Installations frigorifiques à l'ammoniac (NH3 ou R717)

L'ammoniac, NH3 ou encore R717, est un réfrigérant utilisé dans les équipements de réfrigération industrielle depuis 1876. Les installations à l'ammoniac représentent une technologie mature et efficace pour la production de froid des process industriels, malgré les contraintes liées à sa toxicité, qui nécessitent des mesures de sécurité strictes. Ses excellentes propriétés thermiques et son impact environnemental nul, les innovations constantes et la réduction de la charge d'ammoniac renforcent encore l'attrait de cette technologie.

Principe de fonctionnement des installations frigorifiques à l'ammoniac

Systèmes Mono-étagés, Bi-étagés et cascades

Les installations de réfrigération à l'ammoniac (R717) se distinguent par plusieurs aspects techniques qui déterminent leur configuration optimale pour chaque application.

Installation NH3 bi-étagées

Si la différence de pression entre le côté BP (Basse Pression) et le côté HP (Haute Pression) est importante, deux étages de compression peuvent être nécessaires. En pratique, dans les systèmes bi-étagés, l'installation comprend soit deux compresseurs distincts (BP → MP et MP → HP) avec refroidissement intermédiaire dans un ballon MP, soit un seul compresseur avec admission à deux niveaux de pression (BP et MP), appelé système "superfeed".

Système mono-étagés

Pour des écarts de pression moins importants, un seul étage de compression suffit, simplifiant ainsi l'installation tout en maintenant une efficacité satisfaisante.

Systèmes en cascade

L'association de l'ammoniac avec d'autres fluides comme le CO2 dans des systèmes en cascade utilisant l'ammoniac pour la partie du circuit haute température et le CO2 pour la partie basse température.

Composants principaux d’un système mono-étagé

Une installation frigorifique à l'ammoniac comporte plusieurs composants essentiels qui travaillent ensemble pour créer un cycle de réfrigération continu :

• Compresseur : Il assure la compression du fluide frigorigène gazeux, augmentant sa pression et sa température. Cette étape est cruciale car elle permet ensuite la condensation du gaz.
• Condenseur : Cet élément permet au fluide sous haute pression et haute température de libérer sa chaleur à l'environnement extérieur. Le condenseur peut être installé soit en salle des machines, soit à l'extérieur selon le fluide utilisé pour la condensation (air ou eau).
• Détendeur : Il réduit la pression du fluide frigorigène liquide et le vaporise partiellement, permettant ensuite une baisse de température dans l'évaporateur.
• Évaporateur : Dans cet élément, le fluide frigorigène absorbe la chaleur du milieu à refroidir et s'évapore. C'est à ce niveau que se produit l'effet frigorifique recherché.
• Séparateur : Ce composant permet de séparer les phases liquide et gazeuse de l'ammoniac, assurant que seul le gaz retourne au compresseur, évitant ainsi les coups de liquide qui pourraient l'endommager. Le liquide froid en bas du séparateur est dirigé vers l’évaporateur (ou les évaporateurs) par une ou des pompes (régime noyé).

Types de systèmes

• Système direct : Le milieu à refroidir est en contact direct avec l'évaporateur où circule l'ammoniac. Ce système est largement utilisé dans l'industrie agroalimentaire pour la réfrigération, la congélation et le stockage à des températures inférieures à 0°C. L'inconvénient majeur est que l'ammoniac n'est pas confiné uniquement en salle des machines.
• Système indirect : Ce système utilise un fluide caloporteur (eau glycolée) intermédiaire qui est refroidi par l'ammoniac, puis circule vers les espaces à refroidir. Cette configuration permet de limiter la quantité d'ammoniac dans le circuit et de le confiner principalement dans la salle des machines, réduisant ainsi les risques en cas de fuite.

Avantages et inconvénients de l'ammoniac comme fluide frigorigène

Avantages environnementaux et économiques

• Impact environnemental nul : L'ammoniac possède un Potentiel de Réchauffement Global (GWP) égal à zéro, ce qui signifie qu'il ne contribue pas au réchauffement climatique, contrairement à de nombreux fluides frigorigènes synthétiques.
• Efficacité énergétique supérieure : Grâce à ses excellentes propriétés thermodynamiques, le R717 permet d'obtenir un rendement énergétique élevé. Un système à l'ammoniac noyé est généralement 15 à 20% plus efficace qu'une autre installation équivalente.
• Coût et disponibilité : L'ammoniac est relativement peu coûteux et facilement disponible, ce qui en fait une option économiquement avantageuse.
• Propriétés de transfert de chaleur : Ce fluide possède d'excellentes propriétés de transfert de chaleur, supérieures à la plupart des réfrigérants chimiques. Cela permet l'utilisation d'équipements avec une surface de transfert thermique réduite.
• Tuyauteries de dimensions réduites : Que ce soit sous forme gazeuse ou liquide, ce fluide nécessite des diamètres de tuyaux plus petits que la majorité des autres réfrigérants.

