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HFCS or naturals – what is the future?

IIR/IIF Commissions B1, B2 with E1, E2 – Dubrovnik, Croatia – IIR 2001-4

SU INDUSTRIA & FORMAZIONE IL TESTO INTEGRALE DELL'ARTICOLO

REFRIGERANTI HFC O NATURALI.
QUAL E' IL FUTURO?

H. Halozan

Istituto di Ingegneria Termica - Universita' di Graz, Graz, (Austria)

 

Sommario

Dal 1 gennaio 1996 la produzione dei CFC e' proibita nei Paesi industrializzati, mentre per gli HCFC e' in atto un processo di dismissione entro il 2030, anticipato al 2015 nella Comunita' Europea. In alcune nazioni e' in corso un processo di dismissione con scadenze ancora piu' ravvicinate. Le alternative disponibile ai CFC e agli HCFC sono sempre sostanze di natura sintetica, come gli HFC (idro-fluoro-carburi) privi di cloro, con potenziale di distruzione dell’ozono (ODP) nullo, ma che presentano un elevato effetto di surriscaldamento della Terra (GWP). In alternativa esistono i "vecchi" refrigeranti, come i fluidi naturali, quali l’ammoniaca (R717), gli idrocarburi (R290, R1270, R600a), l’acqua (R718) e la CO2 (R744). I criteri di scelta di un fluido rispetto ad un altro si basano su parametri quali l’efficienza energetica, la sicurezza e l’accettabilita' ambientale. All’interno di questi criteri individuiamo nella salvaguardia dell’ambiente l’istanza cui dar maggior peso. L’impatto sull’ambiente e' dato dal TEWI, calcolato sulla base delle perdite di refrigerante che si possono verificare durante il ciclo di vita dell’impianto e delle emissioni di CO2 causate dalla produzione dell’energia elettrica necessaria per il funzionamento dell’impianto stesso. In tale contesto l’efficienza energetica assume un ruolo prioritario. Essa e' il risultato di un avanzato sviluppo tecnologico e della sua corretta applicazione pratica negli impianti frigoriferi.

Introduzione

La tecnologia delle pompe di calore non e' recente. Nel 1824 S. Carnot ha delineato i fondamenti teorici del funzionamento delle pompe di calore, come ad esempio la reversibilita' del flusso naturale di calore da una sorgente ad alta temperatura ad una sorgente a bassa temperatura, mediante la spesa di una certa quantita' di energia: il risultato di tale considerazione e' la possibilita' di produrre sia caldo che freddo. L’aspetto interessante consiste nel fatto che tale teorizzazione avvenne prima della formulazione del primo e del secondo principio della termodinamica.

Nel 1835 Perkins e Evans hanno sviluppato in maniera indipendente uno dall’altro la prima macchina frigorifera a compressione di vapore: questa fu la data da cui ebbe inizio l’utilizzo delle tecnologie refrigeranti per la conservazione dei cibi. La prima installazione di una pompa di calore ebbe subito seguito: nel 1855 Peter Ritter von Rittinger progetto', sulla base della teoria di S. Carnot, costrui' e rese operativa la prima macchina a ricompressione di vapore (MVR) nell’impianto di produzione di sale di Ebensee (Austria). Questa rappresenta la prima pompa di calore resa operativa. Attualmente tre macchine centrifughe della potenza elettrica complessiva di 20 MW e COP compreso tra 12 e 16 sono operative in tale impianto.

Lo sviluppo della tecnologia delle pompe di calore prosegui' negli anni seguenti, grazie all’apporto di Carre', che invento' il ciclo ad assorbimento ad acqua/ammoniaca, Linde, che studi scientificamente i cicli frigoriferi a compressione di vapore (sperimentando nuovi refrigeranti come l’ammoniaca e la CO2 e nuove applicazioni nel condizionamento dell’aria), e Willis Carrier che divenne ben presto il propugnatore di questa tecnologia, che ha permesso all’uomo di vivere in regioni con caratteristiche climatiche e ambientali estreme. All’epoca, l’unico problema era costituito dalla tipologia di refrigeranti in uso (vedi tabella 1). Quelli che hanno trovato maggiori applicazioni furono l’ammoniaca (che e' tossica, irritante, e in certi casi infiammabile) e la CO2 (molto utilizzata nella refrigerazione a bordo delle navi e nel condizionamento dell’aria fino agli anni Trenta ma che lavora ad altissime pressioni), il propano (che e' esplosivo) e l’anidride solforosa (che rappresenta probabilmente la sostanza naturale piu' tossica esistente).

