Repenser l’air conditionné à l’heure du changement climatique

Cet article a été publié initialement sur le site de la revue Knowable Magazine from Annual Reviews et traduit avec leur aimable autorisation.

Il y a plus de 30 ans, les 198 pays du monde se sont mis d'accord sur quelque chose, pour la première et unique fois, lors d'une journée monumentale pour le mouvement environnemental. Ils ont signé le protocole de Montréal, s'engageant à éliminer progressivement une liste de produits chimiques qui endommagent la couche d'ozone de la Terre. Les principaux d'entre eux étaient les chlorofluorocarbones (CFC) et les hydrochlorofluorocarbones utilisés par l'industrie du froid et de la réfrigération. Des solutions de remplacement, telles que les hydrofluorocarbures (HFC), ont rapidement été trouvées.

Mais ces dernières années, les scientifiques se sont rendu compte que le protocole de Montréal de 1987 avait peut-être échangé un problème immédiat contre un problème à long terme. Bien que les HFC ne causent pas les mêmes dommages à la couche d'ozone que les CFC, ces produits chimiques ont un potentiel de réchauffement des centaines, voire des milliers de fois supérieur à celui du CO2, ce qui rend leur utilisation croissante dans le monde préoccupante.

La révolution industrielle du 20e siècle a entraîné un essor considérable de l'industrie de la climatisation et de la réfrigération en Europe et en Amérique du Nord. Aujourd'hui, alors que les pays en développement stimulent leur économie, des pays comme la Chine, l'Inde et le Nigeria voient la demande de ces appareils monter en flèche.

Selon un rapport publié en 2020 par le Programme des Nations unies pour l'environnement, environ 3,6 milliards d'appareils de réfrigération - destinés à refroidir les bâtiments et à réfrigérer les aliments et d'autres produits tels que les médicaments - sont utilisés aujourd'hui ; ce chiffre devrait passer à 9,5 milliards d'ici 2050. Qui plus est, ce chiffre atteindrait le chiffre stupéfiant de 14 milliards si toutes les personnes ayant besoin de services de réfrigération pouvaient les acquérir, selon une estimation.

Knowable Magazine s'est entretenu avec Shelie Miller, ingénieur en environnement à la School for Environment and Sustainability de l'université du Michigan. Mme Miller est coauteur d'un article paru dans la 2021 Annual Review of Environment and Resources, qui examine la demande mondiale croissante de refroidissement et de réfrigération, ses effets sur les émissions de gaz à effet de serre et les solutions possibles. Cette conversation a été modifiée pour des raisons de longueur et de clarté.

Ce sujet peut sembler étrange pour beaucoup de gens. Pourquoi devrions-nous nous préoccuper du secteur du refroidissement et de la réfrigération ?

Lorsque les gens pensent aux impacts environnementaux auxquels il faut s'attaquer, il est très rare qu'ils pensent aux services de refroidissement. Il s'agit pourtant d'une question extrêmement importante qui n'est pas vraiment prise en compte. La notion de "service de refroidissement" est une catégorie très large qui fait référence aux environnements à température contrôlée. Et elle recoupe les secteurs du bâtiment, du transport et de l'alimentation. Elle a un impact considérable si l'on considère la consommation globale d'énergie et les émissions de gaz à effet de serre.

Et ce secteur est appelé à connaître une croissance exponentielle dans les pays en développement. Il est donc important que nous prenions conscience de l'impact global de ce secteur.

Comment l'industrie du froid et de la réfrigération affecte-t-elle l'environnement ?

Le refroidissement d'un environnement, qu'il s'agisse d'un réfrigérateur domestique ou d'un climatiseur, nécessite une énorme quantité d'énergie. Nos réseaux électriques étant fortement tributaires des combustibles fossiles, toute utilisation d'énergie destinée à réduire la température entraîne également l'émission de gaz à effet de serre. Ainsi, une grande partie de l'impact environnemental est simplement la consommation d'une quantité incroyable d'énergie, largement basée sur les combustibles fossiles.

De plus, lorsque nous parlons de la technologie de refroidissement des espaces, elle nécessite ce que l'on appelle des réfrigérants. Les réfrigérants sont des produits chimiques utilisés pour réduire les températures et les réfrigérants classiques ont souvent un fort potentiel de réchauffement planétaire.

