GLYCOLS ALTERNATIFS DANS L'ANTIGEL ET LE LIQUIDE DE REFROIDISSEMENT

Il y a bien plus de cent ans, le moteur à combustion interne a été inventé. Cette technologie a changé l’humanité pour toujours : elle lui a apporté la mobilité et lui a offert un cheval mécanique pour travailler dans la construction, les mines et l’agriculture. Avec le moteur à combustion est apparue la chaleur qui devait être dissipée. Les premiers moteurs n’étaient pas très puissants et pouvaient être refroidis par air.

 

Le désir de puissance accrue a conduit à des plateformes plus grandes qui ne pouvaient pas être refroidies par un ventilateur. L’étape suivante de l’évolution des moteurs a donc été la mise en place de systèmes de refroidissement par liquide et, heureusement, l’eau est le liquide de transfert de chaleur le plus efficace et le moins cher.

 

L’eau a ses limites

 

Si l’eau liquide est un bon moyen de transfert de chaleur, la quantité de chaleur qu’elle peut absorber est limitée par son point d’ébullition. Dans la plupart des cas, ce problème peut être facilement résolu en pressurisant le système (ce qui augmente le point d’ébullition) et en concevant un radiateur de taille et de débit d’air suffisants pour dissiper la chaleur accumulée dans l’eau.

 

Mais le problème plus insidieux est que l’eau gèle à une température relativement élevée de 32 °F (0 °C), une température que la plupart des États-Unis atteindront chaque hiver. Pire encore, l’eau est l’un des rares liquides qui se dilate lorsqu’il gèle. La pression hydraulique que cela exerce sur un système ou un espace rempli de liquide crée d’énormes dégâts. Cette action de gel et de dégel est à l’origine d’une grande partie des dommages causés sur les routes aux États-Unis, de nombreuses ruptures de canalisations en hiver et de systèmes de refroidissement potentiellement détruits si des mesures ne sont pas prises.

 

 

La naissance de l’« Antigel »

 

Il fallait donc faire quelque chose pour protéger le système de refroidissement lorsque l’utilisation et la demande de véhicules en toutes saisons ont commencé à croître. Il a fallu ajouter un produit chimique à l’eau pour abaisser le point de congélation et, tout aussi important, empêcher l’expansion si le système de refroidissement gelait. Heureusement, ce produit chimique existait et était bien connu... Le méthanol.

 

Donc, oui, c’est exact. L’alcool qui est aujourd’hui le principal ingrédient du lave-glace était le premier antigel du système de refroidissement. Une solution de 40 % de méthanol et de 60 % d’eau a un point de congélation de -39 °F (-39 °C). Le méthanol présente cependant un nouveau problème, car son point d’ébullition est inférieur à celui de l’eau, à 165 °F (73 °C)… L’ébullition estivale. La solution à ce problème était assez simple : utiliser le mélange méthanol/eau en hiver, le retirer et utiliser de l’eau pure en été lorsque le gel n’est plus un problème. Ainsi, pendant un certain temps, c’est ainsi que les équipements à moteur à combustion étaient traités… Utiliser de l’eau en été, ajouter du méthanol en hiver et revenir à l’eau uniquement en été.

 

 

Antigel permanent

 

Il y a environ quatre-vingts ans, à une époque où les lois sur l’environnement étaient pratiquement inexistantes, une entreprise chimique a remarqué qu’un cours d’eau dans lequel elle déversait ses effluents (c’était une pratique courante à l’époque) ne gelait plus en hiver. Cette entreprise a étudié ce phénomène et a découvert que le produit chimique qui empêchait l’eau de geler était l’éthylène glycol (EG). Et mieux encore, l’éthylène glycol avait un point d’ébullition plus élevé, bien plus élevé que l’eau. Eureka! – Un produit chimique qui abaisse le point de congélation de l’eau et augmente le point d’ébullition afin de ne pas avoir à retirer le mélange réfrigérant en été. C’était la naissance de... L’antigel permanent et a cela a été la première grande revendication commerciale de tous les fabricants d’antigel. Bien sûr, en raison de la nécessité d’utiliser des inhibiteurs de corrosion, le liquide de refroidissement devait être changé périodiquement, mais c’est une autre histoire. Grâce à cette découverte, une nouvelle activité chimique est née pour l’éthylène glycol.

 

Des décennies plus tard, on a développé le polyester pour les vêtements, les bouteilles et les pellicules d’appareil photo, qui utilise l’éthylène glycol comme matière première. L’industrie du polyester s’est tellement développée que 90 % de l’ensemble de l’éthylène glycol produit sert à fabriquer du polyester. Mais cette large base d’approvisionnement a permis de garantir la disponibilité de l’éthylène glycol et son utilisation économique dans les antigels/liquides de refroidissement.

