Fluides frigorigènes et GWP

Co-intervention Maths-Sciences | Première Bac Pro ICCER | S4.9 + S2.4 — Environnement

Objectifs

Connaître les principaux fluides frigorigènes (R410A, R32, R290, R744)
Comprendre le GWP (Global Warming Potential) et son impact climatique
Calculer l'équivalent CO₂ d'une charge de fluide
Connaître la réglementation F-GAS

Identification de la ressource

Savoir professionnel ICCER : S4.9 + S2.4 — Fluides frigorigènes, environnement
Notions sciences : Effet de serre, GWP, réglementation
Notions mathématiques : Multiplication, comparaisons, conversions (kg → tCO₂eq)
Niveau : Première Bac Pro ICCER

1. Mise en situation professionnelle

Contexte professionnel — Mise en service d'une PAC

Un technicien en énergies renouvelables met en service une pompe à chaleur air-eau chargée en fluide R32. Le client demande : « On m'a dit que les anciens fluides polluaient beaucoup. Le R32, c'est mieux ? »

2. Les fluides frigorigènes

Définition
Un fluide frigorigène est le fluide qui circule dans le circuit frigorifique d'une PAC ou d'un climatiseur. Il change d'état (liquide ↔ gaz) pour transporter la chaleur.

Tableau — Principaux fluides frigorigènes

Fluide	GWP	Inflammabilité	Usage	Statut
R410A	2 088	Non	PAC, clim (ancien)	En cours d'interdiction
R32	675	Légèrement (A2L)	PAC, clim (actuel)	Transition
R290 (propane)	3	Oui (A3)	PAC récentes	Avenir
R744 (CO₂)	1	Non	ECS, froid commercial	Avenir

3. GWP et équivalent CO₂

Définition — GWP
Le GWP (Global Warming Potential = Potentiel de Réchauffement Global) compare l'effet de serre d'un gaz à celui du CO₂ sur 100 ans :

GWP du CO₂ = 1 (référence)
GWP du R410A = 2 088 → 1 kg de R410A = 2 088 kg de CO₂ !

Formule — Équivalent CO₂
\[ m_{\text{CO}_2\text{eq}} = m_{\text{fluide}} \times \text{GWP} \]

\(m_{\text{CO}_2\text{eq}}\) en kg de CO₂ équivalent
\(m_{\text{fluide}}\) : masse de fluide frigorigène en kg

En tonnes : diviser par 1 000.

Exemple
PAC chargée avec 3 kg de R410A :
\(m_{\text{CO}_2\text{eq}} = 3 \times 2\,088 = 6\,264\) kg = 6,3 tonnes de CO₂ équivalent

Avec R32 : \(3 \times 675 = 2\,025\) kg = 2,0 t → 3 fois moins polluant.

4. Réglementation F-GAS

Règlement européen F-GAS
La réglementation F-GAS impose une réduction progressive des fluides à fort GWP :

Interdiction des fluides GWP > 750 dans les clim split neuves (2025)
Objectif : −80 % d'émissions de fluides frigorigènes d'ici 2030
Contrôle d'étanchéité obligatoire pour les installations > 5 tCO₂eq

Obligation de contrôle d'étanchéité
Si la charge en équivalent CO₂ ≥ 5 tonnes : contrôle annuel obligatoire.
Si ≥ 50 tonnes : contrôle semestriel. Si ≥ 500 tonnes : contrôle trimestriel + détecteur de fuite permanent.

À retenir

GWP = pouvoir de réchauffement par rapport au CO₂
\(m_{\text{CO}_2\text{eq}} = m_{\text{fluide}} \times \text{GWP}\)
R410A (GWP 2 088) → R32 (675) → R290 (3) : évolution vers des fluides moins polluants
F-GAS : contrôle d'étanchéité obligatoire si ≥ 5 tCO₂eq

Exercices

Exercice 1Équivalent CO₂ (guidé)Socle

Calculer l'équivalent CO₂ :
a) 2 kg de R410A (GWP 2 088) = … kg CO₂eq
b) 2 kg de R32 (GWP 675) = … kg CO₂eq
c) 2 kg de R290 (GWP 3) = … kg CO₂eq

Correction :
a) 2 × 2 088 = 4 176 kg = 4,2 t
b) 2 × 675 = 1 350 kg = 1,35 t
c) 2 × 3 = 6 kg = 0,006 t

Exercice 2Classer les fluides (guidé)Socle

Classer du moins polluant au plus polluant : R410A, R32, R290, R744.

Correction : R744 (1) < R290 (3) < R32 (675) < R410A (2 088)

Exercice 3Contrôle d'étanchéité obligatoire ? (guidé)Socle

PAC avec 4 kg de R32 (GWP 675).
1. Calculer l'équivalent CO₂ en tonnes. 2. Le contrôle annuel est-il obligatoire (≥ 5 t) ?

Correction :
1. 4 × 675 = 2 700 kg = 2,7 t
2. 2,7 < 5 → non obligatoire

Exercice 4Comparer R410A et R32 (guidé)Socle

Même PAC, charge 3 kg. Calculer le ratio des équivalents CO₂ :
R410A : … t. R32 : … t. Le R410A est combien de fois plus polluant ?

Correction :
R410A : 3 × 2 088 = 6 264 kg = 6,3 t. R32 : 3 × 675 = 2 025 kg = 2,0 t.
Ratio : 6,3 / 2,0 = 3,1 fois plus polluant.

