Les principaux avantages de ce fluide dit « naturel » sont la mise en oeuvre d’importantes puissances frigorifiques pour de relativement faibles puissances de compression installées, un potentiel de déplétion ozonique (ODP) de 0 et un potentiel de réchauffement global (GWP) de 1. Ces très faibles valeurs ODP et GWP pourraient en faire le fluide « idéal » pour de nombreux utilisateurs. Cependant, le R-744 présente des défis technologiques dans sa mise en oeuvre et sa maintenance et ne peut répondre à l’ensemble des applications. Faisons le point sur cette technologie avec Jean-Yves Clairé, Ingénieur Lubrification chez ExxonMobil.
Monsieur Clairé, pouvez-vous nous expliquer les enjeux de la lubrification des compresseurs au CO2 ?
J-Y. C. : Les installations fonctionnant au R-744 présentent 3 importants défis technologiques : les pressions mises en jeu dans les installations fonctionnant à des régimes de CO2 dits sub- et transcritiques, la forte solubilité du CO2 dans les lubrifiants entraînant potentiellement une chute excessive de viscosité et l’effet solvant du CO2 pouvant minimiser l’épaisseur du film lubrifiant sur les pièces en mouvement. Dans les installations dites « miscibles » (installations conçues sur le principe de la parfaite miscibilité entre le fluide frigorigène et le lubrifiant), certaines huiles polyolester (POE) classiques montrent leurs limites dans les conditions d’exploitation du CO2.
Quelles solutions ont été développées par ExxonMobil pour répondre à ces contraintes ?
J-Y. C. : Afin de pleinement répondre aux besoins des utilisateurs, ExxonMobil a développé, pour les circuits au CO2 miscible, une huile polyolester de technologie innovante et avancée démontrant une performance de lubrification accrue. Les caractéristiques et avantages de cette nouvelle technologie de polyolester sont, d’une part, l’excellente fluidité de ce lubrifiant à très basses températures et son potentiel d’amélioration de l’efficacité des évaporateurs. D’autre part, ce lubrifiant permet un excellent contrôle de la viscosité en service pour une protection mécanique optimum du compresseur, un allongement de sa durée de vie et un possible espacement de ses intervalles de maintenance.
Comment avez-vous procédé à la validation de ce nouveau produit ?
J-Y. C. : La validation de la nouvelle technologie de POE développée par ExxonMobil a été réalisée dans un important abattoir de porcs en Bretagne. Son système de réfrigération est constitué d’une boucle CO2 / ammoniac : le circuit ammoniac comporte 2 compresseurs à vis, le circuit CO2 étant composé de 4 compresseurs à pistons. Après avoir fait face à 2 casses successives d’un même compresseur nécessitant à chaque fois son remplacement à neuf par défaut de lubrification avec l’huile précédemment utilisée, et une intervention pour remplacement de pistons et cylindres sur un 2ème compresseur, les 4 compresseurs à piston installés ont été basculés en « Mobil SHC Gargoyle 80 POE » à partir de décembre 2013. Le compresseur produisant les gaz chauds de CO2 destinés au dégivrage journalier des évaporateurs localisés dans les tunnels de surgélation a été le premier à être lubrifié en huile Mobil. Les conditions d’exploitation et donc de lubrification de ce compresseur sont les plus sévères avec des pressions et des températures plus élevées. C’est précisément sur ce compresseur fondamental dans la marche du système de réfrigération de cet abattoir que les casses de compresseurs avaient été constatées.
Quels ont été les résultats de ces tests ?
J-Y. C. : La période d’essai en « Mobil SHC Gargoyle 80 POE » s’est terminée par l’inspection de chacune des pièces lubrifiées du compresseur produisant les gaz chauds lors de sa révision périodique à 5600 heures de fonctionnement. Cette inspection a été réalisée en présence du compressoriste, de la société spécialisée dans la maintenance et l’exploitation d’installations frigorifiques industrielles, du client et des services techniques terrain et relations constructeurs d’ExxonMobil. L’ensemble des participants à cette révision de compresseur a pu constater l’excellent état général du compresseur et de chacune de ses pièces mécaniques lubrifiées et en particulier, le très bon état des pièces relatives au piston n°1, piston subissant les conditions de température et de pression les plus élevées sur ce type de machine. Chacune des pièces était toujours revêtue d’un film de lubrifiant et était de bel aspect contrairement à la présence d’importantes traces d’usure et d’un aspect sec lors de l’utilisation de l’huile précédente et ce, dans les mêmes conditions d’exploitation. A titre d’exemple de la très bonne performance de lubrification sur ce compresseur à piston lubrifié avec « Mobil SHC Gargoyle 80 POE », les teneurs en métaux d’usure en fer et en aluminium étaient respectivement de 13 mg/kg (ppm) et de 3 mg/kg (ppm) après 5600 heures de fonctionnement. Ces très faibles teneurs en métaux d’usure sont particulièrement remarquables pour des compresseurs à pistons.
