Il tema si pone: un GWP di 14.800 per un'applicazione criogenica (T<-50°C) non dovrebbe essere più accettabile, ma quali sono le alternative?

Abbiamo scoperto con il Covid la necessità di conservare i vaccini tra -90 e -80°C, temperature dove i refrigeranti tradizionali non possono arrivare a causa di un punto di ebolizzione più alto (l'R404A evapora a -46,22°C). Ma, tradizionalmente, per arrivare a quei livelli si usano refrigeranti particolarmente pestiferi da un punto di vista ambientale.

Il refrigerante citato in introduzione (anche detto HFC-23) è monitorato a livello globale (addirittura dai satelliti!) perchè costituisce una sentinella nel percorso di eliminazione degli HFC. E non sta andando bene!

Analizziamo questo aspetto e le alternative possibili in breve.

Il trifluorometano (HFC-23), uno dei gas serra più potenti tra gli idrofluorocarburi (HFC), viene emesso nell'atmosfera principalmente come sottoprodotto nella produzione del refrigerante R-22 e della materia prima chimica che, ahimè, impoverisce lo strato di ozono.

Un recente studio sulle emissioni globali di HFC-23 basate sull'osservazione atmosferica (stime top-down) ha mostrato discrepanze significative nel periodo 2014-2017 tra l'aumento delle emissioni derivate dall'osservazione e la riduzione delle emissioni dell'87% prevista dai processi di cattura e distruzione di HFC-23 presso gli impianti di produzione di HCFC-22 cos' come implementati dai piani nazionali di eliminazione graduale (Stanley et al., 2020).

Tuttavia, le regioni effettivamente responsabili dell'aumento delle emissioni non sono state (ufficialmente) identificate.

In un recente articolo dello scorso agosto 2023, del Dipartimento Oceanografico dell'univ. Kyungpook (Corea del Sud), dello Scripps Institution of Oceanography (SIO), University of California San Diego e altri stimia le emissioni regionali di HFC-23 per l'Asia orientale sulla base di misurazioni in situ a Gosan, Corea del Sud, e mostra che le emissioni di HFC-23 dalla Cina orientale sono aumentate da 50 mila tonn/anno nel 2008 a 95 mila tonn/anno nel 2019.

Il continuo aumento dal 2015 è in contrasto con la notevole riduzione delle emissioni segnalata nell'ambito del piano cinese di gestione della fase di eliminazione della produzione di idroclorofluorocarburi. La differenza cumulata tra le stime per il 2015-2019 nella Cina orientale è stata di 237 mila tonn/anno, che rappresenta il 47% della discrepanza globale.

Lo studio, basato sulle informazioni relativa alla produzione di HCFC-22, suggerisce che l'aumento delle emissioni di HFC-23 nella Cina orientale è più probabilmente associato ai noti impianti di produzione di HCFC-22 piuttosto che all'esistenza di una produzione di HCFC-22 non segnalata e sconosciuta, e quindi le discrepanze osservate potrebbero essere attribuite a un'infruttuosa riduzione dell'HFC-23 a livello delle fabbriche e a una quantificazione imprecisa delle riduzioni delle emissioni.

Quindi c'è poco da stare allegri, e, anzi, ci viene immediatamente da chiedere a cosa serve il nostro interesse nel "contrllo delle perdite" dagli impianti di climatizzazione e refrigerazione che, al più, hanno poche centinaia di kg di refrigerante con GWP 4000!

Detto ciò, se non tutti (ahimè) fanno la loro parte, è giusto pensare che si indichi la strada.

Ecco quindi, in breve, una rassegna di soluzioni tecnologiche alternative a basso GWP che possono essere adottate.

Per applicazioni frigorifere con ciclo a compressione di vapore, un refrigerante piuttosto interessante ed a GWP molto basso per applicazioni a temperature criogeniche (a partire da  -50 °C) è sicuramente la CO2 - R744. Con un punto di ebolizzione a -78,46°C ha sicuramente un certo interesse per temperature utili per ...il tonno giapponese (che richiede un trattamente ed una conservazione a -60°C). 

