Magnétocalorique, électro-calorique, adsorption, thermoacoustique… Et si demain, le froid était produit à l’aide de procédés anciens remis au goût du jour ? En 1834, Jacob Perkins concevait le premier système frigorifique à compression de vapeur, qui s’est largement imposé. Aujourd’hui, plus de 90 % des systèmes de production de froid reposent sur lui.
Mais à la même époque, d’autres technologies étaient déjà exploitées : la première machine à absorption date de 1859, l’effet thermoélectrique Peltier a été découvert en 1834… « Depuis les premiers brevets portant sur des technologies de production de froid artificiel, la recherche n’a jamais cessé, relate Gérald Cavalier, le président du Cemafroid et de l’Association française du froid (AFF). Le contexte actuel, marqué par la hausse du coût de l’énergie, la restriction de l’usage de certains fluides frigorigènes, la crise climatique, relance doucement la recherche sur les technologies alternatives à la compression de vapeur. »
Le nombre de publications sur le sujet dans des revues scientifiques connaît une progression. Sur la plateforme ScienceDirect, la requête « magnetocaloric » proposait quelques dizaines de publications par an au début des années 2000, avant de grimper à plus de 700 en 2022. « Il existe une activité scientifique et industrielle dynamique et en constante augmentation, mais je ne constate pas d’accélération franche », tempère Jocelyn Bonjour, professeur au Centre d’énergétique et de thermique de Lyon. Peut-être faute de graal en vue ?
« Aucune technologie alternative n’est universelle »
« Aucune technologie alternative n’est universelle et ne s’imposera sur le marché comme la compression de vapeur, mais chacune a une place à prendre », analyse Frédéric Bazantay, le directeur du Pôle Cristal, un centre d’essais et d’innovation spécialisé en réfrigération et génie climatique [lire ci-contre]. Jocelyn Bonjour et lui s’accordent sur une commercialisation possible à l’horizon 2030 ou 2035. « Je ne crois pas à une rupture fondamentale, mais plutôt à la percée de certaines technologies alternatives dans différents marchés de niche », abonde Éric Devin, le délégué général de l’AFF.
« Aucune technologie alternative n’est universelle et ne s’imposera sur le marché comme la compression de vapeur, mais chacune a une place à prendre »
— Frédéric Bazantay, le directeur du Pôle Cristal
Ces technologies ont des atouts à faire valoir. Les matériaux aux effets magnéto-, électro- et mécanocaloriques ne sont pas volatils et ne dégagent aucun gaz à effet de serre (GES), contrairement aux fluides frigorigènes. Quant à l’adsorption et à l’absorption, « l’analyse exergétique, une grandeur thermodynamique, démontre qu’ils sont plus intéressants que la compression de vapeur pour valoriser la chaleur fatale ou l’énergie solaire », ajoute Jocelyn Bonjour.
Autre atout : les systèmes alternatifs sont en théorie plus efficaces. Leur performance reste à évaluer au sein de machines complètes, mais l’Institut international du froid (IIF) considère dans sa note de décembre 2022 que « le développement de systèmes de refroidissement calorique hautement performants devrait faire l’objet d’un effort continu, parallèlement à la recherche et au développement de frigorigènes alternatifs aux hydrofluorocarbures. »
Un intérêt principalement du côté des chercheurs
Les besoins en froid concernent de nombreuses industries – agroalimentaire, pharmaceutique, chimie, électronique, automobile… – et leur empreinte environnementale est énorme. Ils représentaient 20 % de la consommation totale d’électricité dans le monde en 2019, selon l’IIF, et leur usage pourrait plus que doubler d’ici à 2050, prévoyait l’Agence internationale de l’énergie en 2018, notamment en raison de l’augmentation des besoins pour la climatisation des espaces. L’IIF estime que le secteur du froid est à l’origine de 7,8 % des émissions globales de GES. Parmi elles, 37 % sont liées aux émissions directes lors de fuites de fluides frigorigènes, le reste étant dû à la consommation d’énergie des machines. Pour autant, « les systèmes à compression de vapeur se renouvellent en permanence pour répondre aux réglementations environnementales, décrit Jocelyn Bonjour. Cela coupe l’herbe sous le pied aux technologies alternatives. »
« L’intérêt pour ces autres technologies se limite presque uniquement aux chercheurs académiques », pointe Gérald Cavalier, même si PSA, par exemple, a travaillé sur une climatisation à absorption, et si quelques start-up se sont lancées. En France, des laboratoires et centres techniques sont impliqués. « L’Oniris, le Cemafroid, l’Inrae, le Greth, le Centre d’efficacité énergétique des systèmes ou encore l’Insa Lyon font partie des plus gros contributeurs », énumère Éric Devin.
Manque de soutien politique en Europe
La communauté est structurée autour de l’AFF, née en 1908. « L’avance de l’Union européenne reste forte, mais on observe des investissements importants des pays émergents dans le but d’améliorer leur sécurité alimentaire », remarque Jocelyn Bonjour. Environ 12 % des aliments produits au niveau mondial ont été perdus en 2017 en raison d’une chaîne du froid insuffisante, selon l’IIF.
« L’effort de recherche sur les technologies alternatives est plutôt porté par les collectivités, analyse Frédéric Bazantay. Mais pour dépasser la “vallée de la mort”, il est nécessaire que des entreprises privées investissent. » D’autres déplorent le manque de soutien politique. « Contrairement à l’Amérique du Nord, l’Union européenne n’a toujours pas compris l’enjeu important de la transition du secteur du froid », déplore Gérald Cavalier.
Pour se faire une place sur le marché, les technologies alternatives doivent désormais démontrer leur intérêt environnemental. « La consommation d’énergie représente 63 % des émissions de GES du secteur : il est fondamental que ces technologies fassent preuve d’une efficacité énergétique intéressante pour améliorer l’empreinte carbone », conclut Gérald Cavalier.
Des contraintes environnementales toujours plus strictes
En 1987, le protocole de Montréal (PM) a imposé l’élimination des chlorofluorocarbures (CFC) – des fluides frigorigènes – en raison de leur impact sur la couche d’ozone. Une décision qui a poussé la R & D à mettre en avant l’effet magnétocalorique et le passage aux hydrofluorocarbures (HFC) pour les systèmes à compression de vapeur. L’amendement de Kigali au PM, adopté en 2016, a durci les exigences : il vise l’abandon progressif des HFC, de puissants gaz à effet de serre (GES).
Si des alternatives comme l’électrocalorique ont alors connu un regain d’intérêt, « les industriels se sont surtout tournés vers des fluides frigorigènes alternatifs pour la compression de vapeur, commente Éric Devin, le délégué général de l’AFF. Le CO2, le propane, l’ammoniaque, mais aussi les fluides naturels comme l’eau ou l’air… Certains sont déjà utilisés, d’autres font l’objet de d’évaluations. »
La réglementation européenne F-Gas, qui transpose l’amendement de Kigali, est en cours de révision et tend à accélérer l’interdiction des HFC. Mais « le nouveau calendrier évoqué est irréalisable. Il n’existe pour le moment pas de solution de remplacement rentable », observe Éric Devin.
