Le CO2 gagne du terrain dans les applications de froid industriel

Par : Ilana Koegelenberg

 

Le froid industriel connaît sa plus profonde transformation depuis des décennies, alors que les systèmes au dioxyde de carbone (CO₂ / R744) dépassent rapidement leurs domaines d’application traditionnels, remettant en cause la domination historique de l’ammoniac sur le marché, tandis que la pression réglementaire s’accentue sur les solutions fluorées. Quels sont les moteurs de cette évolution et quels sont les freins qui la ralentissent ?

 

L’adoption industrielle s’accélère 

L’adoption industrielle des systèmes transcritiques au CO₂
s’accélère rapidement sur les principaux marchés. Selon le rapport de marché 2024 d’ATMOsphere, Natural Refrigerants: State of the Industry, l’Europe compte désormais environ 4 900 sites industriels utilisant une technologie de froid au CO₂, soit une hausse remarquable de 48 % par rapport aux 3 300 sites recensés en décembre 2023. Ces installations industrielles représentent 5,1 % des quelque 95 600 sites transcritiques au CO₂ que compterait l’Europe. 

L’Amérique du Nord affiche des taux de croissance encore plus spectaculaires, avec 870 sites industriels utilisant du CO₂ transcritique en 2024, soit une hausse de 74 % par rapport aux 498 sites de 2023. Ce total comprend 380 sites aux États-Unis, contre 208 auparavant, et 490 au Canada, contre 290. Les applications industrielles représentent désormais 17 % de l’ensemble des installations au CO₂ en Amérique du Nord, une proportion nettement supérieure aux 5,1 % observés en Europe. 

La trajectoire de croissance témoigne d’une accélération continue. Le nombre d’installations industrielles européennes au CO₂ a triplé depuis mars 2021, lorsque seuls 1 640 sites utilisaient cette technologie, tandis que son adoption en Amérique du Nord a particulièrement gagné en dynamisme ces dernières années.

 

Concurrencer les technologies établies 

Sur le marché du froid industriel, le CO₂
remet de plus en plus en cause l’ammoniac, un fluide frigorigène naturel qui domine depuis longtemps les applications industrielles de grande envergure.

 

La domination persistante de l’ammoniac 

Selon les experts du secteur, cette domination est solidement fondée. Jeffrey Hinson, Vice President US chez CIMCO Refrigeration, le plus grand prestataire de froid industriel d’Amérique du Nord, confirme que l’ammoniac reste le fluide frigorigène le plus courant dans les applications industrielles aux États-Unis. « Il s’agit d’un fluide frigorigène connu et bien établi dans le secteur. Son exploitation est très efficace et il couvre les applications de forte puissance ainsi qu’une large plage de températures », explique-t-il. 

Wynand Groenewald, President de Future Green Now, cabinet américain de conseil en ingénierie du CO₂, renforce cette analyse : « L’ammoniac reste le fluide frigorigène le plus utilisé, car les installations aux États-Unis sont tout simplement immenses. Les centrales à ammoniac demeurent la solution privilégiée pour les installations de forte puissance et les sites de transformation. » 

Groenewald note en outre que les préférences des prestataires confortent souvent ce statu quo au-delà des seuls mérites techniques : « Si les prestataires industriels étaient seuls à décider, tout fonctionnerait à l’ammoniac. »

 

L’expansion du CO₂ sur le marché 

Malgré cette domination bien établie de l’ammoniac, le CO₂ progresse sensiblement dans diverses applications industrielles. Andre Patenaude, Director of Solutions Strategy chez Copeland, observe que « le CO₂ continue de jouer un rôle de plus en plus central dans le froid industriel, de nombreuses tendances reflétant celles observées sur les marchés commerciaux. Les objectifs ESG [environnementaux, sociaux et de gouvernance] orientent le choix des fluides frigorigènes, et la transition depuis les HFC est considérée comme inévitable. » 

