Onderzoekers van het National Institute of Standards and Technology hebben zojuist een meerjarig onderzoek afgerond om de "beste" kandidaten voor toekomstig gebruik te identificeren als koelmiddelen voor airconditioning met de minste impact op het klimaat.

Helaas, alle 27 vloeistoffen die door NIST zijn geïdentificeerd als de beste vanuit prestatieoogpunt, zijn op zijn minst licht ontvlambaar, wat niet is toegestaan ​​volgens de Amerikaanse veiligheidscodes voor het meeste eindgebruik. Verschillende vloeistoffen op de lijst van koelmiddelen zijn licht ontvlambaar, inclusief propaan, de brandstof voor buitengrills.

Met andere woorden, de NIST-studie vond geen ideaal koelmiddel dat een laag "global warming potential" (GWP) combineerde - een maat voor hoeveel warmte een gas zal vasthouden als het in de atmosfeer vrijkomt - met andere wenselijke prestatie- en veiligheidskenmerken, zoals zowel niet-ontvlambaar als niet-toxisch. De resultaten verschijnen in Natuurcommunicatie .

"De afhaalmaaltijd is dat er geen perfect is, gemakkelijke vervanging voor huidige koelmiddelen, NIST chemisch ingenieur Mark McLinden zei. we dachten dat er toch iets anders moest zijn. Blijkt, niet zo veel. Dus het was een beetje verrassend, een beetje teleurstellend."

Om de opwarming van de aarde te helpen verminderen, bijna 200 landen, waaronder de Verenigde Staten, in oktober 2016 is overeengekomen om het Montreal Protocol te wijzigen om tegen het midden van de eeuw de koelmiddelen die in de meeste airconditioningsystemen (AC) worden gebruikt, uit te faseren. De gedeeltelijke fase naar beneden, in plaats van een volledige uitfasering, erkende de ingewikkelde keuzes die gemaakt moeten worden om vervangers te selecteren. Gelukkig, waardevolle nieuwe gegevens zijn nu beschikbaar om die beslissingen te ondersteunen.

"De weg vooruit zal afwegingen met zich meebrengen, "Vervolgde McLinden. "De veiligheidscodes zouden kunnen worden herzien om het gebruik van licht ontvlambare koelmiddelen mogelijk te maken. Mengsels van twee of meer vloeistoffen kunnen een onbrandbaar koelmiddel opleveren, maar bij een hoger GWP. Kooldioxide is onbrandbaar, maar zou een volledig herontwerp van AC-apparatuur vereisen."

De huidige koelmiddelen zijn fluorkoolwaterstoffen (HFK's), die "broeikasgassen" zijn met hoge GWP's. Hoewel hun bijdrage aan klimaatverandering nu klein is, het zal naar verwachting snel toenemen, samen met het gebruik van airconditioning over de hele wereld. Het Montreal-protocol, het verdrag dat stoffen regelt die de beschermende ozonlaag van de aarde aantasten, leidde oorspronkelijk tot de introductie van HFK's als vervanging voor eerder gebruikte ozonafbrekende verbindingen.

Amerikaanse regelgevers erkennen al hoe moeilijk het is om nieuwe koelmiddelen te kiezen. De Environmental Protection Agency heeft geen specifieke GWP-limieten vastgesteld, maar heeft eerder vergelijkende risicoanalyses uitgevoerd voor elk koelmiddel en eindgebruik. De criteria omvatten atmosferische effecten en gerelateerde gezondheids- en milieueffecten, ecosysteemrisico's, consumentenrisico's, ontvlambaarheid, kosten en beschikbaarheid.

Om Amerikaanse beleidsmakers en de industrie te helpen de limieten en afwegingen te begrijpen die gepaard gaan met een uitfasering van de HFK's, NIST ondernam een ​​uitgebreide, vier jaar durende zoektocht naar de beste single-component, vervangende vloeistoffen met een laag GWP. GWP wordt gedefinieerd als het opwarmingsvermogen van één kilogram van een gas ten opzichte van één kilogram koolstofdioxide.

