Le dioxyde de carbone est un gaz liquéfié très répandu dans le secteur industriel. Également appelé CO2 (R744), il présente de nombreux avantages : inodore, non toxique, non polluant, non inflammable et légèrement acide. Par ailleurs, ses propriétés sont modérées avec une température et pression critiques à 31°C et à 73,8 bar puis un point de congélation à -56,6°C.
Ses propriétés le favorisent pour de nombreuses applications industrielles comme l’agroalimentaire, les cosmétiques, les centres logistiques, la sidérurgie, les brasseries ou le refroidissement des data centers.
HERMETIC-Pumpen s’est spécialisé dans le pompage du CO2 depuis de nombreuses années. Le fabricant de pompes étanches est principalement connu et reconnu notamment en France pour ses applications frigorifiques. Le groupe allemand est également présent sur d’autres marchés que nous allons présenter ci-dessous.
LES APPLICATIONS HERMETIC
Réfrigérant CO2 pompé
Ces dernières années, les réglementations européennes « F-Gas » viennent à réguler le secteur de la réfrigération via des normes environnementales plus strictes. F-Gas cherche à limiter les gaz à effet de serre avec l’interdiction d’ici 2030, de gaz fluorés au profit de réfrigérants naturels. Le CO2 est une alternative idéale avec un Potentiel de Réchauffement Global (PRG) de 1, soit le niveau le plus faible. Il est donc le fluide frigorigène naturel le plus respectueux de l’environnement. Par ailleurs, le CO2 a une excellente capacité frigorifique volumétrique permettant une utilisation dans la production de froid industriel et commercial.
HERMETIC est spécialisé dans le pompage de CO2 froid pour des utilisations dans les bases logistiques, grandes surfaces, domaine agro-alimentaire et les installations sportives. Le refroidissement s’effectue par le pompage de CO2 dans des installations en cascade : le dioxyde de carbone est condensé au-dessous de sa pression critique (au 1er étage) et nécessite l’usage de l’ammoniac pompé (au 2ème étage) pour le transfert vers les condenseurs. Les pompes étanches HERMETIC opèrent sur des plages de fonctionnement allant jusqu’à -50°C et 52 bar pour un CO2 pompé en moyenne à -20°C. Le caractère ininflammable couplé avec l’étanchéité parfaite des pompes centrifuges HERMETIC, favorise les applications à risque d’incendie comme les salles de serveur (data centers).
Liquéfaction de CO2
Avec le dérèglement climatique, les normes se durcissent vis-à-vis des tolérances environnementales. De nombreux industriels viennent alors à réguler et baisser leurs émissions de CO2. Une solution est la liquéfaction de CO2 : exemple dans les brasseries ou dans la production de bioéthanol, le processus de fabrication dégage du CO2. Soit il est rejeté dans l’atmosphère, soit il est capté puis liquéfié. Le dioxyde de carbone liquide est vendu ou réutilisé pour d’autres applications. Il peut également être réinjecté dans le même processus de fabrication ou purifié pour le secteur agro-alimentaire ou pharmaceutique.
Les avantages sont nombreux : le CO2 n’est pas rejeté dans l’atmosphère et ainsi limite son impact sur le dérèglement climatique puis il est remis en circulation pour d’autres utilisations.
Captage de CO2
Dans ce même esprit environnemental, des industries lourdes comme la pétrochimie, les centrales thermiques ou encore la sidérurgie, recourent au CSC (Captage et Stockage de CO2) afin de réduire les gaz à effet de serre. Le principe est de capter le CO2 généré par la production et de le réinjecter par pipeline ou canalisation dans des aquifères profonds ou gaziers vides. HERMETIC intervient dans le transport du CO2 à basse température dans ce type d’applications.
LA TECHNOLOGIE A ROTOR NOYE
Malgré tous les avantages du CO2, il demande cependant quelques précautions et des technologies spécifiques pour son pompage :
Le CO2 se trouve en phase liquide à des températures entre -56,6°C et +31°C. Il est généralement pompé à des températures très basses, souvent à ± 20°C. Ces températures négatives engendrent des difficultés pour étancher les pompes avec des méthodes traditionnelles.
Un pompage à des températures entre -5°C et +5°C créé des pressions allant jusqu’à 30 bar. Si on additionne à celle-ci la pression différentielle de la pompe, nous obtenons des pressions de services tout à fait importantes, rendant difficile l’utilisation d’étanchéité par accouplement magnétique. En effet cette technologie étant généralement limité à PN25.