Ma, se occorre scendere alle temperature "vaccinali", cioè, intorno ai -80°C, non si può che guardare a refrigeranti esoterici quali:

• l'Etano (R170 – punto di ebolizzione a  -89 °C), un idrocarburo di tipo A3.
• l'Etene (R1150 – punto di eboliizione -104 °C,) idrocarburo A3
• il Protossido di azoto (N20 R744A (DE: Lachgas) – NBP -88 °C), che però non è sufficientemente stabile, e necessita di olio non ossidabile, ad esempio completamente fluorurato
• ed infine lo Xeno (R7131? – con punto di ebollizione a  -108 °C), gas nobile A1, disponibile solo in piccole qunatità, e molto costoso.

In tutti questi casi si possono adottare varie soluzioni impiantistiche, che richiedono sistemi in cascata a doppio o triplo stadio.

I tre stadi vengono denominati:

• HTS, stadio di alta temperatura
• MTS, stadio di media tempratura
• LTS, stadio di bassa temperatura.

Nell'immagine che segue (credit alle referenze), mostriamo le varie soluzioni dal punto di vista termodinamico (schemi TS) ed impiantistico.

Diagrammi Ts delle configurazioni ULT: a) Cascata transcritica a due stadi, b) cascata a tre stadi e c) cascata transcritica a due stadi con eiettore.

Diagrammi schematici delle configurazioni ULT: a) Cascata transcritica a due stadi, b) cascata a tre stadi e c) cascata transcritica a due stadi con eiettore.

Per i refrigeranti naturali R744, R290 e R170, di cui riportiamo le caratteristiche nella Tabella che segue.

Il nostro intento era verificare quali soluzioni a basso GWP fossero possibili allo stato dell'arte per applicazioni criogeniche, ma, la sensibilità ambientale, ci deve sempre indurre a considerare la riduzione delle emissioni di gas serra con la metrica del Total Equivalent Warming Impact (TEWI), che valuta l'impatto ambientale considerando due tipi di emissioni di gas serra: emissioni dirette e indirette.

Il parametro GWP varia ovviamente a seconda del refrigerante utilizzato. Le emissioni dirette da perdite accidentali sono calcolate in base alla quantità di refrigerante (in massa, kg), il tasso di perdite di refrigerante annuale (normalmente in %) e il numero di anni di funzionamento dell'impianto.

Si devono poi considerare le emissioni da perdite per il riciclaggio/rigenerazione al fine vita, considerando di nuovo il GWP e la quantità di refrigerante e la frazione della carica di refrigerante che viene recuperata e riciclata alla fine del ciclo di vita del sistema.

Si hanno infine le emissioni indirette relative al consumo energetico annuale del sistema espresso in kilowattora (kWh). Inoltre, la quantità di gas serra rilasciati quando il sistema genera e assorbe elettricità (grCO2eq/kWh), che dipendono dal mix energetico del Paese dove si trova l'installazione (nel 2023, nel nord Italia, si sono avute 299 grCO2/kWh),

Una ragionevole percentuale di perdite è del 5%, comune nel settore della refrigerazione. Considerando un periodo di vita di 15 anni, che è la durata prevista di un tipico sistema di refrigerazione ed un tasso di riciclo dell'85% sulla base dei dati dell'International Institute of Refrigeration IIR si possono ottenere dei valori indicativi di un certo rilievo per il TEWI.

Simulando i tre sistemi con i refrigeranti R290, R744 e R170, il grafico dei risultati del TEWI, con tre cicli proposti e una cascata a due stadi con R290 e R170, si hanno dei risultati che indicano che il ciclo a cascata a due stadi R744 transcritico ha il più alto impatto ambientale, seguito dalla cascata a due stadi R744 transcritico con eiettore.

La cascata a due stadi semplice è al terzo posto e poi la cascata a tre stadi con R744 subcritico.

Analizzando ulteriormente i risultati, il contributo più significativo al TEWI in tutti e tre i cicli è il consumo di elettricità dell'HTS, anche nel caso di una cascata a tre stadi.

I contributi di perdite e riciclo sono praticamente insignificanti a causa dei refrigeranti a basso GWP.

Insomma, anche nelle analisi dei ricercatori per questo tipo di applicazioni, si evidenzia con grande impatto, la poca incidenza delle perdite dirette rispetto a quelle dovute ai refrigeranti, sopratutto se a basso GWP.

CSIM è a disposizione per elaborare soluzioni e impianti per questo tipo di applicazioni.

La Redazione

 

 

Rif.

- Atmos. Chem. Phys., 23, 9401–9411, 2023

- ISTENER Research Group, Department of Mechanical Engineering and Construction, Universitat Jaume I, Castell´ o de la Plana E-12071, Spain