In base a questi presupposti non c’e' da stupirsi che i CFC e gli HCFC, nati negli anni Trenta per opera di Midgely e Henne della compagnia Frigidaire (che fu comprata piu' tardi dalla DuPont), si imposero e poi dominarono il mercato in virtu' della loro non tossicita', non infiammabilita' e sicurezza d’uso.

Grazie a questi nuovi fluidi di lavoro fu possibile adottare nuove tecnologie di refrigerazione mediante la scelta dei piu' appropriati refrigeranti in funzione del tipo di applicazione specifica, furono introdotti componenti ermetici, la tecnologia delle pompe di calore, che fino ad allora trovava impiego solo nelle applicazioni industriali, fu estesa anche al settore civile. Dei "vecchi" refrigeranti solo l’ammoniaca sopravvisse, mentre i cicli alternativi scomparvero.

Etiletere

C4H10O

1834

Perkins

Acqua

H2O

1855

Rittinger

Metiletere

C2H6O

1864

Tellier

Ammoniaca

NH3

1867

Carre, Linde

Anidride solforosa

SO2

1874

Pictet

Anidride carbonica

CO2

1881

Linde

Metilcloruro

CH3Cl

1878

Vinvent

Etilcloruro

C2H5Cl

1870

Khler

Protossido di azoto

N2O

1912

Linde

Etano

C2H6

1921

Linde

Propano

C3H8

1925

 
       

(H)FCKW

 

1930

Midgely & Henne

       

????

 

2006

 

Tabella 1: Refrigeranti del passato, e del futuro?

Montreal, Copenhagen e la Comunita' Europea

La situazione appena descritta non muto' fino alla Conferenza di Vienna del 1986 ed al Protocollo di Montreal del 1997, dove si decreto' la limitazione, prima, e l’abolizione, poi, della produzione dei CFC, a seguito del loro notevole impatto sulla distruzione dello strato d’ozono atmosferico (figura 1). Qualche anno piu' tardi (Copenhagen, 1992) fu stipulato un ulteriore accordo per l’abolizione della produzione degli HCFC entro il 2030, mentre la Comunita' Europea decise la loro dismissione entro il 2015 (EU 1994). cosi' la tecnologia delle pompe di calore fu costretta, e lo e' tutt’ora, ad adottare alcuni cambiamenti, a causa dell’utilizzo di nuovi fluidi frigoriferi, che hanno comportato modifiche progettuali agli impianti.

Comunque, l’efficienza energetica delle pompe di calore d’oggi e' generalmente migliore di quella degli impianti di un tempo, prima che le modifiche fossero adottate. Cosi', non si e' ottenuto solamente una riduzione dell’impatto dei fluidi frigoriferi sull’ambiente, ma anche la riduzione dell’impatto delle emissioni delle centrali elettriche (che producono l’energia necessaria per il funzionamento delle pompe di calore) su di esso. Mediante l’utilizzo dei nuovi fluidi e la riduzione delle perdite di refrigerante dagli impianti, il TEWI delle pompe di calore e' stato ulteriormente ridotto significativamente.

La figura 1 illustra non solo il potenziale di distruzione dell’ozono ma anche il potenziale di surriscaldamento della Terra di diversi fluidi: mentre la distruzione dell’ozono viene drasticamente ridotta mediante l’eliminazione delle sostanze che contengono cloro nella propria molecola, il problema del surriscaldamento della Terra (che e' stato posto durante il Protocollo di Kyoto in cui gli HFC sono stati inclusi nel gruppo di gas che causano l’effetto serra e quindi i cambiamenti climatici) dovr√† essere risolto nel prossimo futuro.