Risques et inconvénients

• Toxicité : Le NH3 est un gaz toxique dont l'exposition à des concentrations élevées peut être dangereuse pour la santé. Une exposition à 300 ppm présente un danger immédiat pour la vie et peut entraîner la mort en 30 minutes.
• Inflammabilité : À des concentrations supérieures à 15% par volume (150 000 ppm), l'ammoniac devient extrêmement inflammable et peut provoquer une explosion ou un incendie en présence d'une source d'ignition.
• Risque de contamination : En cas de fuite dans une installation agroalimentaire, l'ammoniac peut contaminer les produits stockés en chambre froide, entraînant des pertes économiques importantes.
• Odeur désagréable : Ce fluide possède une odeur caractéristique très forte et désagréable, ce qui peut être un inconvénient dans certains environnements.

Ces inconvénients nécessitent la mise en place de mesures de sécurité strictes et d'une réglementation spécifique pour assurer la sécurité des personnes et des installations.

Applications industrielles des systèmes NH3</h3

Les installations frigorifiques à l'ammoniac trouvent leur place dans de nombreux secteurs industriels, en particulier là où des capacités de refroidissement importantes sont nécessaires.

Industrie agroalimentaire et chaîne du froid

L'industrie agroalimentaire constitue le principal domaine d'application des systèmes frigorifiques au NH3. On les retrouve notamment dans :

• Les entrepôts frigorifiques pour le stockage de produits surgelés
• Les usines de transformation de viande et de poisson
• Les laiteries et fromageries
• Les brasseries pour le contrôle des températures de fermentation

Autres secteurs industriels utilisant le NH3

Au-delà de l'agroalimentaire, l'ammoniac est utilisé comme fluide frigorigène dans divers secteurs :

• Industrie chimique : pour le refroidissement des procédés de fabrication
• Industrie pharmaceutique : pour le stockage de produits thermosensibles
• Patinoires : pour la production et le maintien de la glace
• Climatisation de grands bâtiments : centres commerciaux, aéroports

Réglementation et sécurité des installations

Cadre réglementaire

En France, les installations frigorifiques utilisant l'ammoniac sont soumises à une réglementation stricte, notamment dans le cadre des Installations Classées pour la Protection de l'Environnement (ICPE) :

1. Classification ICPE : Les installations sont classées sous la rubrique 4735 "Ammoniac" selon la quantité d'ammoniac présente sur le site :
   • < NH3 150 kg : Installation non soumise aux ICPE
   • 150 kg ≤ NH3 < 1500 kg : Régime de Déclaration avec Contrôle périodique (DC)
   • NH3 ≥ 1500 kg : Régime d'Autorisation (A)
2. Textes réglementaires applicables :
   • Arrêté du 16 juillet 1997 pour les installations soumises à autorisation
   • Arrêté du 19 novembre 2009 pour les installations soumises à déclaration avec contrôle périodique

Au niveau européen, plusieurs directives et normes encadrent ces installations :

• Directive 2014/68/UE : relative aux équipements sous pression
• Norme EN 378 : "Systèmes de réfrigération et pompes à chaleur – Exigences en matière de sécurité et d'environnement"
• Directive 2006/42/CE : Machines
• Directive 2006/95/CE : Basse tension
• Directive 2004/108/CE : Compatibilité Électromagnétique

Mesures de sécurité obligatoires

Pour prévenir les risques liés à l'utilisation de l'ammoniac, plusieurs mesures de sécurité sont imposées par la réglementation :

1. Confinement et détection :
   • Salle des machines dédiée et conforme à la norme NF EN 378-3
   • Systèmes de détection de fuites spécifiques
   • Systèmes de ventilation adaptés au R717
   • Mise en place de mesures barrières permettant un confinement en cas de fuite
2. Prévention des risques d'incendie et d'explosion :
   • Arrêt automatique de tout équipement électrique non ATEX dans les salles des machines en cas de détection d'ammoniac
   • Classification des zones à risque d'explosion (ATEX)
3. Contrôles et vérifications :
   • Contrôles périodiques des installations
   • Vérifications des Éléments Importants Pour la Sécurité (EIPS)
   • Inspections des Équipements Sous Pression (ESP)
4. Documentation et formation :
   • Plan des zones de sécurité NH3 matérialisées dans l'établissement
   • Procédures d'exploitation et de maintenance
   • Procédures et consignes de sécurité
   • Formation du personnel sur les procédures d'urgence

Pour conclure

L'avenir des installations frigorifiques à l'ammoniac semble prometteur, malgré les risques de toxicité, d'inflammabilité et un cadre réglementaire rigoureux. Mais avec le développement de systèmes hybrides NH₃/CO₂ offrant une efficacité énergétique supérieure et une sécurité accrue grâce à des charges d'ammoniac réduites , cette technologie centenaire saura s'adapter aux enjeux contemporains de performance énergétique et de protection de l'environnement