Nuovi HFO, l'alternativa sostenibile per refrigerazione e aria condizionata a basso GWP

Come si è arrivati alla creazione delle molecole HFO ad utilizzo per i settori dell’aria condizionata e della refrigerazione? 
I primi refrigeranti che l’uomo ha cercato di impiegare in primi rudimentali “frigoriferi” erano quelli di origine naturale in quanto la scienza della chimica inizialmente non era coinvolta in questo settore. Si tentò di produrre freddo con acqua, ammoniaca, anidride solforosa, anidride carbonica, eteri.

Tanti rischi, lasciando a parte l’acqua, e in alcuni casi anche una certa pericolosità proprio per l’atmosfera.

Ecco che la scienza si attivò per trovare soluzioni molto migliori. Tralasciando tutta la storia dei refrigeranti di sintesi chimica vale comunque la pena di notare con curiosità e un certo fascino che da un certo punto in avanti si è sempre partiti da un minerale naturale molto abbondante sulla Terra: Il Fluoruro di Calcio.

I primi problemi intervennero quando la scienza trovò dei “difetti” in vari refrigeranti che si sono succeduti. Dapprima la cancerogenicità, in seguito la lesione dello strato di ozono di alta atmosfera e infine l’effetto serra.

E’ giunto il momento del progresso estremo: abbattere tutte quelle barriere lesive nei confronti dell’ambiente e trovare la perfezione, ovvero gas con caratteristiche termodinamiche eccezionali, inerti al contatto con la pelle, stabili dentro ai circuiti frigoriferi, facilmente condensabili, molto sicuri (solo lievemente infiammabili in particolari condizioni) e dal costo produttivo non invalidante.

Alcuni anni fa vide la luce l’HFO 1234yf adottato dopo intense discussioni e svariate lunghe sessioni di test da tutto il mondo delle autovetture. Subito a seguire iniziò la produzione su larga scala di HFO 1234ze e HFO 1233zd. L’HFO 1234ze si sta confermando come il miglior gas refrigerante per un gran parte di applicazioni tecniche.

Gli obiettivi degli scienziati che, grazie a centinaia di milioni di dollari di investimenti, iniziarono a progettare gli HFO erano decisamente ambiziosi: avere GWP quasi zero, ovvero bassissimo impatto sull’effetto serra, preservare elevata efficienza termodinamica, garantire facilità di impiego, costruzione impianti e manutenzione e ovviamente dare un fine vita onorevole, potendo essere rigenerati e riutilizzati.

   

 

            Foto: Minerali di fluoruro di calcio in vari stati di formazione cristallina

 

Dove si usano, con quali risultati, i nuovi HFO?

Iniziamo dai due HFO prodotti ormai in massa e utilizzati diffusamente e sempre di più per un obiettivo grandioso: migliorare la qualità della vita e del lavoro degli esseri umani. Il trattamento dell’aria in ambiente chiuso viene ritenuto condizione fondamentale per molti aspetti:

Salubrità degli ambienti: un eccessivo calore o un eccessivo freddo in un ambiente possono facilmente condizionare la salute di una persona sana

Produttività: sono facilmente reperibili varie ricerche sull’incremento di produttività dell’uomo (ma anche degli animali) quando si trova a lavorare a 20 °C e ad un tasso di umidità ideale

Incremento delle performance dei dispositivi elettronici: soprattutto nelle ormai note “server farms” ma anche nel settore della Difesa, nei treni, nelle autovetture elettriche

Realizzabilità di processi produttivi ad alto flusso: per esempio nell’industria della plastica, utilizzando acqua fredda come vettore


Ovviamente grande importanza riveste il settore della Refrigerazione in temperature medie (si intende circa – 5°C / -10 °C) e basse (congelazione, surgelazione, processi chimici sotto -20 °C).

Per entrambi i settori (che si identificano con la sigla HVAC&R, ovvero aria condizionata, pompe di calore & refrigerazione) la grande sfida è la stessa: efficienza energetica prima di ogni altra cosa! Non ci stancheremo mai di ripetere che un basso impatto ambientale è legato prima di tutto al risparmio energetico.

Ed è proprio in questo che i nuovi HFO eccellono: unire il basso GWP (effetto serra diretto per fughe in aria) e il risparmio energetico (per produrre 1 kWh in Italia si immettono circa 350 g. di CO2).

L’utilizzo dei nuovi gas HFO è trasversale e semplice. Ottenere ottime prestazioni energetiche è alla portata di qualsiasi buon progettista. Rispetto ad altri gas che vengono chiamati impropriamente “naturali”, è questo uno dei vantaggi: avere elevata efficienza energetica con gli HFO è molto facile. L’unico vero limite riguarda i grandi impianti di refrigerazione commerciale dove la blanda infiammabilità richiede dei limiti di carica dei circuiti.

