Köldmedier: vad förväntas i framtiden

Köldmedier måste bli mer miljövänliga

Om mindre än ett år kommer f-gasförordningen kräva en minskning av den maximala mängd fluorkolväten (HFC) som får släppas ut på marknaden. Minskningen motsvarar 63% av baslinjen (2009-2012 års genomsnitt), vilket är 32% lägre än dagens tillåtna mängd. Denna minskning kan att uppnås genom att vi ersätter konventionella HFC:er med alternativa köldmedier eller genom att vi introducerar alternativa kyltekniker (t.ex. magnetokalorisk kylning).

På längre sikt kan en övergång till naturliga köldmedier i bred skala vara önskvärd. Det kan dock komma att dröja något med hänsyn till faktorer som säkerhet och kostnader för ny utrustning. Dessutom kommer det att krävas en ny utformning av system samt en översyn av befintliga standarder och normer. Det finns också ett behov av att utbilda och informera både slutanvändare och serviceföretag i hanteringen av de naturliga köldmedierna.

Fler köldmedier än någonsin

Nya syntetiska ämnen med lägre GWP utgörs oftast av hydrofluorolefiner (HFO:er) i antingen ren form eller i blandningar. Några fluorkolväten (R152a och R32) dyker också upp i specifika tillämpningar. Antalet köldmedier växer snabbt och ASHRAE Standard 34, den internationella standard som klassificerar och numrerar köldmedier, inkluderar nu över hundra köldmedier varav ett dussintals har tillkommit på senare år.

Även om köldmedieindustrin siktar mot att nå riktigt låga GWP-värden kan det i ett kortare perspektiv även finnas ett behov av alternativ med reducerad GWP, relativt de GWP-värden som våra nuvarande köldmedier har. Detta för att klara av att följa de GWP-gränser som definieras i EU-lagstiftningen utan allt för stora ingrepp och kostnader.

Framtida köldmedier
Det kan se ut som att en massa nya köldmedier dykt upp på kort tid, men är alla dessa verkligen nya köldmedier? Faktum är att antalet substanser som lämpar sig för användning som köldmedier i en ångkompressionscykel är begränsat. För ca 90 år sedan upptäckte Thomas Midgley att endast ett begränsat antal kemiska ämnen kan bilda tillräckligt flyktiga föreningar för att vara lämpliga som köldmedier och att endast vissa av dessa kemiska ämnen kan komma att övervägas. (Figur 1) [1].

Efterfrågan på det ultimata köldmediet med stort ”K” är stort dessa dagar. För några år sedan initierade Domanski och McLinden ett projekt för att söka efter eventuella nya låg-GWP-köldmedier. De gick tillväga på ungefär samma sätt som Midgley hade gjort tidigare, men beaktade en betydligt större mängd föreningar. De började med en granskning och gallring av mer än 60 miljoner kemiska strukturer som återfinns i PubChems databas och tillämpade successivt olika kriterier som normalt används för köldmedieval. Detta minskade mängden av potentiella nya köldmedier till 138. Med fortsatt analys har antalet minskat ytterligare.

Med utgångspunkt i ett typiskt luftkonditioneringssystem identifierade de 27 potentiella köldmedier [2]. Listan innehåller en liten mängd av nya blandningar men också kända köldmedier, som t ex R32, propan och CO₂. Den kompletta listan över dessa ämnen anges i tabell 1 och diskuteras i detalj i publikationen av McLinden och hans kollegor [2].

Tabell 1. Potentiella köldmedier som identifierades [2]

Förväntad prestanda för framtida köldmedier

Potentiella ersättare jämförs ofta med varandra i fråga om energieffektivitet (uttryckt i COP) och volymetrisk köldalstring. Prestandan för potentiella framtida köldmedier har modellerats och jämförts med den för R410A. Resultaten av jämförelsen i grundcykeln (dvs. cykel som består enbart av förångare, kondensor, kompressor och en expansionsanordning) presenteras i Tabell 1 och Figur 2.

Som Figur 2 visar - alla potentiella nya ämnen (med undantag för R32 som inte kan betraktas som ett låg-GWP-köldmedium med GWP på 677) kräver avvägningar när det gäller köldfaktor och volymetrisk köldalstring. Några få vätskor (R1141 och R1123) kan ge högre volymetrisk köldalstring, på bekostnad av lägre energieffektivitet. Många av alternativen har betydligt lägre volymetrisk köldalstring (mer än en 50%-ig minskning för de flesta ämnen) och kommer därmed att kräva en betydligt större kompressor för att möta jämförbara kylbehov relativt R410A. Av denna anledning kan de inte betraktas som ”drop-in” ersättare eftersom deras användning kommer att kräva större systemförändringar. Det visade sig också att användningen av optimerade ångkompressioncykler kan förbättra den volymetriska köldalstringen för några av alternativen [2].

Framtida ersättningar för befintliga köldmedier

Ersättning av befintliga höga GWP köldmedier med ingen eller mindre systemförändringar (så kallade "drop-in" ersättning) ställer flera krav på de nya köldmedierna. Förutom skillnader i volymetrisk köldalstring, se figur 2, är de flesta av de identifierade framtida köldmedierna brännbara och kan därför inte användas säkert i det stora flertalet existerande system.

Endast två köldmedier i listan är icke brännbara: CO₂ och R1225ye(Z). Den första har kända nackdelar på grund av dess låga kritiska temperatur; R1225ye(Z) har en volymetrisk köldalstring på endast cirka en fjärdedel av R410A och är även giftig vid viss utsträckning.

Om reducerad brännbarhet önskas kan/kommer vissa köldmedier användas som komponenter i blandningar med icke brännbara köldmedier (som normalt har högre GWP). Många sådana blandningar är för närvarande under utveckling och flera används redan i några tillämpningar (e.g. R448A, R449A, R450A, R513A, etc.). Listan över köldmedier och köldmedieblandningar som redan är kommersiellt tillgängliga eller blir tillgängliga i överskådlig framtid presenteras i Figur 3.

Som slutsats – mängden möjliga, framtida köldmedier är begränsad. Några av de identifierade köldmedierna är redan kända, och kommer med utmaningar som kräver kompromisser och förändringar i befintliga kylsystem (t ex brännbarhet, giftighet). Ytterligare en mängd av alternativen kan uteslutas till exempel på grund av oro för problem med stabilitet och materialkompatibilitet.

I framtiden bör kylsystem konstrueras för att hantera de begränsningar som sätts av nya låga GWP- köldmedier. Samtidigt som det är en utmaning, är det också en möjlighet att designa om de konventionella systemen för att uppnå större förbättringar av energieffektiviteten. Ett aktuellt exempel på detta kan ses i form av de aktuella innovationer inom CO₂ för livsmedelskyla vi sett i Sverige och som kan ge 10-15% energieffektivitetförbättringar genom integrering av värme och luftkonditionering i kylsystemet.

Följ gärna våra publikationer och få vårt digitala nyhetsbrev. Anmäl dig .

Källor

[1] T. Midgley, ”From the periodic table to production,” Industrial and engineering chemistry, vol. 29, pp. 241-244, 1937.

[2] M. McLinden, S. Brown, R. Brignoli, A. Kazakov och P. Domanski, ”Limited options for low-global-warming-potential refrigerants,” Nature Communications, pp. 1-9, 2017.

[3] Bitzer, ”Refrigerant report 19,” 2016. Finns online på https://www.bitzer.de/shared_media/documentation/a-501-19.pdf