Rester au frais avec un faible impact environnemental : analyse des données de brevets sur les réfrigérants naturels

Les réfrigérants sont des substances chimiques utilisées dans les systèmes de réfrigération et de climatisation. Ils fonctionnent en absorbant la chaleur et en la transférant dans un cycle pour refroidir l'air ou les objets.

Les réfrigérants ont généralement un point d'ébullition bas, ce qui leur permet de s'évaporer et de refroidir l'environnement à des températures relativement basses. À l'état liquide, le réfrigérant absorbe la chaleur et s'évapore en gaz. Ensuite, grâce aux processus de compression et de condensation, le réfrigérant libère de la chaleur et revient à l'état liquide, se préparant ainsi pour le cycle suivant.

Un bon réfrigérant doit combiner diverses propriétés physiques et chimiques spéciales pour fonctionner correctement dans la plupart des systèmes et environnements. Un bon réfrigérant doit notamment avoir des propriétés telles qu'une pression d'évaporation élevée, une température critique élevée, une température de congélation basse ou être un liquide à haute densité. Il doit également avoir des propriétés chimiques spéciales telles que la stabilité, la sécurité, la non-corrosivité, la non-toxicité et, bien sûr, ne pas dégrader l'environnement.

Que sont les réfrigérants naturels ?

Les réfrigérants naturels sont des molécules utilisées comme réfrigérants que l’on trouve dans la nature. Ils ont été utilisés dans les tout premiers systèmes de réfrigération. Mais, à mesure que la technologie a évolué, ils ont été remplacés par des réfrigérants synthétiques fabriqués par l’homme, conçus pour surmonter certains problèmes tels que l’inflammabilité, la toxicité et la corrosion. Les réfrigérants naturels les plus utilisés sont l’ammoniac (NH3 – R717),le dioxyde de carbone (CO2 – R744) et les hydrocarbures (comme le propane R290 ou l’isobutane R600a). Des alternatives telles que l’eau (H2O, R718) et l’air (R729) entrent également dans la catégorie des réfrigérants naturels.

L'analyse des données de brevets offre un aperçu précieux de l'innovation, notamment en nous aidant à prédire l'avenir d'une technologie. Dans cette partie, nous décrivons ce que les dépôts de brevets pour les réfrigérants à faible PRG, y compris les réfrigérants naturels, les HFO et autres HFC à faible PRG, peuvent nous dire sur l'avenir de ces gaz, y compris les principaux acteurs de l'industrie et les principaux secteurs de R&D et de marché. Notre recherche de brevets s'est concentrée sur tous les gaz à faible PRG et sur les systèmes de refroidissement ou de climatisation qui les utilisent.

Analyse des données de brevets sur les réfrigérants naturels

Pour comprendre les activités d'innovation et de R&D dans cette technologie, nous avons effectué une recherche macro à l'aide de notre logiciel propriétaire de veille IP . En analysant les brevets collectés grâce à notre expertise en services de conseil en propriété intellectuelle , nous avons pu créer un aperçu mondial fascinant des innovations et des investissements dans ce domaine.

Que nous apprend la dynamique des brevets sur l’état de ce domaine ?

Au total, la base de données comprend plus de 2 000 familles de brevets déposées au cours des 20 dernières années. La dynamique des dépôts de brevets révèle un domaine qui n'a pas connu beaucoup d'innovation au cours des 10 premières années, puis a connu une forte augmentation d'activité de 2016 à 2019, avec un taux de croissance annuel composé (TCAC) supérieur à 20 %.

Il est fort probable que cette augmentation soit liée à la réglementation qui a été mise en place en 2014 avec la révision du règlement sur les gaz fluorés de l’UE (n° 517/2014), qui a imposé des mesures strictes pour l’utilisation des HFC et d’autres gaz fluorés, notamment des objectifs de réduction progressive des HFC et l’interdiction complète de certains réfrigérants à fort PRG. En outre, l’amendement de Kigali mentionné plus haut a été adopté en 2016 : un accord mondial visant à réduire progressivement les HFC, en commençant d’abord dans les pays développés en 2019.

Cependant, l’augmentation du nombre d’obturations n’a pas duré longtemps, le ralentissement économique mondial provoqué par la COVID-19 à partir de 2020 ayant potentiellement légèrement modifié les priorités au cours de ces années. En 2022, la dynamique semble reprendre, avec un nombre élevé d’obturations déjà enregistrées pour 2023.