D’un point de vue économique, quels sont les avantages de ce lubrifiant pour l’exploitant de l’installation ?
J-Y. C. : En raison de la très bonne tenue mécanique des pièces lubrifiées, l’utilisation de « Mobil SHC Gargoyle 80 POE » permet de porter les révisions périodiques à 6000 heures avec un objectif à 8000 heures alors que le constructeur avait recommandé une réduction des révisions à 4500 heures avec l’huile précédente. Cet allongement des intervalles de fonctionnement entre les révisions périodiques permet à cet abattoir de réduire ses coûts de maintenance de 2640 euros par compresseur et par an, soit une réduction de 10560 euros par an pour son parc de compresseurs à pistons fonctionnant au CO2 sur la base d’inspections périodiques toutes les 6000 heures.
En ce qui concerne l’efficacité énergétique du système, ce nouveau produit apporte-il des améliorations ?
J-Y. C. : En effet, outre l’espacement des intervalles de maintenance, il a été
mesuré une réduction de la puissance électrique de 2 à 3 kW sur une moyenne de 100 kW consommés dans des conditions d’exploitation et de charges similaires du compresseur « gaz chauds », clé de cette installation bretonne. Cette économie est valorisable à hauteur de 599 euros par an et par compresseur. L’explication réside dans la réduction du coefficient de traction (qui caractérise le frottement interne des molécules d’huile lors de l’écoulement du lubrifiant sous fortes pressions) de « Mobil SHC Gargoyle 80 POE » par rapport à l’huile précédemment utilisée. Cette économie d’énergie est en relation directe avec cette réduction du coefficient de traction des molécules de technologie POE innovante : réduction des pertes d’énergie internes par frottement au sein du lubrifiant et augmentation du travail mécanique à consommation électrique identique.
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Quelles sont les conclusions de cet essai grandeur nature ?
J-Y. C. : En résumé1, « Mobil SHC Gargoyle 80 POE » permet une diminution des coûts de maintenance grâce à un espacement des visites périodiques des compresseurs et une amélioration de la productivité en raison d’une réduction des coûts énergétiques. En termes de sécurité, on minimise les interventions des opérateurs grâce à l’espacement des inspections périodiques sur les compresseurs. Au niveau environnemental, on constate une réduction des déchets grâce une diminution du nombre de vidanges par l’allongement de la durée de vie des charges de lubrifiant en service. Et enfin au niveau de la productivité, on a un gain de 10560 euros/an sur la base d’inspections périodiques toutes les 6000 heures et une réduction de la puissance consommée.
JEAN-YVES CLAIRÉ, INGÉNIEUR LUBRIFIANT – EXXONMOBIL
1 Ce résumé a été établi sur la base de l’essai terrain réalisé avec « Mobil SHC Gargoyle 80 POE » sur un abattoir opérant 4 compresseurs à pistons fonctionnant au CO2 entre décembre 2013 et avril 2015. Les résultats actuels sont susceptibles de variations en fonction du type d’équipement en service, de son état d’entretien, de ses conditions de fonctionnement, de son environnement et des lubrifiants précédemment utilisés. En cas de doute, consultez le manuel d’entretien fourni par le constructeur.
Ce travail de validation a été reconnu et validé par les responsables de ce site industriel et a fait l’objet d’une Preuve de Performance disponible sur le site www.mobilindustrial.com. Esso SAF, SA au capital de 98.337.521,70 €, RCS Nanterre 542 010 053, 5/6 place de l’Iris 92400 Courbevoie, commercialise notamment la marque Mobil en France – marque déposée appartenant à Exxon Mobil Corporation ou à l’une de ses filiales dont Esso SAF, dont le principe d’indépendance juridique n’est pas ici remis en cause, chacune étant autonome.