Meer dan een dozijn chemische mengsels zouden kunnen dienen als alternatieve koelmiddelen die de atmosfeer niet zo veel verwarmen als de huidige koelmiddelen, of in brand vliegen, volgens een nieuwe computationele studie van het National Institute of Standards and Technology (NIST).

De NIST-studie identificeerde de 22 "beste" niet-ontvlambare of licht ontvlambare mengsels met een lager aardopwarmingsvermogen (GWP) - een maatstaf voor hoeveel warmte een gas zal vasthouden als het in de atmosfeer vrijkomt - dan het huidige standaardkoelmiddel voor airconditioning in voertuigen (AC). ), genaamd R-134a (tetrafluorethaan).

De meeste van de geïdentificeerde mengsels combineren R-134a met een of twee andere commerciële koelmiddelen.

De nieuwe NIST-analyse, die werd uitgevoerd voor het Amerikaanse leger, maar ook van toepassing is op civiele toepassingen zoals AC-systemen voor huizen en auto's, is een follow-up van een NIST-studie uit 2017 waaruit bleek dat alle single-component, klimaatvriendelijke koelmiddelen waren op zijn minst licht ontvlambaar. Die studie suggereerde dat mengsels de optimale oplossingen zouden kunnen bieden.

"Het leger staat erop om niet-ontvlambare mengsels te willen, maar de civiele toepassingen bewegen zich steeds meer in de richting van op zijn minst licht ontvlambare mengsels, "NIST werktuigbouwkundig ingenieur en hoofdonderzoeker Ian Bell zei.

Om de opwarming van de aarde te helpen verminderen, bijna 200 landen, waaronder de Verenigde Staten, in 2016 overeengekomen om het Montreal Protocol te wijzigen om tegen het midden van de eeuw de koelmiddelen die in de meeste AC-systemen worden gebruikt, uit te faseren. De gedeeltelijke afbouw, in plaats van een volledige uitfasering, erkende de ingewikkelde keuzes die gemaakt moeten worden om vervangers te selecteren.

Voor de nieuwe studie NIST-onderzoekers selecteerden 13 vloeistoffen binnen een drukbereik, ontvlambaarheid, en GWP-waarden die een mengsel met de gewenste kenmerken zouden kunnen opleveren. Alle vloeistoffen hadden een lage toxiciteit en waren in de handel verkrijgbaar. De onderzoekers voerden een uitgebreide evaluatie uit van alle mogelijke combinaties van twee of drie van de 13 vloeistoffen.

De vloeistoffen omvatten hydrofluorolefinen, die een zeer laag GWP hebben maar licht ontvlambaar zijn; onbrandbare fluorkoolwaterstoffen (HFK's) met matige tot hoge GWP; licht ontvlambare HFK's; en kooldioxide, die niet ontvlambaar is en ook een zeer lage GWP van 1 heeft maar zou de werkdruk van een mengsel verhogen, wat onwenselijk is.

NIST-onderzoekers hebben geen mengsels gevonden die aan alle gewenste beperkingen voldeden:niet-ontvlambaarheid, laag GWP, hoog rendement (koeling per werkeenheid), en algehele koelcapaciteit vergelijkbaar met die van het R-134a-basissysteem.

De studie identificeerde 14 niet-ontvlambare mengsels die een verlaging van het GWP van, hoogstens, 51 procent vergeleken met R-134a's GWP van 1300. Nog eens acht mengsels die licht ontvlambaar waren, werden geïdentificeerd met GWP-verlagingen van maar liefst 99 procent. Onderzoekers simuleerden de prestaties van deze 22 mengsels in een gedetailleerd koelcyclusmodel. De studie werd uitgevoerd met behulp van computationele tools; onderzoekers zijn van plan laboratoriumexperimenten uit te voeren om de resultaten te verifiëren.

Het onderzoek bracht een aantal trends aan het licht. De meest veelbelovende niet-ontvlambare mengsels hebben een iets lagere efficiëntie in vergelijking met R-134a. Deze onbrandbare mengsels hebben een lagere GWP-limiet van 640; dit komt door de behoefte aan veel R-134a in het mengsel om de ontvlambaarheid van vloeistoffen met een laag GWP te onderdrukken. Andere mengsels die een aanzienlijke hoeveelheid kooldioxide bevatten, waren ook niet-ontvlambaar, maar deze hadden een zeer lage efficiëntie in vergelijking met R-134a en werden niet als levensvatbare alternatieven beschouwd.

Er is ook een algemene trend van toenemende efficiëntie samen met GWP en ontvlambaarheid. Dit komt omdat vloeistoffen met een lager GWP vaak complexere moleculen zijn en deze complexiteit de koelprestaties kan belemmeren.

"De 'goede' mengsels die we hebben gevonden, zijn zeer onbrandbaar, ' waarschuwde Bell. 'Dat betekent niet dat ze niet nog steeds zullen branden in de juiste omgeving. We moeten voorzichtig zijn, omdat dit een soort duistere kunst is. Er is een fundamentele afweging:als u echt niet-ontvlambaarheid en efficiëntie wilt, je krijgt ze niet allebei. Je krijgt het een of het ander."