Ainsi, même si nous utilisons une quantité relativement faible de réfrigérants, l'impact des réfrigérants lorsqu'ils s'échappent dans l'atmosphère finit par avoir un impact majeur sur le climat.

Nous utilisions autrefois des réfrigérants tels que les CFC, qui avaient un effet dévastateur sur la couche d'ozone. Nous les avons donc interdits et avons introduit de nouveaux produits chimiques. Avons-nous seulement échangé des problèmes ici ?

L'une des grandes réussites environnementales est l'interdiction de certains produits chimiques qui appauvrissent la couche d'ozone. Comme vous l'avez mentionné, l'une des principales conventions environnementales, le protocole de Montréal, a interdit l'utilisation de produits chimiques appauvrissant la couche d'ozone dans l'industrie des réfrigérants. Pour les remplacer, nous avons créé les hydrofluorocarbones, ou HFC. Ces produits ont permis de réduire efficacement l'appauvrissement de la couche d'ozone, mais au prix d'un réchauffement.

Nous avons donc échangé le potentiel d'appauvrissement de la couche d'ozone contre des émissions élevées de gaz à effet de serre. Dans un autre accord international appelé "amendement de Kigali", les nations tentent de s'attaquer aux problèmes liés aux émissions de gaz à effet de serre des réfrigérants. Nous essayons donc maintenant d'avoir des réfrigérants alternatifs qui ont également un potentiel de réchauffement global plus faible.

Des conteneurs d'expédition au stockage des aliments à domicile en passant par les bâtiments et les bus réfrigérés, la réfrigération et la climatisation sont présentes dans de nombreux environnements domestiques et commerciaux. Leur utilisation dans tant d'aspects de la vie moderne peut expliquer en partie pourquoi elles peuvent être négligées dans les discussions sur le changement climatique, explique l'ingénieur en environnement Shelie Miller.

CRÉDIT : PROGRAMME DES NATIONS UNIES POUR L'ENVIRONNEMENT ET AGENCE INTERNATIONALE DE L'ÉNERGIE (2020). RAPPORT DE SYNTHÈSE SUR LES ÉMISSIONS ET LES POLITIQUES DE REFROIDISSEMENT. UNEP, NAIROBI ET IEA, PARIS.

De quel type de réfrigérants alternatifs parlons-nous ? Pouvez-vous me donner quelques exemples ?

Certains d'entre eux peuvent simplement être des choses comme le dioxyde de carbone, en fait, qui peut être utilisé comme réfrigérant alternatif en utilisant les propriétés thermodynamiques des gaz et les méthodes communes aux technologies des pompes à chaleur. Les systèmes de refroidissement basés sur le CO2 utilisent du CO2 hautement comprimé et manipulent ensuite la pression du gaz. Lorsque le gaz se dilate en raison de la réduction de la pression, il absorbe de la chaleur. Contrairement à de nombreux réfrigérants courants dont le potentiel de gaz à effet de serre peut être supérieur de plusieurs ordres de grandeur à celui du CO2, tout CO2 qui s'échappe de ces systèmes de refroidissement a un potentiel de réchauffement minime.

Envisage-t-on d'industrialiser le processus d'utilisation de réfrigérants alternatifs ? Existe-t-il des procédés déjà sur le marché ? Ou est-ce seulement en phase de développement ?

Je pense qu'il existe un intérêt majeur pour certains de ces nouveaux réfrigérants alternatifs. Et ils peuvent être très efficaces. Je pense qu'il y a un défi, cependant, dans la mesure où beaucoup de nos équipements installés contiennent ces HFC historiques. Ainsi, même si nous disposons de réfrigérants alternatifs pour les équipements nouvellement installés, nous avons toujours ce stock global de réfrigérants dans nos bâtiments, nos climatiseurs et nos réfrigérateurs, qui constitue une menace de réchauffement majeur, en particulier lorsque les appareils sont en fin de vie.

Pourquoi vous intéressez-vous tant à la croissance de ce secteur pour les pays en développement ? Dans quelle mesure l'industrie de la réfrigération devrait-elle se développer dans ces régions du monde ?