La prima scelta per sostituire i fluidi CFC e' caduta sugli idro-fluoro-carburi, privi di cloro, e le loro miscele. Comunque, anche se il loro ODP e' nullo, essi hanno un GWP quando vengono liberati in atmosfera durante le operazioni di manutenzione degli impianti o al termine della loro vita lavorativa. Gli ambientalisti affermano che il loro destino e' sicuramente quello di essere liberati in atmosfera, una volta prodotti.

Permane, di conseguenza, in alcune nazioni, come quelle dell’Europa del centro-nord, la tendenza ad utilizzare fluidi refrigeranti "naturali", privi di cloro e di fluoro e con un trascurabile valore di GWP. Vengono gia' largamente utilizzati propano e isobutano (che sono infiammabili), ammoniaca (che e' tossica ed infiammabile), l’anidride carbonica e, in impianti particolari, l’acqua.

Alternative sintetiche prive di cloro

Le alternative chimiche, prive di cloro, offerte dalle industrie produttrici di refrigeranti sono gli HFC: R134a, R32, R143a, R152a, e R125. Il problema di queste sostanze che R32, R143a e R152 sono infiammabili, non soddisfano gli standard sulla "sicurezza dei refrigeranti", e l’R125 non puo' venire utilizzato come refrigerante puro a causa delle sue scadenti propriet√†termodinamiche.

La soluzione a tale problema fornita dall’utilizzo delle miscele, le piu' comuni delle quali sono non azeotrope, dove l’infiammabilita' di buoni fluidi di lavoro come l’R32 e' stata neutralizzata mediante l’utilizzo dell’R125 e/o dell’R134a. In aggiunta le pressioni di lavoro sono state "sistemate" mediante l’aggiunta di differenti altri componenti in diverse percentuali, come mostra la tabella 3.

I nuovi fluidi puri e le loro miscele richiedono dei cambiamenti nella fabbricazione dei componenti, nei materiali di sigillatura (guarnizioni,…), negli oli. Inoltre non tutti i problemi riguardanti la decomposizione delle miscele non azeotrope durante il ciclo frigorifero sono stati risolti.

I principali refrigeranti sintetici puri e le miscele attualmente in uso nel mercato sono:

Comunque, il principale problema e' dato dal fatto che queste miscele sembrano non costituire una soluzione definitiva per la tecnologia delle pompe di calore, a causa dell’ancora elevato impatto sul surriscaldamento della Terra: il dibattito su questi fluidi e' gia' aperto, soprattutto da parte degli ambientalisti di GreenPeace.

Fluidi di lavoro naturali

Un’ulteriore alternativa e' rappresentata dal ritorno all’utilizzo dei refrigeranti naturali, come l’ammoniaca (R717); gli idrocarburi propano (R290), propilene (R1270), isobutano (R600); l’acqua (R718); l’anidride carbonica (R744). L’ammoniaca e gli idrocarburi non soddisfano i requisiti sulla sicurezza dei refrigeranti a causa della loro tossicita' e/o infiammabilita'; l’acqua e l’anidride carbonica, invece, soddisfano tali standard (vedi tabella 4).

Refrigerante

Nomenclatura ASHRAE

Composizione

Temperatura d’evaporazione (C)

ODP

HGWP

Ammoniaca

R717

NH3

-33,6

0

0

Propano

R290

C3H8

-42,0

0

0

Isobutano

R600a

C4H10

-11,9

0

0

Acqua

R718

H2O

100,0

0

0

Anidride carbonica

R744

CO2

-78,4

0

0

Tabella 4: Fluidi di lavoro naturali

L’ammoniaca (R717)

Nemmeno i CFC sono stati capaci di sostituire completamente l’ammoniaca, uno dei primi refrigeranti utilizzati nella refrigerazione. Soprattutto negli impianti di potenze maggiori, l’ammoniaca e' sempre stata il fluido preferito, date le sue caratteristiche termodinamiche, il suo basso costo rispetto agli (H)CFC e il suo scarso impatto sull’ambiente. Tuttavia essa presenta degli inconvenienti: e' tossica, ha un odore caratteristico, che pone in allarme chi lo sente e puo' causare panico. La tecnologia degli impianti ad ammoniaca e' diversa da quella degli impianti a fluorocarburi: il rame non e' compatibile con l’ammoniaca; di solito vengono utilizzati compressori aperti con questo fluido (anche se e' disponibile un particolare tipo di compressore ermetico utilizzabile con l’ammoniaca).