Les moteurs de l’expansion du CO₂ vont au-delà des initiatives de durabilité des entreprises et englobent des considérations pratiques liées à la sécurité, à la conformité réglementaire et à la dynamique du marché. Cette évolution modifie également le paysage concurrentiel. Hinson observe la transformation de la structure même du marché : « De plus petits prestataires en génie climatique se lancent dans cette activité, créant un marché de produits banalisés. »

 

Segmentation du marché selon l’échelle 

Cette expansion du CO₂ ne se produit pas uniformément dans toutes les applications industrielles. Hinson observe que les entrepôts frigorifiques au CO₂ se généralisent dans les installations de plus petite taille, d’une superficie maximale de 200 000 pieds carrés. Les usines de transformation sont cependant moins courantes, en raison de la puissance requise du système ou d’autres complexités. 

Plutôt qu’une substitution généralisée, cette adoption segmentée crée un positionnement stratégique dans lequel le CO₂ et l’ammoniac répondent à des applications distinctes. Groenewald présente une vue d’ensemble de cette évolution du marché : « Le CO₂ a produit un effet notable dans le secteur industriel. Il existe clairement une tendance à remplacer par des systèmes au CO₂ les installations qui auraient principalement utilisé des HFC. L’adoption du CO₂ dans le secteur industriel est donc manifeste. » 

Point essentiel, cette croissance vise le remplacement des HFC plutôt que celui de l’ammoniac, ce qui traduit une segmentation du marché plutôt qu’une concurrence directe entre les fluides frigorigènes naturels. 

Groenewald note que les installations américaines sont tout simplement si grandes que l’ammoniac reste idéal pour de nombreuses applications, mais que le CO₂
trouve son créneau : « À mon avis, l’ammoniac à faible charge suscite moins d’intérêt. J’ai le sentiment que le CO₂ occupe davantage le segment dans lequel l’ammoniac à faible charge aurait été envisagé, tandis que les centrales à ammoniac restent la solution privilégiée pour les installations de forte puissance et les sites de transformation. »

 

Les moteurs réglementaires remodèlent le marché 

La croissance spectaculaire de l’adoption industrielle du CO₂
découle en grande partie d’une pression réglementaire qui diffère sensiblement entre l’approche globale de l’UE et la mise en œuvre État par État aux États-Unis. Il est essentiel de comprendre ces cadres réglementaires pour expliquer les schémas de segmentation du marché dans les différentes régions.

 

Réglementation de l’UE : un cadre global 

Le règlement F-Gas révisé de l’UE, entré en vigueur le 11 mars 2024, établit le cadre le plus complet au monde pour l’élimination des gaz fluorés. 

Giacomo Pisano, Sales Manager du fabricant italien de compresseurs Dorin, explique les effets de cette réglementation : « Grâce au nouveau règlement F-Gas, les fluides frigorigènes synthétiques sont désormais beaucoup plus remis en question dans les applications industrielles de petite et moyenne taille, ce qui ouvre la voie aux fluides frigorigènes naturels, notamment au CO₂. » 

Principales échéances réglementaires industrielles :

• 2027 : interdiction d’utiliser des F-Gas ayant un Global Warming Potential (GWP) ≥150 dans les nouveaux groupes d’eau glacée d’une puissance maximale de 12 kW ; limitation à un GWP ≤750 pour les groupes d’eau glacée de plus grande puissance

• 2032 : interdiction complète des fluides frigorigènes fluorés dans tous les groupes d’eau glacée d’une puissance maximale de 12 kW

• 2050 : élimination totale des F-Gas

 

La réglementation prévoit d’importantes exceptions pour les « équipements nécessaires au respect des exigences de sécurité sur le site d’exploitation », reconnaissant ainsi la complexité des considérations de sécurité dans les applications industrielles. 