 

 

Le propylène glycol (PG)

 

L’éthylène glycol/eau a donc régi le monde des liquides de refroidissement presque exclusivement jusqu’à aujourd’hui. S’il y a un inconvénient à l’éthylène glycol, c’est sa toxicité. Dans les années 1990, pour une raison quelconque, l’empoisonnement à l’éthylène glycol était considéré comme un problème pour les humains. Pire encore, des centaines, voire des milliers d’animaux domestiques mouraient chaque année après avoir bu ou léché de l’antigel renversé autour des voitures. Dans le cadre de cette nouvelle préoccupation, l’Oregon a adopté en 1991 une loi exigeant qu’un agent soit placé dans l’antigel (et le lave-glace) pour lui donner un mauvais goût afin de prévenir ces empoisonnements. Cette loi a été nommée d’après un enfant qui aurait perdu un animal de compagnie à cause d’un empoisonnement à l’antigel. Les fabricants d’antigel se sont regroupés au sein de la Consumer Specialty Products Association (CSPA) et ont lancé plusieurs enquêtes indépendantes, qui ont finalement montré qu’il n’y avait jamais eu d’empoisonnement accidentel d’êtres humains et tout au plus deux à cinq cas par an d’animaux domestiques ayant ingéré de l’antigel et peut-être un décès par an d’un animal. Néanmoins, au cours des dix années suivantes, de nombreux États ont adopté des lois similaires; ainsi, aujourd’hui, tous les liquides de refroidissement à base d’éthylène glycol contiennent un agent amer, qui coûte à l’industrie des millions de dollars par an, même s’il n’existe aucune menace avérée pour les humains et les animaux… et… cela même si les animaux n’ont pas de papilles gustatives pour le goût amer et ne seraient pas dissuadés par le goût désormais amer de l’antigel.

 

Ce qui était connu sous le nom d’Arco Chemical, puis Lyondell, a utilisé cette notoriété défavorable sur la toxicité de l’éthylène glycol pour introduire des liquides de refroidissement à base de propylène glycol. Le propylène glycol réduit également le point de congélation de l’eau tout en augmentant le point d’ébullition du mélange. La dépression du point de congélation avec le propylène glycol n’est pas aussi bonne : un mélange 50/50 de propylène glycol et d’eau gèle à -28 °F (-33 °C), alors qu’un mélange 50/50 d’éthylène glycol et d’eau gèle à -34 °F (-36 °C). Mais le propylène glycol offre une propriété importante : sa toxicité est si faible qu’il figure sur la liste GRAS (« Generally Regarded as Safe », considéré comme sécuritaire). Aujourd’hui, le PG est utilisé dans de nombreux produits de tous les jours et est même l’ingrédient « mou » des aliments pour animaux qui donne une apparence douce et humide.

 

C’est ainsi que presque toutes les entreprises d’antigels et de liquides de refroidissement ont commencé à proposer un liquide de refroidissement à base de PG, et une importante campagne de commercialisation a été menée pour vanter ses avantages en termes de faible toxicité. Old World a introduit ce qui était probablement le liquide de refroidissement au propylène glycol le plus populaire, l’antigel Sierra. Cependant, le PG a eu une faille fatale. Le PG est un élément commercial beaucoup plus modeste que l’EG et il est fabriqué par un processus chimique différent. Pour ces deux raisons, le PG est plus coûteux que l’EG et, en fonction de leur position respective sur le marché, il peut ajouter entre 1,00 et 4,00 $ au coût de fabrication d’un gallon d’antigel.

 

En règle générale, le consommateur choisira toujours l’alternative la plus sûre d’un produit si son prix est comparable, mais il ne choisira pas toujours l’alternative la plus sûre si son prix est plus élevé. Ce coût plus élevé et le fait que tous les liquides de refroidissement EG étaient amers ont rendu très difficile pour les liquides de refroidissement à base de PG d’obtenir et de conserver une position significative sur le marché des liquides de refroidissement. Aujourd’hui, le liquide de refroidissement au PG n’est utilisé que dans ce que l’on pourrait considérer comme des zones à haut risque de toxicité, comme les parcs d’attractions ou les parcs naturels, ou par les consommateurs ou les exploitations agricoles qui se soucient de la sécurité des animaux. Aujourd’hui, le liquide de refroidissement PG ne représente qu’environ 1 % du marché total des liquides de refroidissement.