Une caractéristique importante de cette base de données est le nombre relativement élevé de litiges et d’oppositions, qui est 2,5 fois plus élevé que dans une base de données typique de cette taille et de cet âge. Ces oppositions et litiges concernent principalement des brevets sur des gaz synthétiques à faible PRG et impliquent les plus grands noms du secteur. En effet, environ deux tiers de ces procédures judiciaires ne concernent que trois sociétés, à savoir Honeywell, Chemours et Arkema.

Le dépôt de demandes prioritaires se fait le plus souvent dans le pays où la R&D est effectuée. L'examen de ces données nous permet donc de savoir quels sont les pays les plus innovants et ceux qui cherchent à protéger leurs inventions. Comme c'est souvent le cas, la Chine est le principal pays innovant avec plus d'un tiers des dépôts.

Comme c’est souvent le cas, l’Europe est mieux représentée dans les pays de protection que dans les régions prioritaires, car l’Europe n’est pas seulement un marché mondial important, mais aussi souvent un pionnier dans la réglementation et l’adoption de solutions pour la protection de l’environnement et la lutte contre le changement climatique. En fait, selon Alexander C. Pachai , récemment retraité après, entre autres, plus de 20 ans chez Johnson Controls : « En termes de réglementation durable et en particulier dans le domaine de la réfrigération, la Chine suit de très près ce qui se passe en Europe. » Cela pourrait conduire à des bonds dans la bonne direction pour cet énorme marché et pour l’avenir de l’ensemble du secteur.

Le graphique ci-dessous présente les 13 principaux acteurs de notre base de données. La plupart des principaux acteurs sont de grandes entreprises de fabrication de systèmes de réfrigération, telles que Daikin, Gree Electric Appliances, Panasonic, Mitsubishi, Carrier, etc. et/ou des producteurs de gaz de réfrigération (Honeywell, Chemours, Mexichem, Arkema).

L’activité récente est très variable. Certaines entreprises ont rempli moins de 30 % de leurs brevets depuis 2017 (Sanden, Mexichem, Denso, Carrier), tandis que d’autres ont rempli la majeure partie de leur portefeuille (> 70 %) dans le même laps de temps (Daikin, Chemours, Panasonic, Idemitsu, etc.), se positionnant apparemment pour la transition à venir dans le domaine.

Nous avons également constaté que les principaux acteurs se citent eux-mêmes très fortement par rapport à d'autres bases de données de même taille et de même âge. Cela corrobore le fait que le domaine est très compétitif et que les acteurs se surveillent étroitement, comme le montre le nombre élevé de litiges et d'oppositions.

Comme prévu, les principaux acteurs du secteur des gaz, Chemours et Honeywell, sont les plus cités et ont les brevets les plus litigieux. Daikin cite fréquemment ces acteurs, car ses appareils et systèmes pourront fonctionner avec leurs gaz. En effet, la plupart des brevets de Daikin mentionnent toutes sortes de réfrigérants à faible PRG, même s'ils ne sont pas nécessairement naturels.

Nous avons donc vu ici que le marché des gaz et des systèmes à faible GWP est très compétitif et appelé à croître, grâce à l’augmentation mondiale de la demande de systèmes de refroidissement et de climatisation.

Dans notre base de données, le CO2 est le gaz le plus cité par les brevets (30% de la base), et aussi celui qui a connu la plus forte augmentation de dépôts de brevets au cours des 10 dernières années. Le propane est le deuxième gaz le plus utilisé dans notre base de données, mais avec moins de la moitié du nombre de brevets déposés par le CO2.

De plus, le CO2 est de loin le réfrigérant le plus discuté de manière indépendante, avec plus de deux tiers des brevets le mentionnant comme gaz potentiel pour un système de refroidissement, ne mentionnant que le CO2 et aucun autre réfrigérant, ce qui suggère que les systèmes sont spécifiquement conçus pour lui. Cela peut être lié à ses propriétés, étant donné qu'il nécessite des systèmes spéciaux et une gestion de la pression pour s'adapter à ses propriétés physiques.

Cependant, ces résultats ne vont pas à l’encontre de l’adoption du CO2 comme un réfrigérant très efficace et courant, selon Kenneth Bank Madsen , CTO d’ADVANSOR, concepteur et fabricant de systèmes au CO2 pour le refroidissement et le chauffage commerciaux et industriels, qui affirme que « le CO2 est de plus en plus utilisé dans les systèmes industriels en raison des besoins de basses températures ; de plus, le CO2 peut faire presque toutes les applications malgré des besoins de pression plus élevés. »

