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Idrofluorocarburi HFC nella refrigerazione: ci sono alternative?

Gli HFC, gas usati sin dagli anni ‘90 per refrigerare, isolare, climatizzare, sono fra i colpevoli della riduzione dello strato di ozono. Esistono alternative al loro utilizzo?

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Gli idrofluorocarburi (HFC) sono gas fluorurati utilizzati sin dagli anni ‘90 in alcune apparecchiature e applicazioni  in sostituzione dei clorofluorocarburi e degli idroclorofluorocarburi  colpevoli di contribuire alla riduzione dello strato di ozono stratosferico. Pur essendo caratterizzati da buone caratteristiche quanto alla infiammabilità e alla tossicità, alcuni tra i più diffusi HFC costituiscono tuttavia un problema per via dell’alto potenziale di riscaldamento globale (GWP) con conseguente effetto serra.

Il contributo di Antonella Angelosante Bruno e Roberta Spinetti, che qui proponiamo in due parti, è pubblicato per esteso sulla Rivista Ambiente&Sviluppo n.10/2015 e fornisce una presentazione delle sostanze alternative all’utilizzo di HFC ad alto GWP, già disponibili sul mercato e o ancora in fase di studio e sperimentazione.

 

 

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Gas fluorurati e Global Warming

Al fine di arginare le gravi conseguenze determinate dai cambiamenti climatici, la comunità internazionale è concorde sulla necessità di mantenere il riscaldamento globale al di sotto di 2° C rispetto alla temperatura in epoca pre-industriale. Gli studi dell’IPCC (Intergovernmental Panel on Climate Change), l’organo internazionale per la valutazione dei cambiamenti climatici, hanno evidenziato che per rispettare tale impegno, occorre ridurre le emissioni globali di gas a effetto serra.

Per raggiungere questo obiettivo è necessario considerare il contributo di tutti i settori e di tutti i gas a effetto serra, compresi i gas fluorurati (F-gas). A tal fine è stato adottato il Regolamento Ue n. 517/2014, che rafforza e introduce specifiche disposizioni volte a ridurre (ulteriormente rispetto a quanto già previsto dal precedente regolamento Ce n. 842/2006), le emissioni di F-gas. In particolare, il regolamento (Ue) introduce una riduzione della quantità di HFC immessa in commercio (il cosiddetto phase-down) che consentirà di ridurre circa 71 MtCO2eq. al 2030, oltre a favorire il passaggio a nuove tecnologie e all’utilizzo di HFC a basso GWP o di sostanze alternative.  L’Unione europea è inoltre promotrice di un’azione di phase-down degli HFC a livello globale nell’ambito del Protocollo di Montreal sulle sostanze che riducono lo strato di ozono. Tali azioni contribuiranno ad incoraggiare il mercato verso la ricerca di soluzioni innovative e ambientalmente sostenibili.

 

 

Phase-Down europeo degli HFC

Dal 1° gennaio 2015 tutti i produttori ed importatori che immettono in commercio almeno 100 tCO2eq. di HFC, sono tenuti al rispetto degli obblighi di phase-down introdotti dal Regolamento (Ue) n. 517/2014. Tale meccanismo prevede obiettivi di riduzione (figura 1) a partire dal 2015, calcolati rispetto alla quantità totale di HFC immessa in commercio nel periodo 2009-2012.

A tal fine, i produttori e gli importatori di gas in bulk (sfusi) otterranno annualmente, dalla Commissione europea, una quota calcolata in base all’obiettivo generale di riduzione e ai dati storici, ove disponibili, del soggetto richiedente. L’ottenimento delle quote e la gestione delle transazioni sono subordinati all’iscrizione da parte dei soggetti coinvolti al Registro elettronico delle quote (Registro HFC).

Tale disposizione, oltre a determinare benefici “diretti” dovuti alla riduzione complessiva delle emissioni di HFC, offre l’opportunità, per i settori coinvolti dalla normativa, di pensare a soluzioni alternative per il futuro sia in termini impiantistici, sia tramite l’utilizzo di nuove sostanze a basso impatto sul clima.

 

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Figura 1: Phase-down degli HFC immessi in commercio nell’Unione europea

 

 

Sostanze alternative agli HFC

Gli idrofluorocarburi (HFC) sono gas fluorurati utilizzati, sin dagli inizi degli anni ’90, in alcune apparecchiature e applicazioni – come gli impianti di refrigerazione, di condizionamento d’aria e le pompe di calore – in sostituzione dei clorofluorocarburi (CFC) e degli idroclorofluorocarburi (HCFC) colpevoli di   contribuire  alla riduzione dello strato di ozono stratosferico.

Gli HFC, in particolare, se da un lato sono caratterizzati da buone proprietà quanto alla infiammabilità e alla tossicità, dall’altro presentano, nella maggior parte dei casi, un alto potenziale di riscaldamento globale (Global Warming Potential o GWP), ovvero di capacità di assorbire la radiazione termica irradiata dalla superficie terrestre, intrappolando il calore tra la superficie stessa e la troposfera. Fenomeno alla base del cosiddetto effetto serra.

In questo primo contributo viene fornito un quadro dei gas fluorurati e delle sostanze ad essi alternative, già in uso o in fase di sperimentazione, nei  settori della refrigerazione fissa e mobile. Il prossimo intervento tratterà degli F-Gas nei settori del condizionamento d’aria fisso e mobile, delle schiume isolanti e degli aerosol.

 

 

Refrigerazione domestica

A seguito dell’introduzione della disposizione di phase-out degli idroclorofluorocarburi (HCFC) stabilito nell’ambito del Protocollo di Montreal, l’HFC maggiormente utilizzato nel settore della refrigerazione è rappresentato dall’HFC-134a caratterizzato da un GWP pari a 1430.