Cette même forte pression et basse température requiert l’utilisation de matériaux spécifiques. La fonte GS ou aussi fonte à graphite sphéroïdal a des caractéristiques semblables à l’acier et maintien des pressions PN40. Pour un pompage de dioxyde de carbone à -50°C, l’inox sera privilégié.
Dans ces applications de pompage CO2, il n’est pas rare que la pression nécessaire à au bon fonctionnement de la pompe (NPSH requit) soit faible. Sur une pompe monocellulaire, un induceur (ou hélice de gavage) peut être installé pour favoriser l’absorption bi-phasique (CO2 liquide et air). Il permet une absorption de 10-15% de gaz contre 3% sans ce dispositif.
Sur une pompe multi-cellulaire, le NPSH requit peut être abaissé : la première roue de la pompe a une géométrie particulière. Elle est appelée roue à bas NPSH et permet d’obtenir des NPSHs requit de ± 30 cm.
HERMETIC préconise ainsi la technologie à rotor noyé, parfaitement adaptée aux caractéristiques et contraintes du CO2 liquide.
LES SYSTEMES DE POMPAGE HERMETIC
Les systèmes standards (disponible sous une semaine)
Les systèmes de pompage sur mesure
Un « fluide supercritique » est une substance dont la température et la pression dépassent simultanément leur point critique. Le CO2 prend ainsi des caractéristiques inhabituelles et devient alors un solvant. La densité, la viscosité et la diffusivité du fluide sont alors intermédiaires entre celles de la phase liquide et celles de la phase gazeuse.
Dans ce cas précis, les caractéristiques du CO2 (viscosité, densité, température), nécessitent des conceptions de pompes spécifiques.
Exemple pompage liquide supercritique avec pompe sur mesure :
Température : -104°C to +80°C
Débit : 25 – 390 m3/h
Hauteur de refoulement : 100 - 2550m
Puissance moteur : 640kWmec / 675A
Vitesse de fonctionnement : 12Hz to 70Hz
ETUDE DE CAS : Complexe sportif néerlandais – piste de bobsleigh
Beaucoup de complexes sportifs comme les pistes de bobsleigh, les patinoires ou encore le ski ou snowboard en salle nécessitent des températures de fonctionnement inférieures à 0°C. Les installations en cascade CO2 /NH3 sont alors souvent mises en place pour assurer ce refroidissement. Cette installation en cascade est également utilisée lors d'événements sportifs majeurs tels que les championnats du monde ou les Jeux Olympiques.
Le cas présent traite d’une piste de bobsleigh se situant aux Pays-Bas, également utilisée pour des compétitions internationales. Une installation en cascade est utilisée pour refroidir la piste grâce au pompage de CO2 et d’ammoniaque dans le circuit de refroidissement. Les puissances frigorifiques nécessaires sont de 800 kW par pompe dans le circuit CO2 et de 2400 kW par pompe dans le circuit NH3. Le complexe sportif n’est pas en utilisation permanente et demande ainsi une anticipation sur des temps d’arrêts plus longs.
Deux pompes à rotor noyé HERMETIC ont été installé dans ce complexe sportif. Dans le circuit CO2 se trouve une pompe CNF 50–200 avec un moteur CKPx12.0, incluant un induceur et un by-pass. Le by-pass assure la protection de la pompe à fonctionnement à débit nul. L'induceur est utilisé pour abaisser la valeur NPSH. Le pilotage via variateur de vitesse permet également l’obtention de trois points de fonctionnement différents.
Le circuit ammoniac opère avec une pompe CNF 40–160 avec moteur AGX4.5 avec induceur. Les deux pompes à rotor noyé installées sont mono-cellulaires, particulièrement adaptées pour des débits élevés et des pressions de refoulement moyennes. Les pompes étanches HERMETIC font preuves d’une grande robustesse et durabilité s’adaptant ainsi parfaitement à cette application (MTBF > 8 à 10 ans).
Débit de refoulement : 36–40 m3 /h par pompe
Hauteur de refoulement : 35 et 50 m
Température de fonctionnement : –13°C
Réfrigérant : CO2
Système : Cascade CO2 / ammoniaque
Article préparé par l'équipe commerciale HERMETIC-Mecaflux