Le propane est également très présent dans notre base de données, mais avec environ la moitié des brevets, il est aussi souvent mentionné en association avec d'autres gaz, car il peut facilement être utilisé dans les systèmes existants ou remplacé par d'autres hydrocarbures. Dans la bataille pour la climatisation mobile et le refroidissement des batteries des véhicules électriques (VE) en particulier, le propane pourrait être au premier plan ; en effet, Carloandrea Malvicino , directeur des stratégies de réduction des émissions de CO2 de STELLANTIS, est persuadé que « le propane est le meilleur pour les VE », mentionnant que « le CO2 n'est pas si efficace dans des conditions estivales très chaudes, il ne peut donc pas être une solution mondiale pour les constructeurs automobiles » et que « le propane est bon marché et que seulement 200 à 250 g sont nécessaires dans une voiture ». Il écarte la question de l'inflammabilité, soulignant également que nous mettons aujourd'hui 50 litres d'essence dans nos voitures sans y penser à deux fois.

Concernant les gaz de synthèse (HFO et HFC), une légère baisse des remplissages est perceptible depuis 2019, reflétant peut-être une évolution vers des fluides frigorigènes plus naturels. Les prochaines années seront intéressantes à suivre car les dépôts de brevets réagissent aux nouvelles du marché.

Selon les projections de l’Agence internationale de l’énergie (AIE), la demande en climatisation et en refroidissement devrait augmenter de 4,5 fois dans les pays non membres de l’OCDE et de 1,3 fois dans les pays de l’OCDE entre 2010 et 2050. Grâce à la législation et aux engagements pris aux niveaux régional, national et mondial, il existe un marché important pour les nouveaux réfrigérants et les systèmes associés.

On prévoit que la tendance à délaisser les réfrigérants fluorés classiques au profit de substituts durables, notamment les réfrigérants naturels tels que l’ammoniac, le dioxyde de carbone et les hydrocarbures, va se poursuivre, voire s’accélérer. En effet, leurs effets environnementaux favorables, en raison de leurs charges système plus faibles, combinés à des valeurs de PRG proches de zéro, rendent leur impact direct sur le réchauffement climatique négligeable.

Après nos entretiens avec des experts en réfrigération, nous avons tiré trois conclusions principales :

• Il n’existe pas de barrière technique à l’adoption des réfrigérants naturels, tout existe et est fonctionnel. Les seules barrières existantes pourraient être :
  • Formation/éducation et adaptation des normes,
  • Lobbying auprès des principaux acteurs (notamment les entreprises chimiques disposant de brevets protégeant des compositions réfrigérantes synthétiques),
  • Disponibilité des composés (en Afrique par exemple).
• Le CO2 et le propane sont des gaz très polyvalents. Ils sont largement utilisés et ont une très large gamme d'applications, de la petite réfrigération aux installations industrielles.
• Il existe de nombreux projets reflétant la preuve de concept , avec tous les exemples cités déjà mis en œuvre et fonctionnant parfaitement et comportant tous les types de réfrigérants (CO2, propane, propène, ammoniac, eau, etc.)

Par exemple, Jürgen Süß a mentionné que « les meilleures performances des gaz F peuvent toujours être battues par des réfrigérants naturels » et que « nous n'avons plus besoin de gaz F ».

En effet, des politiques telles que le règlement sur les gaz fluorés encouragent l’élimination progressive et la diminution des réfrigérants à fort PRG, encourageant ainsi l’utilisation de substituts plus respectueux de l’environnement. L’industrie devra trouver des moyens de s’adapter à ce changement de paradigme. Si l’UE décide d’adopter une restriction universelle des gaz fluorés, il faudra alors entre 5 et 15 ans pour mettre en œuvre des remplacements, selon que les réfrigérants bénéficient ou non d’un report. Cependant, les reports ne sont probables que pour les applications pour lesquelles il n’existe pas d’alternatives commerciales et/ou pour lesquelles il faut du temps pour que la production soit à grande échelle – et les réfrigérants naturels semblent déjà être des alternatives viables. Leur adoption devrait augmenter dans des secteurs tels que le refroidissement industriel, la réfrigération commerciale et les appareils électroménagers, car les entreprises et les consommateurs recherchent des options plus écologiques pour le contrôle de la température.

La dynamique des brevets, ainsi que les études de marché et les entretiens avec des experts, peuvent fournir des informations précieuses sur les tendances et les marchés de la recherche et de l'innovation, comme l'illustre, nous l'espérons, cette analyse des données sur les brevets des réfrigérants à faible PRG et naturels. Pour plus d'informations sur l'activité des brevets dans ce secteur technique ou dans tout autre, ou pour des conseils ou une assistance spécifiques, contactez l'équipe de Questel IP Consulting .

Suivez nos publications et webinaires dans notre Centre de ressources et notre section Webinaires et événements pour des informations futures.