La réglementation de l’UE établit également un lien explicite entre les F-Gas et les PFAS (substances perfluoroalkylées et polyfluoroalkylées), en précisant qu’il est « prouvé ou soupçonné que certains gaz à effet de serre fluorés se dégradent en PFAS ». Ce lien renforce l’urgence de délaisser les fluides frigorigènes HFO au profit de solutions naturelles telles que le CO₂ et l’ammoniac. 

La réglementation révisée impose également aux États membres d’établir des programmes de certification pour les techniciens travaillant avec des fluides frigorigènes naturels, afin de remédier à un déficit critique de compétences dans le secteur industriel, où la technologie au CO₂ est moins familière que les systèmes à ammoniac établis.

 

Réglementation américaine : innovation menée par les États et incertitude fédérale 

Les États-Unis appliquent une approche réglementaire fragmentée, qui crée à la fois de puissants moteurs et des hésitations chez les exploitants industriels. La certitude réglementaire, ou son absence, joue un rôle crucial dans les schémas d’adoption industrielle du CO₂, qui varient d’un État à l’autre. 

Cette complexité réglementaire crée un marché à deux vitesses, dans lequel certains États stimulent une adoption rapide tandis que d’autres privilégient une approche attentiste. La pérennité des solutions face aux futures réglementations devient ainsi un critère essentiel pour les exploitants industriels qui planifient des investissements à long terme dans le froid. 

Si l’American Innovation and Manufacturing (AIM) Act fédérale fournit une structure de référence jusqu’en 2028, les États les plus avancés mettent en œuvre des calendriers beaucoup plus ambitieux, qui influencent directement les choix en matière de froid industriel : 

L’État de New York a établi certaines des exigences les plus strictes, avec une réglementation HFC définitive comprenant des dispositions industrielles spécifiques :

• Patinoires : F-Gas avec GWP20 >580 interdits à compter du 1er janvier 2026 ; GWP20 >10 interdits à compter du 1er janvier 2030

• Tous les groupes d’eau glacée : F-Gas avec GWP20 >20 interdits à compter du 1er janvier 2030

 

L’État de Washington cible directement le froid industriel au moyen de restrictions complètes sur les équipements :· 

•  2025 : les nouveaux équipements de froid commercial et industriel, à l’exception des groupes d’eau glacée, doivent utiliser des fluides frigorigènes ayant un GWP ≤150

• 2029 : exigences de rénovation et limitation des groupes d’eau glacée industriels à un GWP ≤750

• Structure tarifaire : redevances annuelles applicables aux systèmes industriels utilisant des fluides frigorigènes à GWP élevé avec des charges supérieures à 200lbs

 

La Californie associe la pression réglementaire à des incitations financières par l’intermédiaire de son F-gas Reduction Incentive Program (FRIP) doté de $65 million, qui cible spécifiquement les applications industrielles :

• Les installations de froid de procédés industriels et les entrepôts frigorifiques équipés de systèmes utilisant des fluides frigorigènes ayant un GWP >1,800 peuvent bénéficier d’un financement pour leur remplacement

• $5 million consacrés au remplacement des installations de froid de procédés industriels

• $3 million pour les entrepôts frigorifiques et les autres applications de froid

• Les critères d’éligibilité imposent de fait des solutions à très faible GWP, comme le CO₂ (GWP de 1), pour les remplacements financés

 

Forces du marché : moteurs et obstacles 

Au-delà des cadres réglementaires, l’adoption industrielle du CO₂
se heurte à d’autres forces du marché qui constituent à la fois de puissants moteurs et des obstacles importants.

 

Obstacle : les lacunes en matière de connaissances 

Le secteur est confronté à d’importants défis en matière de capital humain, le déficit d’expertise se manifestant à plusieurs niveaux, des exploitants aux prestataires. Patenaude explique que, si de nombreux exploitants américains connaissent le froid au CO₂, « la plupart n’ont pas eu l’occasion d’évaluer eux-mêmes les performances des systèmes au CO₂ . Beaucoup émettent donc des réserves à l’égard du CO₂, simplement parce qu’il s’agit pour eux d’une nouveauté. » 

Le déficit de connaissances concerne également la compréhension des avancées technologiques. Les exploitants industriels peuvent aussi ignorer que « le paysage technologique a évolué afin de faciliter l’utilisation du CO₂ dans le froid industriel, notamment en ce qui concerne la compression, la régulation, les vannes et les composants connexes des systèmes », note Patenaude. 