L'une des principales raisons de s'intéresser aux services de refroidissement, en tant qu'industrie, est l'énorme croissance attendue, non pas dans un seul secteur, mais dans deux secteurs majeurs. Le premier est le refroidissement des bâtiments, qui comprend la climatisation des espaces. Le second est la réfrigération des produits, qui consiste à maintenir des produits tels que la viande, les légumes et les vaccins au frais et en sécurité tout au long de leur chaîne d'approvisionnement.

Ces deux services connaissent actuellement, ou devraient connaître, une croissance rapide dans les pays en développement au cours des prochaines décennies. Si nous ne nous occupons pas des services de refroidissement en tant qu'industrie et ne réduisons pas les impacts environnementaux globaux, nous assisterons à une croissance considérable de l'impact environnemental.

Lorsque vous regardez des choses comme la climatisation domestique, dans la plupart des pays en développement, ils n'ont pas un large accès. Mais nous sommes confrontés à un climat qui se réchauffe de plus en plus, de sorte que la demande de services de refroidissement, en particulier dans les bâtiments, va être essentielle pour la santé et la sécurité.

Les gens deviennent plus riches et paient pour des services de refroidissement. Les types de climatisation les plus efficaces sont les systèmes centralisés qui chauffent des bâtiments et des résidences entiers. Malheureusement, ces systèmes sont souvent proposés à un prix qui dépasse la capacité de paiement du consommateur et qui nécessite une modernisation massive des bâtiments existants. C'est pourquoi nous verrons de nombreux climatiseurs individuels installés dans les grandes villes des pays en développement.

La demande de climsateurs et d'air conditionné - et l'énergie nécessaire à leur fonctionnement - devrait augmenter fortement au cours des prochaines décennies, car la population s'accroît et se rassemble de plus en plus dans les villes, le monde devient plus chaud et davantage de personnes ont de l'argent pour acheter cette technologie. (GW = gigawatt. Un gigawatt = 1 milliard de watts.) Ces projections correspondent à un scénario "de base", c'est-à-dire un scénario qui suppose les activités et les plans actuels de lutte contre le réchauffement climatique et non des mesures plus agressives.

CRÉDIT : PROGRAMME DES NATIONS UNIES POUR L'ENVIRONNEMENT ET AGENCE INTERNATIONALE DE L'ÉNERGIE (2020). RAPPORT DE SYNTHÈSE SUR LES ÉMISSIONS ET LES POLITIQUES DE REFROIDISSEMENT. UNEP, NAIROBI ET IEA, PARIS.

Outre les impacts du réchauffement, y a-t-il d'autres types d'impacts environnementaux dont nous devrions nous inquiéter ?

Les plus importants ont tendance à être associés au potentiel de réchauffement de la planète. Mais tout ce qui nécessite de l'énergie a tous les impacts associés au secteur de l'électricité. Si vous parlez de réseaux électriques qui reposent en grande partie sur le charbon, vous avez beaucoup d'émissions localisées liées à la qualité de l'air ; vous avez des émissions minières associées à l'extraction du charbon ; et toute une série de toxines et d'autres problèmes de qualité de l'air associés à la combustion du charbon.

À quel point pensez-vous que ce problème est grave ? Dans quelle mesure le secteur de la réfrigération et de la climatisation tend-il à nuire à l'environnement ?

Cela nous ramène à cette idée : Le refroidissement des espaces nécessite une énorme quantité d'énergie. Même les climatiseurs et les réfrigérateurs très efficaces ont besoin de beaucoup d'énergie pour fonctionner. Si nous ne disposons pas d'un réseau énergétique propre, l'expansion des services de refroidissement aura toujours des répercussions sur l'environnement.

Cela dit, même si le réseau électrique était parfaitement propre, les émissions de réfrigérants liées à la climatisation ne disparaîtraient pas. On n'efface donc jamais le potentiel de réchauffement de la planète, du moins avec le parc existant, mais on peut certainement le réduire en diminuant les émissions du réseau.

Quel type d'interventions pouvons-nous appliquer à ce système existant ?

Je les vois toujours en deux catégories. L'une a un impact direct sur la technologie, et l'autre un impact indirect sur la technologie.

En ce qui concerne les interventions directes, nous pouvons proposer des réfrigérants de substitution pour remplacer les réfrigérants à fort potentiel de réchauffement planétaire. Nous pouvons également trouver des moyens de réduire les besoins énergétiques globaux liés à la fourniture de services de refroidissement. Cela peut se faire en fabriquant des équipements plus efficaces sur le plan énergétique ou en changeant les comportements des consommateurs, comme le fait d'avoir un environnement légèrement plus chaud dans les bureaux et les espaces résidentiels.