 

 

Autres sources de glycol

 

D’autres fabricants de produits chimiques ont proposé leur glycol de prédilection pour s’assurer une part du marché des liquides de refroidissement. Le propylène glycol traditionnel est une molécule à trois carbones avec un groupe alcool attaché aux carbones 1 et 2. On peut également fabriquer du propylène glycol avec les groupes alcools attachés aux carbones terminaux 1 et 3. Cette forme de propylène glycol est appelée diol de propane (DP) pour la distinguer du propylène glycol 1 et 2 traditionnel.

 

Le diol de propane offre les mêmes avantages que le PG traditionnel en termes de point de congélation, de point d’ébullition et de faible toxicité, avec l’avantage supplémentaire d’être plus stable sur le plan chimique et oxydatif. Cela signifie qu’un liquide de refroidissement fabriqué avec du diol de propane durera plus longtemps. Cependant, la voie de fabrication du DP est encore plus difficile et coûteuse que celle du PG traditionnel, de sorte que le DP est plus cher que le PG. Donc, une fois encore, malgré un effort de commercialisation considérable de la part des fabricants de DP, le liquide de refroidissement de DP représente moins de 0,1 % du marché.

 

La glycérine est un autre glycol qui a été sérieusement étudié par l’industrie. La glycérine est également une molécule à trois carbones avec un groupe alcool attaché à chacun d’entre eux. Alors que l’EG, le PG et le DP sont des diols, la glycérine est un triol.

 

La glycérine peut être fabriquée synthétiquement, mais elle est aussi un important sous-produit de la production de biocarburants. La glycérine abaisse également le point de congélation de l’eau et augmente aussi le point d’ébullition. La glycérine est facilement disponible et sa toxicité est si faible qu’elle est utilisée dans des centaines de produits, notamment des lotions, des gels, des boissons et des produits alimentaires. La consommation humaine n’est donc pas une préoccupation.

 

Le prix de la glycérine a beaucoup fluctué, mais il a parfois été proche de la parité avec l’EG. Elle semble donc être une bonne option, à très faible toxicité, pour la fabrication de liquides de refroidissement sécuritaires. Comme cela semblait si prometteur, plusieurs fabricants de liquides de refroidissement et d’équipementiers ont travaillé au développement d’un liquide de refroidissement à base de glycérine.

 

Mais la glycérine avait aussi ses inconvénients. La glycérine n’abaisse pas le point de congélation de l’eau aussi efficacement que l’EG : une concentration de 60 % de glycérine est nécessaire pour atteindre le même -34 °F qu’une formule à 50 % d’EG. Cela ajoute des coûts. Et la glycérine est aussi visqueuse que du miel. Il faut soit l’expédier et le stocker dans une citerne chauffée, soit la diluer avec de l’eau. Cela signifie qu’un antigel concentré à base de glycérine est impossible puisque seuls les liquides de refroidissement prédilués peuvent être fabriqués, stockés et expédiés. La glycérine est également très bio-active, ce qui signifie qu’elle constitue un milieu idéal pour la prolifération de toutes sortes de champignons, de bactéries et de presque n’importe quoi d’autre. Un agent doit donc être ajouté au mélange pour empêcher cela… Entraînant plus de coûts.

 

Enfin, diverses études ont montré que la pureté de la glycérine affectait les performances du liquide de refroidissement. En dessous d’une certaine pureté, les liquides de refroidissement à base de glycérine se dégradent plus rapidement que leurs homologues à base d’éthylène glycol. Une plus grande pureté signifie un coût plus élevé. La solution à tous ces inconvénients de la glycérine était d’envisager un liquide de refroidissement qui soit un mélange d’EG et de glycérine, bien que l’avantage d’une faible toxicité soit compromis.

 

Ainsi, il n’existe aujourd’hui qu’un seul liquide de refroidissement à base de glycérine approuvé, qui est composé de 80 % d’EG/20 % de glycérine. Ce liquide de refroidissement n’est pas facilement disponible pour les consommateurs, et les prix de la glycérine ont augmenté au fil des ans. Malgré de nombreuses recherches, la glycérine n’a pas acquis de position significative sur les marchés des liquides de refroidissement.

 

Ainsi, près de quatre-vingts ans après l’introduction de l’éthylène glycol dans les antigels, avec la première revendication d’un antigel « permanent », 99 % des liquides de refroidissement produits sont encore à base d’éthylène glycol. À l’échelle mondiale, il y aura toujours de l’innovation au niveau de la technologie des inhibiteurs de corrosion à mesure que les exigences en matière de métallurgie du moteur ou de système de refroidissement changent, mais il est peu probable que l’éthylène glycol ait un puissant concurrent pour le remplacer. L’EG est facilement disponible dans le monde entier, bien tarifé (par rapport à tous les prétendants) et fournit les meilleurs paramètres de liquide de refroidissement de tous les glycols. Et maintenant que des agents amérisants sont ajoutés, l’éthylène glycol est là pour rester.