Gas sintetici fluorurati, l'alternativa sostenibile per refrigerazione e aria condizionata a basso GWP

Se diciamo “fluoro” cosa vi viene in mente? Spesso associamo questo elemento alle lezioni di chimica fatte a scuola o all’ingrediente principe del dentifricio; in realtà, insieme al carbonio e all’idrogeno è uno degli elementi della composizione chimica dei gas fluorurati HFC e HFO.  Le nuove molecole HFO (idrofluoroolefine) derivano da più stadi produttivi, basati su reazioni chimiche tra il  minerale del fluoro, propano (R-290) e idrogeno (H2) con vari catalizzatori.

Questi gas sintetici vengono considerati una valida alternativa nel settore della refrigerazione o climatizzazione a quelli chiamati “naturali”, proprio per le loro caratteristiche di GWP quasi nullo, ovvero a bassissimo impatto sull’effetto serra.

 

Partiamo dalla catena del freddo e scoprite insieme a noi cosa sono i gas fluorurati, il loro impatto sull’ambiente e gli utilizzi.

   

 

          

Le sfaccettature viola, celeste e verde acqua del fluoro allo stato minerale

 

La catena del freddo ed i gas refrigeranti

I gas refrigeranti svolgono un ruolo fondamentale per la catena del freddo e vengono usati  per preservare la qualità dei prodotti nel tempo, dalla produzione alla vendita. Mantenere costante la temperatura della catena del freddo non è semplice; richiede celle frigorifere grandi e potenti, con gas refrigeranti in grado di ridurre al minimo il consumo di energia e, di conseguenza, l’impatto sull’ambiente.

 

 

Fasi della refrigerazione

Il processo di refrigerazione è basato su due fasi che, se svolte correttamente garantiscono l'efficienza energetica. Nella prima fase il gas refrigerante viene fatto evaporare dentro le serpentine dei tubi (evaporatori); in questa fase è cruciale il mantenimento di determinate caratteristiche termodinamiche. Nella seconda fase il gas refrigerante, viene compresso e raffreddato e successivamente liquefatto  in un “condensatore”. Se non si riesce a condensare il gas prima evaporato, l’efficienza termodinamica (energetica) si abbassa brutalmente (caso tipico con la CO2).

 

Perchè la refrigerazione è fondamentale per persone e merci alimentari

Nei Paesi in via di sviluppo, le principali organizzazioni mondiali concordano nel ritenere fondamentale un’applicazione della refrigerazione su larghissima scala. I campi in cui utilizzare la refrigerazione riguardano sia il deperimento delle merci, sia il comfort ambientale con il controllo della temperatura negli ambienti di lavoro, nelle scuole e negli ospedali per il contenimento di malattie respiratorie e per limitare le necessità di acqua potabile (in quei Paesi è una vera risorsa preziosa). Tuttavia, la refrigerazione può avere un impatto nocivo sul Pianeta perché se rilasciati in atmosfera possono intaccare lo strato di ozono troposferico o contribuire all'effetto serra per migliaia di anni.

 

 

Generazioni di gas refrigeranti a confronto

 

La prima generazione dei gas refrigeranti comprendeva l’uso dell’ammoniaca, del clorometano e dell’anidride solforosa, che sono stati banditi dal mercato perché infiammabili e tossici. Dopo di loro è toccato alle “molecole miracolose”, i CFC (clorofluorocarburi) e gli HCFC (idroclorofluorocarburi), caduti nel dimenticatoio perché responsabili del buco dell’ozono. Queste molecole derivavano direttamente dagli idrocarburi. Con pochi e semplici passaggi di chimica industriale venivano resi non infiammabili e non tossici, “legando” atomi di cloro e di fluoro. I loro sostituti migliorativi sono stati  gli HFC (idrofluorocarburi), che hanno avuto subito una grandissima diffusione in vari settori dell’industria. Con l'aggravarsi del fenomeno del riscaldamento globale, purtroppo non hanno avuto vita semplice: ancora oggi contribuiscono all'effetto serra in misura variabile. A tal proposito, da qualche anno gli stessi produttori di HFC stanno studiando e producendo alternative con minore impatto ambientale, atossiche e non infiammabili, che garantiscono un’elevata efficienza energetica e consentono bassi costi di installazione e manutenzione.