Exercice 5Charge maximale autoriséeStandard

La norme EN 378 limite la charge de R290 (propane, inflammable) dans un local à 0,15 kg/m³ de volume de pièce.

1. Charge max pour un local de 25 m³.
2. Équivalent CO₂ de cette charge.
3. Contrôle d'étanchéité obligatoire ?

Correction :
1. 25 × 0,15 = 3,75 kg
2. 3,75 × 3 = 11,25 kg = 0,011 t
3. 0,011 << 5 t → non, pas de contrôle obligatoire. C'est l'avantage des fluides à faible GWP.

Exercice 6Impact d'une fuiteStandard

Une climatisation au R410A (charge 5 kg) a un taux de fuite de 5 % par an (mauvaise étanchéité).

1. Masse de fluide perdu par an.
2. Équivalent CO₂ de la fuite annuelle.
3. Sur 10 ans, combien de tonnes de CO₂eq sont émises par les fuites ?
4. Comparer avec les émissions annuelles d'une voiture (2 t CO₂/an).

Correction :
1. 5 × 0,05 = 0,25 kg/an
2. 0,25 × 2 088 = 522 kg = 0,52 t CO₂eq
3. 0,52 × 10 = 5,2 t
4. 0,52 t/an = 26 % des émissions d'une voiture. Une simple fuite de climatisation a un impact climatique significatif !

Exercice 7F-GAS — échéancierStandard

La réglementation F-GAS prévoit l'interdiction progressive :
• 2025 : interdiction GWP > 750 dans les clim split neuves
• 2027 : interdiction GWP > 150 dans certains équipements

1. Le R410A (GWP 2 088) pourra-t-il être utilisé dans un split neuf en 2025 ?
2. Le R32 (GWP 675) ?
3. Quel fluide sera conforme en 2027 (GWP < 150) ?

Correction :
1. R410A : 2 088 > 750 → interdit
2. R32 : 675 < 750 → autorisé en 2025
3. R290 (GWP 3) et R744 (GWP 1) sont conformes. Le R32 (675 > 150) sera lui aussi concerné à terme.

Exercice 8TEWI — impact total d'une PACApprofondissement

Le TEWI (Total Equivalent Warming Impact) est l'impact climatique total d'un équipement = émissions directes (fuites) + indirectes (électricité).

PAC air-eau, durée de vie 15 ans. R32, charge 3 kg, fuite 3 %/an. Consommation électrique 5 000 kWh/an. Facteur émission élec = 0,052 kg CO₂/kWh.

1. Émissions directes (fuites) sur 15 ans.
2. Émissions indirectes (électricité) sur 15 ans.
3. TEWI total. Quel poste domine ?

Correction :
1. Fuite/an = 3 × 0,03 = 0,09 kg × 675 = 60,75 kg CO₂eq. Sur 15 ans : 60,75 × 15 = 911 kg
2. Élec/an = 5 000 × 0,052 = 260 kg. Sur 15 ans : 260 × 15 = 3 900 kg
3. TEWI = 911 + 3 900 = 4 811 kg = 4,8 t. L'électricité domine (81 %). Les fuites ne représentent que 19 %. Avec un fluide R290 (GWP 3), les émissions directes seraient de seulement 12 kg sur 15 ans.

Exercice 9Comparer 3 générations de PACApprofondissement

Trois PAC de même puissance (12 kW), charge 3 kg, durée 15 ans, fuite 3 %/an :
• Génération 1 : R410A (GWP 2 088), COP 3,0
• Génération 2 : R32 (GWP 675), COP 3,5
• Génération 3 : R290 (GWP 3), COP 3,8

Besoins : 15 000 kWh/an. Élec : 0,052 kg CO₂/kWh.

Calculer le TEWI de chaque génération sur 15 ans.

Correction :
G1 : Fuite = 3×0,03×2088×15 = 2 819 kg. Élec = (15000/3)×0,052×15 = 3 900 kg. TEWI = 6 719 kg
G2 : Fuite = 3×0,03×675×15 = 911 kg. Élec = (15000/3,5)×0,052×15 = 3 343 kg. TEWI = 4 254 kg
G3 : Fuite = 3×0,03×3×15 = 4 kg. Élec = (15000/3,8)×0,052×15 = 3 079 kg. TEWI = 3 083 kg

La G3 (R290) émet 54 % de moins que la G1 (R410A). La progression vient à la fois du fluide ET de l'amélioration du COP.

Exercice 10Argumentaire — convaincre un clientApprofondissement

Rédiger un argumentaire (5–8 lignes) pour convaincre un client de choisir une PAC au R290 plutôt qu'au R410A. Inclure au moins deux données chiffrées et les notions de GWP et F-GAS.

Exemple :
« La PAC au propane (R290) utilise un fluide dont le GWP est de seulement 3, contre 2 088 pour le R410A — soit 700 fois moins d'impact sur le climat en cas de fuite. Avec 3 kg de charge, l'équivalent CO₂ est de 9 kg pour le R290 contre 6,3 tonnes pour le R410A. De plus, la réglementation F-GAS interdit déjà le R410A dans les installations neuves. En choisissant le R290, vous êtes conforme pour les 20 prochaines années, sans risque d'obsolescence réglementaire. Le COP amélioré (3,8 vs 3,0) réduit aussi votre facture d'électricité de 20 %. »

1. Mise en situation professionnelle

2. Les fluides frigorigènes

3. GWP et équivalent CO2

4. Réglementation F-GAS

Exercices

3. GWP et équivalent CO₂