Les contraintes de fabrication aggravent ces difficultés. Pisano signale des capacités régionales limitées, notamment aux États-Unis : « Le principal obstacle est le manque de capacités de fabrication. Il n’existe pas assez d’OEM pour répondre aux besoins réels du marché. » 

Conscients de ces déficits d’expertise, les fabricants développent des programmes d’accompagnement complets afin de combler le manque de connaissances concernant les applications industrielles au CO₂. « Nous nous engageons à aider les prestataires industriels et les concepteurs de systèmes à renforcer leurs compétences en matière de CO₂
», explique Patenaude. « Nos équipes d’ingénierie collaborent activement avec eux pour concevoir et installer des systèmes, faciliter la courbe d’apprentissage et positionner leurs activités sur la voie d’une réussite à long terme. » 

Cet accompagnement couvre également des stratégies de mise en œuvre destinées à réduire les risques liés à l’adoption. Patenaude recommande une approche progressive : « Aux exploitants qui souhaitent effectuer cette transition, nous recommandons de se familiariser avec le froid au CO₂ au moyen d’essais sur le terrain à plus petite échelle. C’est un excellent moyen de tester les technologies au CO₂ les plus récentes et d’obtenir la validation nécessaire avant d’envisager l’installation d’une centrale frigorifique au CO₂
de plus grande taille. »

 

Moteur : préoccupations relatives à la sécurité et à l’urbanisation 

Le principal moteur des applications industrielles diffère sensiblement des motivations du secteur commercial. Si l’adoption dans le froid commercial découle souvent des objectifs de durabilité des entreprises, l’adoption industrielle est fréquemment motivée par des considérations pratiques de sécurité. Patenaude explique : « L’urbanisation a rapproché davantage de personnes d’entrepôts frigorifiques autrefois isolés, ce qui a conduit les autorités locales à exprimer des réserves sur l’utilisation de l’ammoniac. En tant que fluide frigorigène A1 non toxique et ininflammable, le CO₂
apaise les préoccupations en matière de sécurité. » 

Cette tendance à l’urbanisation remodèle les décisions relatives au froid industriel dans les deux régions. Les installations à ammoniac sont soumises à des exigences réglementaires et documentaires croissantes, qui compliquent leur exploitation et rendent le profil de sécurité du CO₂ de plus en plus attrayant pour les installations situées dans des zones densément peuplées.

 

Moteur : des compresseurs de plus grande taille 

L’élargissement du marché accessible au CO₂ dépend fortement des évolutions technologiques permettant de surmonter les limites de puissance. Le développement de compresseurs de plus grande taille constitue l’avancée la plus déterminante pour sa viabilité industrielle. Des deux côtés de l’Atlantique, les fabricants investissent massivement dans l’augmentation de la taille des équipements afin de concurrencer la plage de puissance bien établie de l’ammoniac. 

Groenewald souligne que « des compresseurs transcritiques au CO₂ de plus grande taille arrivent sur le marché et ouvrent la voie à des discussions sur les installations au CO₂ de forte puissance ». Il s’agit d’une évolution fondamentale du potentiel industriel du CO₂, comme il le précise : « Les principales innovations concernent les compresseurs et les composants de plus grande taille. » 

La disponibilité de compresseurs de plus grande taille ouvre de nouvelles possibilités. Patenaude met en avant les nouveaux compresseurs monovis subcritiques et transcritiques au CO₂ de Copeland, qui permettent de construire des centrales frigorifiques industrielles au CO₂. « Ces solutions robustes au CO₂ prennent en charge de fortes puissances tout en nécessitant moins de compresseurs, ce qui simplifie considérablement l’utilisation du CO₂ dans le froid industriel. » 