Gas refrigeranti fluorurati e il basso consumo energetico

 

I gas fluorurati sono gas sintetici appartenenti alla famiglia degli idrofluorocarburi composti da fluoro, idrogeno e carbonio. Alcuni di questi gas vengono indicati  con la sigla HFC, altri  con  HFO e altri ancora con la dicitura  HFC/HFO, queste sono le miscele di ultima generazione dei refrigeranti. L'industria chimica, nel tempo, ha approfondito la ricerca di nuove molecole per ridurre  l'effetto serra generato dalla dispersione nell’aria di gas con molecole stabili. Il risultato degli studi della ricerca ha portato alla riduzione della “stabilità” delle molecole, perché se le molecole dei gas si rompono velocemente, diventano nuovamente parte naturale dell'atmosfera.

Se dovessimo fare un esempio: le molecole stabili HFC sarebbero dei microscopici pezzi di plastica svolazzanti nell’aria che nel tempo generano l’effetto serra, mentre gli HFO sarebbero dei minuscoli pezzi di carta biodegradabili. Un valore aggiunto delle molecole HFO è soprattutto quello di ottenere bassi consumi energetici negli impianti, perché sarebbe inutile inventare molecole con basso effetto serra, se poi questo viene generato con il consumo di energia elettrica.

 

Il reale impatto ambientale su effetto serra dei gas di 3a generazione (HFC)

 

Gli obiettivi per i Paesi sviluppati derivanti dagli accordi internazionali che abbiamo citato impongono uno stretto controllo delle emissioni serra generate anche nel settore refrigerazione e aria condizionata. Queste emissioni si verificano se e solo se avviene una “immissione diretta” di gas refrigerante nell’aria, ovvero una cosiddetta “fuga”, una perdita dal circuito che lo contiene. Tuttavia, se amiamo veramente la scienza e l’ambiente, occorre essere a conoscenza di un importante, per certi versi scioccante dato. L’impegno nella riduzione del GWP dei gas refrigeranti nella catena del freddo è certamente lodevole e doveroso. Ma non è questo il punto. Le emissioni serra nel Mondo sono generate da attività naturali (p.es. i vulcani, gli incendi) e soprattutto dal consumo di energia elettrica. Vediamo sotto un grafico che mostra quanto poco incidono le emissioni serra dovute ai gas refrigeranti (in blu).

 

 

Indice TEWI per misurare l’impatto

 

Valutare le conseguenze che i gas di refrigerazione hanno sull’ambiente è importante per agire in maniera efficace contro l’effetto serra; a tale scopo viene usato l’indice TEWI (Total Equivalent Warming Impact), ovvero l’impatto totale equivalente di una macchina frigorifera sull’ambiente. Questo parametro segnala l’effetto serra generato dagli impianti  di aria condizionata e refrigerazione spostando il focus dal semplice concetto di GWP che misura l’effetto dell’immissione diretta in atmosfera, al contributo del consumo energetico nella lunga vita di funzionamento.

Se dovessimo fare un paragone tra un gas refrigerante a “zero effetto serra (zero GWP)” e che fa consumare molta energia e un gas a basso GWP che, però, fa consumare poca energia, il TEWI considererebbe di minor impatto quello che fa consumare meno energia.

 

 

Perché è fondamentale contenere i consumi energetici delle attività umane

 Se a questo punto ci appare chiaro che le emissioni serra da addebitare all’utilizzo dei gas refrigeranti sono veramente poca cosa rispetto a tutto il resto, ora cerchiamo di quantificare questo dato un po’ più nel dettaglio.

L’immagine sotto mostra un grafico aggiornato al 2019 riguardo alle emissioni inquinanti effetto serra generate per produrre energia elettrica.

Ecco perché la misura del TEWI si basa soprattutto sul consumo energetico.

Ecco perché quando il progettista sceglie un gas refrigerante deve prima di tutto rendere il suo progetto efficiente energeticamente.

I gas a base di HFO sono al vertice dell’efficienza termodinamica, ecco perché rappresentano la scelta più verde in assoluto.

 

 

Gli altri utilizzi del gas fluorurato

I fluorocarburi, come abbiamo accennato, vengono utilizzati principalmente per far funzionare frigoriferi, congelatori, pompe di calore e condizionatori delle abitazioni. Ma il loro uso è molto più vasto e comprende anche la produzione di:

  • autovetture;
  • impianti domestici e industriali;
  • schiume per il settore edile o dell’autotrazione;
  • prodotti antincendio;
  • agenti espandenti per i pannelli isolanti o solari;
  • aerosol tecnici.

 

I gas refrigeranti al fluoro fanno parte del progetto  “Eco-Efficiency”, che abbiamo creato insieme a Honeywell, uno studio condotto per la GDO sui gas refrigeranti a bassa emissione e la riduzione del consumo. 

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