Tuttavia l’utilizzo dell’ammoniaca sta aumentando nei nuovi impianti e gli sviluppi futuri vanno nella direzione di una riduzione della carica degli impianti. Un cambiamento riguarda il passaggio dall’uso di evaporatori allagati ad evaporatori secchi; mentre una seconda variazione riguarda il passaggio dall’uso di oli non solubili con l’ammoniaca ad oli solubili, specie nei piccoli impianti. Mediante l’utilizzo di scambiatori di calore a piastre la carica di refrigerante e' stata ridotta significativamente ( da 0,1 a 0,05 kg per ogni kW di capacita' frigorifera). Tali sistemi vengono impiegati nei magazzini frigoriferi e nella refrigerazione per la vendita al dettaglio mentre i sistemi ad evaporazione diretta sono stati sostituiti da quelli con fluido secondario. Il recupero di calore per il riscaldamento di acqua sanitaria o di alcuni ambienti e' reso possibile mediante l’uso di desurriscaldatori, alcune volte combinati ad un artificioso aumento della temperatura di condensazione o ad un aggiuntiva pompa di calore che utilizza il calore rigettato come sorgente calda. Per tali ragioni sono stati costruiti compressori funzionanti fino a 40 bar che permettono di avere pressioni di condensazione superiori a 74 C.

L’ammoniaca viene utilizzata anche negli impianti di condizionamento dell’aria, abbinata ai sistemi di distribuzione idronici del freddo. Chillers e pompe di calore ad acqua vengono proposti in unita' compatte monoblocco che prevedono tutti i dispositivi di sicurezza necessari. Frequente e' la loro installazione sui tetti. Ulteriori applicazioni dell’ammoniaca si hanno nelle pompe di calore, dove vengono utilizzati compressori che possono lavorare fino a 40 bar.

Gli idrocarburi

Anche gli idrocarburi (isobutano e miscele di propano e isobutano) vengono utilizzati con successo come fluidi frigoriferi nei refrigeratori e nei congelatori.

Il propano ha, inoltre, la caratteristica di poter sostituire in maniera soddisfacente l’R22. Utilizzando uno scambiatore di calore interno esso permette di ottenere un’efficienza maggiore dell’R22 a parita' di capacita' frigorifera. Mettendo a confronto R22 e R290, risulta che l’impianto che utilizza il propano:

L’unico problema dell’R290 e' l’infiammabilita': i regolamenti spesso proibiscono l’utilizzo di questo accettabile fluido dal punto di vista ambientale. Oggi in Austria l’uso di refrigeranti infiammabili e' proibito in locali sotterranei ed in edifici residenziali e commerciali. Tali disposizioni risalgono a circa 30 anni fa, e dovrebbero essere modificate in virtu' della presa d’atto della completa ermeticita' di tali impianti e delle ridotte cariche cui vanno soggetti. Un ulteriore problema di utilizzo del propano e' dato dalle limitazioni poste dai costruttori di compressori: sembra che addirittura una grossa casa americana che costruisce compressori voglia impedire l’uso di propano e propilene.

L’ anidride carbonica (R744)

L’anidride carbonica e' un refrigerante interessante: e' un fluido naturale, utilizzato da Linde gia' nel 1881 (vedi figura 2).