Pour les interventions indirectes, nous devons penser plus largement à l'environnement bâti afin de réduire le besoin de technologie de climatisation. Cela prend souvent la forme d'une meilleure conception des bâtiments et d'une réduction des effets d'îlot de chaleur urbain. Cela peut également aller de pair avec la variation des charges de climatisation et de réfrigération en fonction du moment de la journée et des besoins réels. Il existe de nombreuses façons de rendre la climatisation et la réfrigération plus intelligentes, non seulement au niveau des technologies elles-mêmes, mais aussi au niveau de la gestion de l'utilisation de l'énergie.

Existe-t-il des systèmes, des industries ou des entreprises qui utilisent déjà ce type de techniques innovantes ? Pouvez-vous me donner des exemples ?

En termes d'interventions directes, il y a beaucoup d'activités qui sont incroyablement prometteuses. Encore une fois, nous avons l'amendement de Kigali au Protocole de Montréal qui tente d'éliminer progressivement les réfrigérants à fort potentiel de réchauffement planétaire au profit de réfrigérants à faible potentiel de réchauffement planétaire. Cela va prendre un certain temps, mais nous allons mettre ces nouveaux réfrigérants sur le marché.

Le deuxième point important concerne les appareils à haut rendement énergétique. Selon les pays, il existe des labels de fabrication et des certifications pour les climatiseurs individuels ou les réfrigérateurs domestiques qui ont un indice d'efficacité énergétique. Aux États-Unis, il s'agit d'Energy Star. En Europe et en Asie, il existe toute une série de certifications et de labels pour montrer aux consommateurs que ces appareils consomment moins d'énergie.

Et puis l'autre chose est l'intervention intelligente, comme l'utilisation de thermostats intelligents dans les maisons et les bureaux qui ajustent la climatisation en fonction de l'heure de la journée et du moment où les gens occupent les espaces.

On pourrait économiser beaucoup d'énergie, et réduire les émissions de gaz à effet de serre associées, si les gens achetaient des unités de climatisation plus efficaces pour leurs maisons.

CRÉDIT : PROGRAMME DES NATIONS UNIES POUR L'ENVIRONNEMENT ET AGENCE INTERNATIONALE DE L'ÉNERGIE (2020). RAPPORT DE SYNTHÈSE SUR LES ÉMISSIONS ET LES POLITIQUES EN MATIÈRE DE REFROIDISSEMENT. UNEP, NAIROBI ET IEA, PARIS.

Pensez-vous que les gouvernements ou d'autres secteurs mettent l'accent sur cette industrie ? Ces questions sont-elles abordées lors des grandes conférences sur le climat, comme la Conférence des Parties ?

Les services de refroidissement en tant qu'industrie sont souvent négligés. Les services de refroidissement couvrent différents secteurs, ce qui fait que nous sommes un peu aveugles à ce sujet. Et ils se perdent souvent dans la conversation générale. Je n'ai pas vu beaucoup d'attention portée à cette industrie lors de ces réunions.

Notre groupe essaie vraiment de souligner l'importance des services de refroidissement en tant qu'industrie.

Hmm... Je suis d'accord, car je me rends compte que lorsque l'on parle du réchauffement climatique, les impacts des transports ou des usines de fabrication reviennent presque tout le temps, mais je pense que nous avons du mal à considérer l'industrie du refroidissement comme une entité distincte. Vous avez également mentionné que la réduction des déchets alimentaires peut réduire la demande de services de réfrigération. Pouvez-vous nous en dire un peu plus à ce sujet ?

Souvent, lorsque nous essayons de penser à la réduction des impacts environnementaux de la technologie, nous avons tendance à nous concentrer sur la technologie elle-même, mais ce n'est pas toujours l'intervention la plus efficace. Il faut souvent prendre du recul et se demander pourquoi nous utilisons ce service en premier lieu. Et cela nous amène à réfléchir aux secteurs que les services de refroidissement soutiennent.

