I refrigeranti alternativi: normative, proprietà e prospettive

F-Gas: sfida delle nuove tecnologie

NTRODUZIONE
L'utilizzo della refrigerazione è in espansione in tutti i settori: industria, servizi e residenziale.
Una miglior efficienza del settore della refrigerazione può svolgere un ruolo importante nella riduzione del riscaldamento globale, nonostante le crescenti esigenze di refrigerazione possano, per contro, aumentare l'impatto sull’ambiente.
Risulta pertanto importante analizzare il processo di refrigerazione e ottimizzare le prestazioni dei sistemi tecnologici esistenti, proponendo lo sviluppo e l’innovazione nel settore dei fluidi refrigeranti.
In merito alle emissioni correlate all’utilizzo dei fluidi refrigeranti, sono affrontate diverse questioni all'interno dell'UNEP (Programma delle Nazioni Unite per l'ambiente), riguardanti il cambiamento climatico (correlato al deterioramento dello strato di ozono in atmosfera).
I settori della refrigerazione ed il condizionamento sono destinati ad una radicale trasformazione nei prossimi anni e l’Europa è alla guida di questo cambiamento.
Nell’Unione Europea (UE), questa trasformazione è già in stato avanzato. E con i prossimi consistenti passi di riduzione degli HFC previsti per il 2018 e, successivamente, nel 2021, il ritmo di questo cambiamento è destinato ad accelerare.

I FLUIDI REFRIGERANTI

Le proprietà

I fluidi refrigeranti sono composti con idonee caratteristiche termodinamiche e fisiche utilizzati come fluido primario nella refrigerazione. I refrigeranti, che si suddividono in varie categorie (puri, azeotropi, quasi azeotropi, zeotropi), devono possedere alcune caratteristiche principali, fra cui:
- Basso impatto ambientale;
- Bassa temperatura di ebollizione alla pressione atmosferica;
- Buon effetto frigorifero (considerando il calore assorbito da 1 Kg di refrigerante in seguito al suo cambiamento di stato, da liquido a vapore);
- Alta temperatura critica, ai fini di un buon rendimento di funzionamento per la condensazione;
- Basso valore di surriscaldamento alla compressione, in maniera da evitare alterazioni o danni alle componenti impiantistiche;
- Valori accettabili di infiammabilità;
- Inoffensività alle persone e alle merci;
- Nessuna alterazione alle proprietà lubrificanti;
- Non corrosività sui metalli.
Dal punto di vista ambientale, le proprietà fondamentali correlate ai fluidi refrigeranti sono:
- Il potenziale di riscaldamento globale (Global Warming Potential, GWP), che si definisce come il rapporto fra il riscaldamento globale causato in un determinato periodo di tempo (di solito 100 anni) da una particolare sostanza ed il riscaldamento provocato dal biossido di carbonio nella stessa quantità;
- Il potenziale di eliminazione dell'ozono (Ozone Depletion Potential o ODP), ossia il valore relativo di degrado della fascia di ozono che esso può causare. I valori di ODP sono pari a 1 circa per i clorofluorocarburi, compresi fra 5 e 15 per i bromofluorocarburi, compresi fra circa 0,005 e 0,2 per gli idroclorofluorocarburi (che si decompongono nella troposfera) e nulli per gli idrofluorocarburi, gli idrofluoroeteri e i perfluoropolieteri;
- Il TEWI, ossia l’impatto totale equivalente sul surriscaldamento (diretto, dovuto alle perdite di refrigerante, e indiretto dovuto al consumo di energia dell’impianto).

L’evoluzione nell’utilizzo dei refrigeranti

Nel corso del Novecento si affermò l’utilizzo di fluidi refrigeranti tradizionali (CFC-Clorofluorocarburi e HCFC-Idroclorofluorocarburi), che assicuravano elevate prestazioni termodinamiche per i processi di refrigerazione, ma avevano un forte impatto ambientale.
Quando iniziò a svilupparsi a livello internazionale la consapevolezza dei problemi connessi al buco dell'ozono e all'effetto serra negli anni ’70 del Novecento, i CFC non furono più considerati “accettabili”, a causa del loro effetto dannoso verso l’ambiente.
Si è innescato dunque un lento processo di ricerca e sviluppo verso la sperimentazione di fluidi refrigeranti alternativi, che garantissero un basso impatto ambientale.
Il tutto però non senza problemi.