Negli anni trenta essa veniva utilizzata negli impianti di refrigerazione delle navi e per il condizionamento degli edifici, considerato che in entrambi le applicazioni veniva richiesto un refrigerante "sicuro". A suo sfavore giocano le sue proprieta' termodinamiche, cioe' la sua temperatura critica di 31 C e la sua pressione critica di 74 bar. L’anidride carbonica viene gia' utilizzata in alcuni impianti, ma avra' sicuramente piu' successo in futuro, soprattutto per il suo trascurabile inquinamento ambientale e la sua efficienza energetica. Tali obiettivi sono raggiungibili mediante il cambiamento dei sistemi di refrigerazione ad espansione diretta in sistemi a fluido secondario, cosa che permette la riduzione della quantita' di carica. Inoltre la CO2 si fa preferire in quelle applicazioni in cui le perdite non possono essere evitate e nelle applicazioni con maggiori efficienze energetiche, che possono essere raggiunte proprio mediante l’utilizzo di questo fluido e del suo ciclo caratteristico.

Nelle applicazioni in pompa di calore con temperatura di condensazione oltre i 30 C, deve essere utilizzato un ciclo trans-critico, gia' proposto dal prof. Lorentzen, con pressione di lavoro che puo' giungere fino a 140 bar.

Questo ciclo e' caratterizzato dalla fase di evaporazione che avviene nella regione sub-critica, mentre il rigetto del calore avviene nella regione super-critica.

Studi specifici sono in corso per quanto riguarda l’impiego negli impianti di condizionamento per veicoli, mentre buone prospettive si hanno per il condizionamento fisso, specialmente per i sistemi dual mode.

Il ciclo ad anidride carbonica si dimostra migliore di quelli tradizionali negli impianti per la produzione di acqua calda, nei sistemi di riscaldamento dell’aria e di recupero del calore, di essiccazione e di deumidificazione.

In linea di principio il ciclo transcritico ad anidride carbonica e' una combinazione del ciclo di Carnot e del ciclo di Joule: l’evaporazione avviene nella regione sub-critica, il rigetto del calore avviene nella regione trans-critica e, di solito, facendo riferimento al diagramma temperatura-entropia, al di sopra del punto critico. Questo comporta una similitudine con il ciclo di Joule, comunque in una regione che presenta una grande diversita' con le proprieta' del gas ideale.

Il problema legato all’utilizzo dell’anidride carbonica e' dovuto alle elevate pressioni del ciclo trans-critico, che possono giungere fino a 140 bar. In realta' questo e' un falso problema: componenti adatti a lavorare ad alte pressioni sono derivabili da simili componenti idraulici, attraverso opportune modifiche. L’effettivo problema legato all’uso dell’anidride carbonica non e' la tecnologia, ma la disponibilita' di componenti prodotti su larga scala ad un prezzo ragionevole. L’anidride carbonica non costituisce e non costituir una soluzione a tutti i problemi della refrigerazione, del condizionamento e delle pompe di calore, ma per certe applicazioni rappresenta una soluzione ideale.

L’acqua (R718)

L’acqua e' stata impiegata, e lo e' tuttora, nei sistemi MVR; inoltre viene utilizzata nei chillers dove svolge la funzione sia di fluido refrigerante sia di fluido termovettore.

A causa della sua ridotta capacita' volumetrica di raffreddamento, l’acqua richiede l’uso di compressori centrifughi. La piu' ridotta potenza oggigiorno utilizzata e' di circa 800 kW.

Conclusioni

La dismissione dei CFC e degli HCFC non ha comportato tanto problematiche a livello tecnologico, quanto di regolamenti.

In futuro permarranno applicazioni con refrigeranti "sicuri" (non tossici e non infiammabili) ma i refrigeranti naturali (ammoniaca, propano, anidride carbonica, ecc.) riscuoteranno maggiori favori soprattutto nelle applicazioni a pompa di calore.

Il problema dell’accettabilita' ambientale sembra essere risolto. Il punto cruciale, invece, resta quello dell’efficienza, poiche' l’efficienza e' in relazione con il consumo di energia e, a sua volta, il consumo di energia deve essere minimizzato.

Anche la sicurezza, ovviamente, e' importante, ma il problema della sicurezza puo' essere risolto avvalendosi di un’appropriata tecnologia e l’accusa di un "rischio addizionale" che viene rivolta ai nuovi sistemi non risulta pertinente, visto che da sempre esistono applicazioni potenzialmente molto piu' pericolose.