En transcritique, une centrale CO2 perd une bonne partie de son énergie dans la détente du gaz HP. Bouteille flash-gas, booster, compression parallèle puis éjecteurs : chaque évolution récupère un peu de ce travail perdu. Tour d’horizon à partir des systèmes étudiés au lycée et des installations de terrain.
1. Le point de départ : simple étage avec bouteille flash-gas
Prenons une chambre froide à 0 °C par 35 °C extérieur. Le CO2 ne peut pas se condenser : on travaille vers 90 bar dans le gas cooler, avec une sortie vers 40 °C. La détente se fait dans une bouteille flash-gas maintenue à une pression équivalente à 0 °C, supérieure à celle de l’évaporateur. Le liquide alimente l’évaporateur par différence de pression.
Une vanne flash-gas à pression constante s’ouvre dès que la bouteille dépasse sa consigne. Elle dégaze vers le collecteur d’aspiration. C’est simple, mais côté bilan, c’est cher :
| Pour 7 kW de froid utile (0 °C / 35 °C ext.) | Valeur |
|---|---|
| Débit dans l’évaporateur | 0,03 kg/s |
| Débit aspiré par le compresseur | 0,08 kg/s |
| Rendement indiqué retenu (donnée constructeur) | 0,62 |
| Volume balayé nécessaire | 4,56 m³/h |
| COP net calculé | environ 1 |
Le débit qui repasse par la vanne flash-gas, inutile à la production de froid, dépasse celui de l’évaporateur. Par 20 °C extérieur, le même besoin ne demande plus que 2,55 m³/h : le compresseur doit donc avoir une variation de vitesse ou une réduction de puissance. (vidéo, 0:32 et 2:47)
À retenir. Le COP annoncé par un constructeur se calcule souvent sur la puissance frigorifique brute. Calculé sur la puissance nette à l’évaporateur, le même système donne environ 1 au lieu de 1,24. Avant de comparer deux offres, vérifiez toujours la définition utilisée et le rendement indiqué retenu.
2. Le booster : basse et moyenne température sur un même groupe
Le groupe ADVANSOR du lycée de Fontaine (environ 8 kW en BT à −35 °C / +32 °C) montre l’architecture booster (présentation) :
- le compresseur BP aspire les vapeurs de l’évaporateur négatif et refoule dans le collecteur d’aspiration du compresseur HP ;
- la vanne flash-gas y détend aussi les vapeurs de la bouteille, maintenue vers 28 bar relatifs ;
- un échangeur désurchauffeur refroidit ce mélange avant le compresseur HP. Il limite la température de refoulement sans détendeur d’injection ;
- un échangeur dans la bouteille condense une partie du flash-gas pour produire plus de liquide ;
- une électrovanne de by-pass refoulement HP → aspiration BP sert au démarrage.
Côté calcul (vidéo) : les deux compresseurs ont la même cylindrée (9,45 cm³). Pour 7 kW à −31 °C, le BP tourne à 94 tr/s pour 0,025 kg/s. Avec 0,02 kg/s de flash-gas, le HP doit passer 0,045 kg/s, soit 3,4 m³/h et 100 tr/s. Deux machines identiques se justifient donc.
Le système Epta 2 étages du lycée reprend ce principe : vitrine positive à −10 °C, négative à −30 °C, bouteille vers 0 °C. Il bascule en subcritique dès que l’atelier descend sous 25 °C. Une injection liquide protège le refoulement HP quand seule la vitrine négative demande du froid. (vidéo)
3. La compression parallèle : ne plus laminer le flash-gas
Détendre le flash-gas de la pression bouteille vers l’aspiration, puis le recomprimer, c’est détruire du travail. La compression parallèle ajoute un compresseur qui aspire directement dans la bouteille et refoule vers le gas cooler. Les compresseurs MT ne traitent plus que les vapeurs des postes. (vidéo)
Sur une comparaison Danfoss présentée dans la vidéo, le COP passe d’environ 1,8 à 2,1 avec un compresseur parallèle (valeurs à vérifier sur le document source, 4:39).
4. Les éjecteurs : récupérer l’énergie de détente
Un éjecteur utilise le débit HP sortant du gas cooler (vers 90 bar) comme débit moteur. Il crée une dépression qui aspire les vapeurs des postes positifs, puis recomprime le mélange jusqu’à la pression de la bouteille. Une partie du travail des compresseurs est ainsi fournie gratuitement. (vidéo)
Le calcul tient en deux grandeurs (démonstration complète) :
- le taux d’entraînement TX = débit aspiré / débit moteur ;
- le bilan sur l’éjecteur, qui donne l’enthalpie de sortie.
h6 = (h5 + TX × h12) / (1 + TX)
Exemple calculé sous Coolselector et vérifié à la main : 100 kW en froid positif, HP 90 bar, sortie gas cooler 35 °C, bouteille à 0 °C.
| Grandeur | Coolselector | Calcul manuel |
|---|---|---|
| Taux d’entraînement | 0,49 | donnée d’entrée |
| Enthalpie sortie éjecteur | 346,1 kJ/kg | 346 kJ/kg |
| Débit évaporateur | 1 488 kg/h | 1 488 kg/h |
| Débit compresseur parallèle | 2 566 kg/h | 2 563 kg/h |
| Débit moteur (HP) | 2 718 kg/h | 2 718 kg/h |
Erreurs fréquentes. Penser que l’éjecteur travaille toute l’année. Quand la HP baisse (exemple de la vidéo : vers 56 bar avec 18 °C en sortie de gas cooler), le taux d’entraînement chute à 0,09. L’éjecteur ne fait presque plus que détendeur, et les compresseurs reprennent tout. Sans réduction de puissance (variation de vitesse, compresseurs en parallèle), l’installation fonctionnera mal. (9:02)
Les systèmes les plus poussés associent éjecteurs vapeur et éjecteurs liquide, comme le système ENEX étudié en trois vidéos. Les évaporateurs positifs sont suralimentés : ils sortent avec un titre de 0,8 à 0,9. Le liquide non évaporé est séparé, puis renvoyé dans la bouteille par l’éjecteur liquide. (vidéo 1, vidéo 2, vidéo 3) La patinoire de Caen fonctionne aussi avec un système transcritique à éjecteur Carrier, avec récupération de chaleur. (vidéo)
5. Sur le terrain : une pression de bouteille qui bouge
Sur le groupe Danfoss Optyma iCO2, la pression de bouteille n’est pas fixe. Elle suit la saison (2:13) :
- en été : pression d’aspiration + 30 bar au maximum, sans dépasser 65 bar absolus ;
- en hiver : pression d’aspiration + 3 bar au minimum.
Le détendeur doit donc alimenter correctement l’évaporateur avec un ΔP qui varie de 3 à 30 bar. Le constructeur annonce un COP saisonnier de 3,2, une valeur plus parlante qu’un COP instantané pour un groupe qui passe souvent en subcritique.
À retenir
- En transcritique, le flash-gas pèse lourd : il peut représenter plus de débit que l’évaporateur.
- Compression parallèle et éjecteurs récupèrent ce travail, mais seulement quand la HP est haute.
- Sans variation de vitesse ou fractionnement de puissance, une centrale CO2 ne suit pas les saisons.
- Comparez des COP calculés de la même façon : nets ou bruts, instantanés ou saisonniers.
Pour aller plus loin : toute la rubrique « CO2 transcritique » du plan ci-dessus (24 vidéos).