentiel non négligeable si elle est récupérée en amont. La valorisation de cette chaleur s’impose ainsi comme un enjeu de taille pour les industriels et les entreprises qui souhaitent s’engager dans la décarbonation tout en optimisant l’efficacité énergétique de leurs procédés.

Lorsqu’un système frigorifique fonctionne, il extrait de la chaleur des espaces à refroidir et la rejette généralement à l’extérieur via un échangeur (condenseur ou gas cooler).

La récupération de chaleur consiste à capter cette énergie « fatale » avant qu’elle ne soit perdue, pour la valoriser dans d’autres usages :

• Préchauffage d’eau de process
• Production d’eau chaude sanitaire (ECS)
• Dégivrage des évaporateurs
• Chauffage des locaux (via aérothermes, planchers chauffants, etc.)

Le R-744 présente un avantage majeur : la température de refoulement des compresseurs dépasse souvent 70 °C, permettant de récupérer de la chaleur à un niveau de température élevé, directement utilisable pour de nombreux besoins. En été, la priorité est la production froid, en hiver la récupération de chaleur est maximisée.

Architecture d’un système de récupération de chaleur sur centrale CO₂

Schéma de principe

• Le gaz chaud sortant du compresseur passe d’abord dans un échangeur dédié à la récupération de chaleur (souvent un échangeur à plaques).
• Selon la demande, une vanne trois voies oriente le flux : en mode récupération, le gaz traverse l’échangeur de récupération, où il cède sa chaleur à un circuit d’eau.
• Après l’échangeur, le gaz, refroidi, poursuit son chemin vers le gas cooler pour évacuer l’excédent de chaleur non récupérée. La vanne trois voies du gas cooler modulant le flux du fluide.
• Un système de régulation ajuste la pression, l’ouverture des vanne 3 voies, le débit d’eau et la vitesse des ventilateurs pour optimiser la quantité et la température de chaleur récupérée.

Étapes de récupération de chaleur (stratégie de contrôle)

1. Mode normal : priorité à la production de froid, sans récupération de chaleur.
2. Activation de la pompe : le circuit d’eau est mis en circulation, la vitesse de rotation de la pompe est réglée pour maintenir une température fixe à la sortie de l'échangeur thermique.
3. Réduction du refroidissement par air : la vitesse des ventilateurs du gas cooler est réduite pour maximiser la chaleur récupérée. Les ventilateurs peuvent aussi être mis à l’arrêt .Même lorsque les ventilateurs sont arrêtés, la convection naturelle du refroidisseur de gaz suffit à réduire la capacité du système. 
4. Bypass du gas cooler : Quand la vanne trois voies du gas cooler est en configuration bypass, toute la chaleur est dirigée vers le circuit de récupération.
5. Augmentation de la pression : Si nécessaire pour obtenir une température d’eau plus élevée, la pression de refoulement est augmentée via la vanne HP.