Köldmedier: vad förväntas i framtiden

skriven av Pavel Makhnatch (under handledning av Rahmatollah Khodabandeh och Björn Palm)

Publicerad 2017-06-15

När det kommer till flera av våra vanligaste syntetiska köldmedier (t ex R404A, R134a, R410A) måste användningen minskas avsevärt om vi ska kunna följa gällande regler och nå miljömålen. Framtida kylanläggningar kommer att behöva använda köldmedier med lägre GWP-värden. I den här artikeln gör vi en kort genomgång av vad vi kan förvänta oss 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].

Figur 1. Ämnen som identifierats som lämpliga att användas för köldmedier [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]

Ämne

ASHRAE numrering

GWP100

Kolväten och dimetyleter

Etan

R170

6

Propen (propylen)

R1270

2

Propan

R290

3

Dimetyleter

RE170

1

Cyklopropan

RC270

86

Fluorerade alkaner (HFCer)

Fluorometan

R41

116

Difluorometan

R32

677

Fluoroetan

R161

4

1,1-Difluoroetan

R152a

138

1,1,2,2-Tetrafluoroetan

R134

1120

Fluorerade alkener (HFOer) och alkyner

Fluoroeten

R1141

<1

1,1,2-Trifluoroeten

R1123

3

3,3,3-Trifluoroprop-1-yn

NA

1.4

2,3,3,3-Tetrafluoroprop-1-en

R1234yf

<1

(E)-1,2-difluoroeten

R1132(E)

1

3,3,3-Trifluoroprop-1-en

R1243zf

<1

1,2-Difluoroprop-1-en

R1252ye

2

(E)-1,3,3,3-tetrafluoroprop-1-en

R1234ze(E)

<1

(Z)-1,2,3,3,3-pentafluoro-prop-1-en

R1225ye(Z)

<1

1-Fluoroprop-1-en

R1261ze

1

Fluorinerade oxygenater

Trifluoro(metoxy)methan

RE143a

523

2,2,4,5-Tetrafluoro-1,3-dioxol

NA

1

Fluorinerade kväve och svavelföreningar

N,N,1,1-tetrafluormetanamin

NA

20

Difluorometanthiol

NA

Trifluorometanthiol

NA

Oorganiska föreningar

Koldioxid

R744

1

Ammoniak

R717

<1

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.

Figur 2. Modellerad diagramköldfaktor och volymetrisk köldalstring (jämfört med R410A) för utvalda köldmedier [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.

Figur 3. Listan över köldmedier som finns redan kommersiellt tillgängliga eller kommer att finnas i överskådlig framtid [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 här .

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

Nyheter

Titel Datum
Utvecklingen på köldmediefronten under året som gått 2019‑01‑03
Köldmedier med lågt GWP: tidigare och pågående projekt 2018‑12‑03
Miljövänliga kylsystem behövs för att mildra klimatförändringen 2018‑09‑28
Naturliga köldmedier diskuterades under Gustav Lorentzen-konferensen 2018‑08‑14
Forskning med fokus på säker användning av brännbara köldmedier 2018‑07‑11
Höjdpunkter från ICCC 2018 - om hållbarhet och den obrutna kylkedjan 2018‑04‑30
Effekterna av F-gasförordningen oroar värmepumpsindustrin 2018‑04‑30
F-gasförordningens kvoter är på plats – men är vi på väg att uppfylla målen? 2018‑02‑08
Utvecklingen på köldmediefronten under året som gått 2018‑02‑07
F-gaser: vet vi vilka de är? 2018‑02‑07
Utsläppen av fluorerade gaser och deras utsläppsminskning 2018‑01‑09
Tio icke-brännbara alternativ till R404A 2017‑08‑24
Köldmedier: den aktuella utvecklingen 2017‑08‑22
Framtiden för R404A och andra köldmedier med höga GWP-värden när priserna stiger 2017‑08‑09
Köldmedier: vad förväntas i framtiden 2017‑06‑15
Standarder och deras roll i kylindustrin 2017‑02‑07
Detta hände på köldmediefronten under året som gått 2017‑01‑27
Miljövänliga köldmedier för framtiden 2017‑01‑27
Ett alternativ för att ersätta R404A i små kylsystem 2016‑11‑14
Senaste nytt från ”Gustav Lorentzen Natural Working Fluids Conference” i Edinburgh UK 2016‑11‑13
Möjligheter och utmaningar för R152a. Del 2. 2016‑11‑12
Möjligheter och utmaningar för R152a. Del 1 2016‑11‑12
Miljöindikatorer TEWI och LCCP 2016‑06‑02
Källor för köldmediers termodynamiska egenskaper 2016‑03‑23
Några frågor från våra läsare 2016‑03‑18
Utvecklingen på köldmediefronten under året som gått 2016‑03‑18
Potentiella faror med ”TriFluorättiksyra” (TFA) 2015‑11‑01
Senaste nytt om köldmedier med låg växthuseffekt från ”IIR International Congress of Refrigeration” 2015‑11‑01
Något om HFO köldmedier 2015‑10‑31
Något om köldmediers brännbarhet 2015‑06‑22
Nya möjligheter för R32 2015‑06‑20
Guiden till guider om F-gasförordningen 2015‑04‑21
Kort om R1234ze 2015‑04‑21
Vilka köldmedier ersätter R404A? 2014‑10‑22
R1336mzz-Z – ett nytt högtemperaturköldmedium med bra egenskaper 2014‑09‑21
Köldmedier med låg GWP för högtemperaturvärmepumpar 2014‑09‑21
Säkerhet av nya låg GWP köldmedier 2014‑09‑05
Vilket mått ska vi använda för köldmediernas klimatpåverkan? 2014‑04‑16
Något om hur GWP-värden bestäms 2014‑04‑23
Nya F-gasförordningen, ännu ett steg närmare beslut! 2014‑02‑02
Utvecklingen på köldmediefronten det senaste året 2014‑02‑02
Att definera "Låg GWP" 2013‑11‑04
Vilket köldmedium ersätter R410A? 2013‑11‑03
Nya möjligheter för naturliga köldmedier 2013‑10‑31
Sökandet efter nya köldmedier fortsätter! 2013‑10‑30
Osäker framtid för fluorerade köldmedier 2013‑10‑29
Senaste nytt om mobilkyla 2013‑10‑28
Är R1234yf framtidens köldmedium för mobilkyla? 2013‑10‑26
Miljö mätmetoder för utvärdering av kylsystem drift 2013‑10‑25
Låga GWP alternativa köldmedier i värmepumpar 2013‑10‑25
Mercedes-Benz önskar att fortsätta att använda utprovade och testade R-134a köldmedium i personbilar 2012‑09‑28
Stabilitet och kompatibilitet av HFO-köldmedier 2012‑08‑07
Förfalskade köldmedier blir allt vanligare 2012‑07‑16
Europeiska Kommissionen fastställer nya tidsfristen: tillverkare kan fortsätta att använda det gamla 2012‑05‑18
Sverige accelererar övergången till HFC alternativen 2012‑05‑10
Köldmedium effekt på systemprestanda 2012‑05‑08
Välkomna 2012‑03‑30