I ricercatori del National Institute of Standards and Technology hanno appena completato uno studio pluriennale per identificare i candidati "migliori" per l'uso futuro come refrigeranti per l'aria condizionata che avranno il minor impatto sul clima.

Sfortunatamente, tutti i 27 fluidi identificati dal NIST come i migliori dal punto di vista delle prestazioni sono almeno leggermente infiammabili, che non è consentito dai codici di sicurezza statunitensi per la maggior parte degli usi finali. Diversi fluidi nell'elenco dei refrigeranti sono altamente infiammabili, compreso il propano, il combustibile per le grigliate all'aperto.

In altre parole, lo studio del NIST non ha trovato alcun refrigerante ideale che combinasse un basso "potenziale di riscaldamento globale" (GWP) - una misura di quanto calore un gas intrappola se rilasciato nell'atmosfera - con altre prestazioni desiderabili e caratteristiche di sicurezza come l'essere non infiammabile e non tossico. I risultati vengono visualizzati in Comunicazioni sulla natura .

"Il punto è che non esiste la perfezione, facile sostituzione degli attuali refrigeranti, "L'ingegnere chimico del NIST Mark McLinden ha detto. "Entrando nello studio, abbiamo pensato che sicuramente ci deve essere qualcos'altro. risulta, Non così tanto. Quindi è stato un po' sorprendente, un po' deludente".

Per contribuire a ridurre il riscaldamento globale, quasi 200 nazioni, compresi gli Stati Uniti, nell'ottobre 2016 ha accettato di modificare il protocollo di Montreal per ridurre gradualmente entro la metà del secolo i refrigeranti utilizzati nella maggior parte dei sistemi di condizionamento dell'aria (AC). La fase parziale verso il basso, piuttosto che una completa eliminazione, ha riconosciuto le scelte complicate che dovranno essere fatte per selezionare le sostituzioni. Fortunatamente, sono ora disponibili nuovi preziosi dati a supporto di tali decisioni.

"Il percorso in avanti comporterà compromessi, " McLinden ha continuato. "I codici di sicurezza potrebbero essere rivisti per consentire l'uso di refrigeranti leggermente infiammabili. Miscele di due o più fluidi potrebbero produrre un refrigerante non infiammabile, ma a un GWP più alto. L'anidride carbonica non è infiammabile, ma richiederebbe una riprogettazione completa delle apparecchiature CA."

I refrigeranti attuali sono gli idrofluorocarburi (HFC), che sono "gas serra" con un GWP elevato. Sebbene il loro contributo al cambiamento climatico sia ora limitato, si prevede che aumenterà rapidamente insieme all'uso dell'aria condizionata in tutto il mondo. Il Protocollo di Montreal, il trattato che regola le sostanze che impoveriscono lo strato protettivo di ozono della Terra, originariamente stimolato l'introduzione di HFC in sostituzione dei composti che riducono lo strato di ozono precedentemente utilizzati.

Le autorità di regolamentazione statunitensi riconoscono già la difficoltà di scegliere nuovi refrigeranti. L'Agenzia per la protezione dell'ambiente non ha fissato limiti specifici per il GWP, ma piuttosto ha condotto analisi di rischio comparativo per ogni refrigerante e uso finale. I criteri includono gli effetti atmosferici e i relativi effetti sulla salute e sull'ambiente, rischi ecosistemici, rischi per i consumatori, infiammabilità, costo e disponibilità.

Per aiutare i responsabili delle politiche e l'industria statunitensi a comprendere i limiti e i compromessi coinvolti in un'eliminazione graduale degli HFC, Il NIST ha intrapreso un'ampia, ricerca quadriennale del miglior monocomponente, fluidi sostitutivi a basso GWP. Il GWP è definito come il potenziale di riscaldamento di un chilogrammo di gas rispetto a un chilogrammo di anidride carbonica.

Lo studio del NIST si è concentrato sui possibili fluidi sostitutivi per i piccoli sistemi CA tipici di abitazioni e piccole imprese. Una miscela di HFC chiamata R-410A è ora il refrigerante più popolare in tali sistemi. Queste unità AC sono sigillate, il che significa che non dovrebbero rilasciare HFC nell'atmosfera. Però, i sistemi possono perdere, e quando vengono revisionati o scartati, il refrigerante può fuoriuscire e non essere recuperato e riciclato, ha detto McLinden.

Lo studio ha esaminato un database di oltre 60 milioni di sostanze chimiche, stimare le proprietà basandosi esclusivamente sulla loro struttura molecolare. Questo si basava su un metodo di calcolo precedentemente sviluppato al NIST.

Poiché tutti i refrigeranti attuali sono piccole molecole, la ricerca del NIST era limitata a molecole con 18 o meno atomi e solo otto elementi che formano composti sufficientemente volatili da fungere da refrigeranti. Questa schermata iniziale ha portato a 184, 000 molecole da considerare ulteriormente.

Screening per proprietà energetiche corrispondenti a fluidi utilizzabili in piccoli sistemi AC e GWP inferiore a 1, 000 (convenzionalmente inteso come gli effetti su un arco di tempo di 100 anni) ha prodotto 138 fluidi. I ricercatori hanno quindi simulato le prestazioni di questi 138 composti nei condizionatori d'aria. Un coautore presso la Catholic University of America a Washington, DC, aiutato a sviluppare il modello di simulazione e valutare i risultati. Ulteriori screening per escludere composti chimicamente instabili o molto tossici oa bassa efficienza energetica hanno portato all'elenco finale di 27 fluidi a basso GWP.

Il propano ha un GWP di 3, molto inferiore al valore di 1 dell'R-410A, 924. I potenziali refrigeranti con il GWP più basso includono ammoniaca, comunemente usato nei grandi impianti di refrigerazione industriale ma tossico e leggermente infiammabile, e dimetiletere, un propellente e potenziale carburante che è solo leggermente meno infiammabile del propano. L'anidride carbonica ha un GWP di 1 ed è non infiammabile, ma richiederebbe un diverso tipo di ciclo frigorifero operante a pressioni molto elevate. Altri composti a basso GWP includono idrofluoroolefine, un obiettivo attuale della ricerca industriale ma leggermente infiammabile.

Sebbene non vi sia alcun limite specifico per il GWP negli Stati Uniti, sono state fissate date di eliminazione graduale per alcuni degli HFC con il più alto GWP. (I refrigeranti con un GWP inferiore a 750 sono ammessi nell'Unione Europea per piccoli sistemi AC.)

L'elenco del NIST può offrire nuove idee perché include molti refrigeranti che non sono ancora nell'elenco EPA dei sostituti accettabili. L'industria della refrigerazione ha sviluppato attivamente nuovi fluidi leggermente infiammabili, e i risultati del presente studio supportano questo corso, ha detto McLinden. Guardare avanti, le conclusioni dello studio NIST indicano la necessità di riconoscere e affrontare i compromessi nella pianificazione per il futuro, Egli ha detto.

Per esempio, come dovrebbero essere modificati i codici di sicurezza per garantire che i refrigeranti infiammabili possano essere utilizzati in sicurezza? Miscele di diversi refrigeranti possono offrire un compromesso tra sicurezza e GWP. Per esempio, un fluido a basso GWP ma infiammabile miscelato con un fluido non infiammabile ma ad alto GWP potrebbe dare come risultato un fluido non infiammabile con un valore moderato di GWP, McLinden ha notato.