Groenewald note toutefois que les innovations sont restées limitées au-delà du changement d’échelle : « Malheureusement, la technologie est restée globalement la même. Je pense que les États-Unis cherchent surtout à la faire fonctionner et à la maîtriser, plutôt qu’à se concentrer sur de nouvelles technologies. »

 

Moteur : la disponibilité d’équipements modulaires 

Oliver Javerschek, Project Manager chez le fabricant allemand BITZER, apporte le point de vue du marché industriel européen mature du CO₂ et explique les avantages des approches modulaires pour les applications industrielles : « La conception modulaire des systèmes à plusieurs compresseurs peut présenter des avantages dans les applications à l’échelle industrielle. D’une part, il peut être intéressant, dans le concept global, de répartir les différents niveaux de température, tels que la mise en service et le stockage, entre deux systèmes. D’autre part, l’efficacité à charge partielle des systèmes modulaires est élevée, car la régulation de puissance peut être mieux modulée avec plusieurs compresseurs qu’avec un seul grand compresseur. » 

Cette approche répond aux profils de charge spécifiques des installations industrielles. Javerschek explique que « les centres de distribution ou les usines de transformation alimentaire se caractérisent généralement par une charge élevée aux étages moyenne et basse température pendant la manutention des stocks et la production. Le reste du temps, ils nécessitent toutefois un fonctionnement à charge partielle, correspondant seulement à un tiers ou un cinquième de la puissance nominale ». Cette variation de charge rend particulièrement intéressants les systèmes modulaires offrant de meilleures performances à charge partielle. 

Malgré les possibilités d’amélioration de l’efficacité, Javerschek observe toutefois que « l’industrie privilégie les solutions standard, telles que la technologie des systèmes modulaires avec dérivation des gaz flash et évaporation à détente directe. L’amélioration de l’efficacité est obtenue en utilisant des échangeurs de chaleur ou des compresseurs plus efficaces, plutôt que des technologies complexes d’amélioration de l’efficacité qui accroissent les contraintes techniques. »

 

Conclusion : à la croisée des chemins 

Le secteur du froid industriel se trouve à un moment charnière. Si la croissance de 48 % du CO₂ en Europe et sa progression de 74 % en Amérique du Nord témoignent d’une véritable dynamique, ces chiffres masquent une réalité plus nuancée. Dans les applications industrielles, le CO₂ ne remplace pas simplement les fluides frigorigènes synthétiques, il crée de nouveaux segments de marché tout en coexistant avec la domination persistante de l’ammoniac. 

La suite de cette évolution repose sur trois développements essentiels. Premièrement, la poursuite du changement d’échelle des technologies de compression afin d’atteindre les seuils de puissance sur lesquels l’ammoniac règne actuellement. Deuxièmement, le développement complet des compétences de la main-d’œuvre afin de combler le déficit de connaissances, qui demeure le principal obstacle chez les prestataires. Troisièmement, des cadres réglementaires qui tiennent compte de la complexité du froid industriel tout en maintenant la pression en faveur de solutions à plus faible GWP. 

La trajectoire laisse penser que l’adoption industrielle du CO₂
suivra un schéma différent de celui des marchés commerciaux. Plutôt qu’un remplacement généralisé, une croissance segmentée semble probable, le CO₂
captant les applications de moyenne puissance, notamment dans les zones urbaines où l’ammoniac fait l’objet de restrictions, tandis que l’ammoniac conservera sa position dominante dans les grandes installations de transformation. 

Pour les exploitants industriels, la question n’est pas de choisir entre le CO₂ et l’ammoniac, mais plutôt de comprendre dans quels domaines chaque technologie offre des performances optimales au sein d’un environnement de plus en plus réglementé. 

 

En savoir plus sur les tendances du CO₂ dans le froid commercial dans l’UE et aux États-Unis.

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