 
L’importanza della refrigerazione alimentare nel Mondo

Perché 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).

Da quando l’uomo, nei paesi che correvano di più verso lo sviluppo, ha cominciato a “mettere via” i beni alimentari per conservarli e utilizzarli nei periodi di magra, la fame in quei Paesi è stata debellata nella sua forma più grave.

Lo stoccaggio logistico di beni alimentari è il primo passo di una civiltà verso la soluzione della crisi alimentare. È anche una delle principali ragioni del disastro umanitario mondiale ricorrente in Africa e in alcuni Paesi orientali, cosa che ogni giorno fa stringere il cuore.
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.

Proprio nei paesi in via di sviluppo l’impiego di gas refrigeranti “semplici” da utilizzare e allo stesso tempo ecologici potrà essere una soluzione davvero efficace nel prossimo futuro. Gli HFO promettono molto bene in tal senso.
Molto difficile invece sarà adottare gas incondensabili sopra i 33 °C come la R744 (CO2 raffinata industrialmente) in Paesi molto caldi. Molto pericoloso sarebbe pensare di utilizzare largamente gas deflagranti, esplosivi come R290 e R600 laddove non vi sia una adeguata conoscenza dei pericoli e delle corrette tecniche di lavoro con questi gas.
 

Perché gli HFO consentono elevata efficienza energetica

 I gas fluorurati HFO e le più recenti miscele HFC/HFO di ultima generazione (R455A, R454B, R454C e altri) sono noti per permettere ai progettisti e ai costruttori dichiarazioni di efficienza energetica al vertice.

Ci siamo chiesti: esiste una maniera semplice ed efficace per spiegarne il motivo? Ci proviamo.

Un frigorifero o un condizionatore d’aria lavorano su un semplice ciclo teorico, quello di Carnot.
I diagrammi entalpici sono la carta di identità di un gas refrigerante e ogni gas ha una sua specifica curva, la sua identità. Ogni gas ha un suo “campo di lavoro” ideale. Come dire che non possiamo chiedere ad una buon diesel di competere in F1 ma non possiamo chiedere ad una F1 di fare da Milano a Roma con un pieno!

Questo ciclo è costituito da 4 fasi proprio come avviene nei motori a scoppio: aspirazione, compressione, liquefazione e espansione. Ogni fase ha la sua importanza e per semplificare potremmo dire che meno lavoro farà il motore (il compressore) per liquefare il gas e meno corrente elettrica sarà richiesta.
Ma non basta perché potrebbe essere richiesta poca corrente ma… per molto tempo. Oppure molta corrente per poco tempo!

Inizia a girarci la testa? E’ il concetto di “Lavoro” in fisica.
Poi durante l’espansione il gas deve essere in grado di “aderire” bene alle superfici interne dei tubi (trasferire freddo) e di raffreddarsi il più possibile e con meno quantità possibile all’interno dello scambiatore per fare freddo in un ambiente chiuso.

Ci siamo quasi, vero? Un gas refrigerante ideale riesce e liquefarsi a bassa pressione, a evaporare a pressione non troppo bassa e far lavorare il meno possibile il povero compressore energivoro e prezioso per il nostro compito.

Gli HFO puri hanno un gradissimo pregio: condensano facilmente. Se miscelati con gli HFC della 3a generazione (come R32), quando espandono riescono anche a produrre un gran freddo.

Inoltre, sia gli HFO che gli HFC hanno una miscibilità ideale con gli olii più utilizzati per lubrificare i compressori: i P.O.E. e i P.A.G. e questa caratteristica permette di non avere problemi di olio che ristagna nelle pareti interne dei circuiti, fatto estremamente importante.
Qualche esempio di problemi con altri refrigeranti:

  • La R744 (CO2) condensa difficilmente ad altissime pressioni e richiede compressori molto robusti e tubi specifici
  • La R717 (NH3) non è miscibile con l’olio del compressore e richiede dispositivi sofisticati per la lubrificazione e per evitare che l’olio si fermi nei circuiti. Inoltre patisce seriamente la presenza di poche molecole di acqua (umidità) degradando facilmente

       

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 in misura importante anche da attività naturali (p.es. i vulcani, gli incendi) ma 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 refrigeranti 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 misura il reale 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 sarebbe molto migliore per 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.

 

 

 

Altri utilizzi degli HFO

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.

Recentemente, come curiosità, l’HFO 1233zd talvolta in abbinamento con l’altro HFO 1234ze sono stati valutati positivamente anche per il settore della cosmesi. Questo perché permetterebbero di produrre creme per la pelle dotate di un eccellente effetto raffrescante e lisciante.

 

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.