Het NIST-onderzoek was gericht op mogelijke vervangingsvloeistoffen voor kleine AC-systemen die typisch zijn voor huizen en kleine bedrijven. Een mengsel van HFK's, R-410A genaamd, is nu het meest populaire koelmiddel in dergelijke systemen. Deze AC-units zijn verzegeld, wat betekent dat ze geen HFK's in de atmosfeer mogen afgeven. Echter, de systemen kunnen lekken, en wanneer ze worden onderhouden of weggegooid, koelmiddel kan ontsnappen en niet worden teruggewonnen en gerecycled, aldus McLinden.

De studie screende een database van meer dan 60 miljoen chemicaliën, het schatten van de eigenschappen uitsluitend op basis van hun moleculaire structuur. Dit bouwde voort op een computationele methode die eerder bij NIST was ontwikkeld.

Omdat alle huidige koudemiddelen kleine moleculen zijn, de NIST-zoektocht was beperkt tot moleculen met 18 of minder atomen en slechts acht elementen die verbindingen vormen die vluchtig genoeg zijn om als koelmiddel te dienen. Dit eerste scherm resulteerde in 184, 000 moleculen om verder te overwegen.

Screening op energie-eigenschappen die overeenkomen met vloeistoffen die bruikbaar zijn in kleine AC-systemen en GWP van minder dan 1, 000 (conventioneel opgevat als de effecten over een tijdspanne van 100 jaar) leverden 138 vloeistoffen op. De onderzoekers simuleerden vervolgens de prestaties van deze 138 verbindingen in airconditioners. Een co-auteur aan de Katholieke Universiteit van Amerika in Washington, gelijkstroom, hielp bij het ontwikkelen van het simulatiemodel en het evalueren van de resultaten. Verdere screening om chemisch onstabiele of zeer giftige verbindingen of die met een lage energie-efficiëntie uit te sluiten, resulteerde in de definitieve lijst van 27 vloeistoffen met een laag GWP.

Propaan heeft een GWP van 3, veel lager dan de R-410A-waarde van 1, 924. Mogelijke koelmiddelen met de laagste GWP's zijn ammoniak, vaak gebruikt in grote industriële koelsystemen, maar giftig en licht ontvlambaar, en dimethylether, een drijfgas en potentiële brandstof die slechts iets minder ontvlambaar is dan propaan. Kooldioxide heeft een GWP van 1 en is onbrandbaar, maar het zou een ander type koelcyclus vereisen die bij zeer hoge drukken werkt. Andere verbindingen met een laag GWP zijn onder meer hydrofluorolefinen, een huidige focus van industrieel onderzoek, maar licht ontvlambaar.

Hoewel er geen specifieke GWP-limiet is in de Verenigde Staten, Er zijn uitfaseringsdata vastgesteld voor enkele van de HFK's met de hoogste GWP. (Koelmiddelen met een GWP van minder dan 750 zijn toegestaan ​​in de Europese Unie voor kleine AC-systemen.)

De lijst van NIST kan nieuwe ideeën bieden omdat er veel koelmiddelen in staan ​​die nog niet op de EPA-lijst van aanvaardbare vervangingsmiddelen staan. De koelindustrie is actief bezig met het ontwikkelen van nieuwe vloeistoffen die licht ontvlambaar, en de resultaten van de huidige studie ondersteunen deze cursus, aldus McLinden. Ergens naar uitkijken, de conclusies van de NIST-studie wijzen op de noodzaak om afwegingen te herkennen en aan te pakken bij de planning voor de toekomst, hij zei.

Bijvoorbeeld, hoe moeten veiligheidscodes worden gewijzigd om ervoor te zorgen dat brandbare koelmiddelen veilig kunnen worden gebruikt? Mengsels van verschillende koelmiddelen kunnen een compromis vormen tussen veiligheid en GWP. Bijvoorbeeld, een lage GWP maar ontvlambare vloeistof vermengd met een onbrandbare maar hoge GWP vloeistof kan resulteren in een onbrandbare vloeistof met een matige waarde van GWP, merkte McLinden op.