Le criticità connesse ai refrigeranti alternativi sono svariate, fra cui:
1. Elevati livelli di infiammabilità e tossicità, che non consentono di rispettare adeguati livelli di sicurezza nell’impiego di questi ultimi;
2. Elevati costi correlati ai volumi di refrigeranti necessari alla gestione e manutenzione degli impianti di refrigerazione.

Le esigenze di trovare un compromesso al fine di ridurre l’inquinamento ambientale, hanno innescato un processo di costante innovazione, con una forte accelerazione negli ultimi anni in seguito alle necessità di rispettare gli obiettivi internazionali prefissati a salvaguardia dell’ambiente.

Refrigeranti tradizionali e alternativi a confronto

Fra i requisiti fondamentali dei fluidi refrigeranti vi sono gli aspetti legati alla sicurezza (infiammabilità) e alla tossicità del fluido. I refrigeranti alternativi, che possiedono un GWP basso, sono spesso “pericolosi” a causa della loro natura compositiva.
Il gruppo di studio ASHRAE ha fornito informazioni sulla tossicità e infiammabilità dei fluidi refrigeranti, mediante l’attribuzione di una classe.
Riguardo la tossicità dei refrigeranti si individuano due classi (la classe A, bassa tossicità, e la classe B, elevata tossicità), mentre per quanto riguarda l’infiammabilità l’ASHRAE individua tre classi di refrigeranti (la classe 1 non infiammabile, la classe 2 infiammabile e la classe 3 altamente infiammabile).

Figura 1 - Confronto fra refrigeranti tradizionali e alternativi (infiammabilità, tossicità, reperibilità sul mercato, GWP)

Fra i refrigeranti alternativi principali presenti attualmente sul mercato si annoverano: R32, R290, R452b, R454b, R450a, R600a, R717, R744, R1233zd, R1234yf, R1234ze, R1270.
Alcuni refrigeranti promettenti introdotti (o re-introdotti) recentemente nel mercato, risultano a bassa tossicità ma sono classificati come mediamente infiammabili o infiammabili: è il caso degli idrocarburi, come il propano (R290) e l’isobutano (R600a), nonché dell’ammoniaca (R717), del R32 e di altri HFO a basso GWP. La Figura 2 mostra un confronto fra le varie tipologie di refrigeranti, illustrando i valori di GWP e le caratteristiche di infiammabilità.

Figura 2 - Confronto fra refrigeranti: GWP e infiammabilità

In piccoli impianti (frigoriferi domestici, condizionatori residenziali) trovano ormai ampia commercializzazione circuiti frigoriferi caricati con idrocarburi, mentre sono già in normale servizio nella refrigerazione commerciale macchine frigorifere ad anidride carbonica e, in campo industriale, ad ammoniaca.
Attualmente vengono proposte nuove miscele di HFC e idrocarburi, che permettono il retrofit degli impianti. Ma questo processo di sostituzione evolverà ulteriormente: infatti, anche gli HFC (R134a, R407c, R404a, R410a, R507) verranno gradualmente eliminati nei prossimi decenni, e dovranno essere in qualche modo soppiantati.
Al giorno d’oggi da un lato vi è la necessità di eliminare il cloro dalla composizione dei fluidi frigoriferi per motivi di compatibilità ambientale, da un altro l’esigenza di evitare sostanze che contengano troppo idrogeno perché potrebbero risultare infiammabili, da un altro ancora di limitare la presenza di fluoro che è un elemento che conferisce stabilità alla molecola di refrigerante anche quando liberata in atmosfera e quindi contribuisce all’effetto di surriscaldamento della Terra (effetto serra).
Le proposte avanzate riguardano la sostituzione con una nuova famiglia di gas, gli HFO, e con il ritorno ad un più massiccio uso dei refrigeranti naturali, specie gli idrocarburi, già utilizzati in passato e poi scomparsi a causa della loro infiammabilità e del contemporaneo sviluppo di tecnologie più performanti dal punto di vista termodinamico, ma più impattanti sull’ambiente.

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