Ad oggi, un’alternativa utilizzata in molte regioni è rappresentata dal butano (HC-600) un idrocarburo con un GWP pari a 3. Tuttavia, poiché l’HC-600 presenta, come ogni idrocarburo, problemi di infiammabilità, i refrigeratori domestici che utilizzano tale sostanza, devono essere progettati in modo appropriato al fine di rispettare gli standard di sicurezza.

In questo settore, sono in fase di sperimentazione le Idro-Fluoro-Olefine (HFO), una famiglia di refrigeranti derivati dal propano. In particolare, sono in fase di studio l’HFO-1234yf e l’HFO-1234ze, caratterizzati da minori problemi di infiammabilità e da bassi GWP (rispettivamente 4 e 7), anche se gli aspetti sulla sicurezza devono essere ulteriormente indagati.

 

 

Refrigerazione commerciale

Il settore può essere distinto in tre tipi di apparecchiature:

  • apparecchiature sigillateStand-alone” simili ai refrigeratori domestici,
  • unità di condensazione e sistemi centralizzati. Gli HFC attualmente più utilizzati sono l’HFC-134a (GWP 1430),
  • e la miscela denominata R-404A (GWP 3922).

L’alternativa al momento disponibile per i sistemi “Stand-alone” è l’idrocarburo propano (HC-290) già ampiamente utilizzato. Come nel caso della refrigerazione domestica, tale sostanza, pur essendo caratterizzata da un basso GWP (pari a 3), risulta classificata come altamente infiammabile sulla base degli standard internazionali. Un’alternativa percorribile anche nella refrigerazione commerciale è rappresentata dagli HFO (HFO-1234yf e HFO-1234ze), utilizzati soli o in miscela con gli HFC (questa soluzione consente di raggiungere GWP di circa 600). Tuttavia, sono ancora in corso analisi in merito agli aspetti connessi alla sicurezza.

Per le unità di condensazione, l’introduzione di possibili alternative a basso impatto climatico è fortemente limitata dal problema dell’infiammabilità. Infatti, nel mercato sono disponibili sostanze con basse infiammabilità ma ad alto GWP (da 1400 a 2100). In questi casi, la CO2 potrebbe rappresentare una soluzione anche se i costi di investimento e i problemi connessi all’efficienza energetica delle apparecchiature rappresentano, ad oggi, una barriera considerevole al suo utilizzo. Sostanze caratterizzate da una media infiammabilità e un GWP tra 450 e 600, sono in fase di sperimentazione.

Con riferimento ai sistemi centralizzati, è necessario distinguere tra apparecchiature nuove e quelle esistenti in cui è possibile effettuare solo un retrofitting. Per le prime, la CO2 è ormai ampiamente utilizzata, soprattutto in Europa, anche se va rilevata una minore efficienza energetica nei Paesi con climi più caldi. Negli impianti “retrofittati” esistono diverse soluzioni con GWP tra i 1400 e 2100.

 

 

Refrigerazione industriale

Nel settore della refrigerazione industriale si possono distinguere 3 sottoclassi:

  • sistemi di piccola e media dimensione,
  • grandi impianti con sistema distribuito di refrigerazione primario
  • e grandi impianti con sistemi di raffreddamento secondario.

I refrigeranti utilizzati nel settore sono chiamati a raggiungere diverse temperature: si considera “media temperatura” una temperatura compresa tra 0 e 8°C, “bassa temperatura” tra -18 e -25°C fino ad arrivare alle temperature ancora più basse da -25 a -150°C.

L’R-404A (GWP di 3922) è il refrigerante dominante nei sistemi di piccole e medie dimensioni nelle quali l’uso dell’ammoniaca ancora non permette di ottenere un buon rapporto “costo-efficacia”.

Per tali sistemi l’infiammabilità rappresenta una delle sfide più ambiziose. Ad oggi non sono ancora disponibili soluzioni a bassa infiammabilità e a basso GWP, ma solo refrigeranti con un range di GWP da 1400 a 2100 (R-407, R-407F, R-448, R-449A).

Nelle grandi apparecchiature è invece diffuso l’uso di ammoniaca. Inoltre, limitatamente ad alcune applicazioni viene utilizzata la CO2 mantenendo un apprezzabile grado di efficienza energetica.

 

 

Refrigerazione nei trasporti

Tale settore comprende i sistemi di refrigerazione nei veicoli stradali, nei container intermodali e nelle navi. Un importante aspetto da tenere in considerazione è la capacità di operare a diverse temperature: medie temperature (da 0 a 8°C) e basse temperature (tra -18 e -25°C). Nel caso dei container, le temperature potrebbero variare in modo considerevole (da -30 a +50°C).

I refrigeranti ampiamente utilizzati nel settore sono R-404A (GWP 3922) e HFC-134a (GWP 1430).

Con riferimento alle alternative, è in fase di sviluppo la refrigerazione con CO2 soprattutto per i veicoli su strada di grandi dimensioni e per i container. L’utilizzo di tale sostanza richiede, infatti, notevoli modifiche di tipo impiantistico e lo sviluppo di nuovi componenti che implicano costi ancora non totalmente stimabili. Soluzioni alternative, al momento disponibili sono rappresentate dall’HFC-32 (GWP 675) e degli idrocarburi (in particolare propano (HC-290) e propilene (HC-1270) caratterizzati da un GWP rispettivamente di 3 e 2). Anche in questo caso devono essere indagati ulteriormente gli aspetti legati alla sicurezza e alla loro infiammabilità.

Per quanto riguarda le navi, sono disponibili molte soluzioni, le stesse applicabili per la refrigerazione industriale. Tuttavia, sia l’ammoniaca che la CO2 potrebbero non essere appropriati nelle navi passeggero per motivi di sicurezza.

 

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