L'alimentation, en tant que secteur, a un impact incroyable sur l'environnement. La chaîne du froid - c'est-à-dire la réfrigération tout au long de la chaîne d'approvisionnement alimentaire - est importante pour conserver la fraîcheur et la sécurité des aliments. Mais au niveau mondial, nous gaspillons environ 40 % de la nourriture produite. Dans les pays en développement, une grande partie du gaspillage alimentaire se produit tout au long de la chaîne d'approvisionnement avant d'atteindre le consommateur, en grande partie à cause du manque de services de réfrigération.

Chaque fois que vous réduisez le gaspillage alimentaire, vous économisez de l'énergie puisqu'il n'est plus nécessaire de refroidir des aliments qui ne seront jamais consommés. Ainsi, bien qu'il ne s'agisse pas d'une intervention à laquelle beaucoup de gens pensent normalement, en réduisant le gaspillage alimentaire, nous réduisons le besoin de services de refroidissement supplémentaires. Et en réduisant le gaspillage alimentaire, on réduit tous les impacts environnementaux de l'agriculture ainsi que les services associés à l'ensemble de la chaîne d'approvisionnement alimentaire.

Existe-t-il des start-ups ou des entreprises prometteuses qui travaillent déjà à la création d'un système de réfrigération écologique ou d'un système de réfrigération intelligent ?

Il est certain que certaines des principales entreprises de réfrigération réfléchissent à de nouveaux modèles. Il y a des choses comme le refroidissement au niveau du quartier, dans lequel plutôt que d'avoir beaucoup de climatiseurs dans les pièces, ce nouveau système essaie d'avoir un système centralisé efficace qui ne refroidit pas seulement une seule résidence mais beaucoup de maisons.

Les revêtements alimentaires qui améliorent la durée de conservation et réduisent le besoin de réfrigération de certains aliments, ainsi que l'amélioration de l'intelligence artificielle dans les systèmes de détection pour la climatisation et la réfrigération, sont quelques-uns des aspects importants dans ce domaine où nous observons une activité parmi les start-ups. Plutôt que d'activer le climatiseur à une certaine heure et à une certaine température, les capteurs peuvent ajuster automatiquement la température en fonction du nombre de personnes présentes dans un espace. Ainsi, vous ne refroidissez pas des espaces qui ne sont pas occupés. Nous pouvons utiliser de meilleures technologies de détection sur les produits pour des questions de sécurité et de sûreté alimentaires, et pour nous assurer que divers produits maintiennent des températures spécifiques.

Magnifique. Et comment les scientifiques et les chercheurs peuvent-ils contribuer davantage à la résolution des problèmes liés à cette industrie ?

Il y a beaucoup de choses à faire du point de vue de l'industrie et des politiques, mais les ménages et les individus peuvent avoir l'impression qu'ils ne peuvent pas vraiment faire grand-chose. Je pense donc qu'il est très important d'essayer de trouver des choses que les ménages peuvent faire pour avoir un impact et avoir le sentiment de contribuer à la résolution d'un problème. Promouvoir des choses comme les appareils à faible consommation d'énergie, envisager des choses comme la réduction des déchets alimentaires ménagers comme un moyen de réduire l'empreinte de gaz à effet de serre, peut avoir un impact réel, espérons-le.

Votre équipe explore-t-elle davantage ce sujet ?

L'impact environnemental des services de refroidissement est, je pense, un sujet très important que notre groupe continue d'explorer. Nous sommes vraiment intéressés par l'intersection entre les services de refroidissement et le gaspillage alimentaire évitable. Au fur et à mesure que la chaîne du froid se développe, en particulier dans des endroits comme l'Afrique où la chaîne du froid n'est pas très développée, quels sont les impacts environnementaux de l'augmentation de la présence de la chaîne du froid ?

D'une part, vous avez la possibilité de prolonger la durée de conservation des aliments et d'accroître la sécurité alimentaire. Mais d'un autre côté, vous augmentez la consommation d'énergie globale dans le système alimentaire. Existe-t-il des moyens d'apporter les avantages de la chaîne du froid aux pays en développement sans l'impact environnemental ? C'est la principale question à laquelle mon groupe de recherche tente de répondre.

Shelie Miller est ingénireur en environnement à l'Université du Michigan.

Traduit et publié avec l'aimable autorisation de Knowable Magazine. L'article original est à retrouver ICI.