Köldmediekartan ritas om

Hårdare krav på global uppvärmningspotential, GWP, gör att många köldmedier snart kommer att behöva fasas ut. Hur de ska ersättas grunnar forskare och tekniker på runtom i världen just nu.

- Olika delar av världen kommer att använda olika nya tekniker, det är uppenbart. Till exempel finns inte en enda propanvärmepump på den amerikanska marknaden ännu, medan 50 procent av de schweiziska värmepumparna använder propan, säger Eckhard Groll, professor i maskinteknik vid Purdue-universitetet i USA.
Han är en av alla de forskare som arbetar med att utveckla nya kyltekniker som fungerar med alternativa köldmedier. Teknikerna kommer att behövas snart, eftersom Kyotoprotokollet kräver en minskning i utsläppen av alla gaser som kan påverka den globala uppvärmningen. Däribland förgasade köldmedier som slipper ut vid skrotning, service och läckor i kylsystem.

För höga värden
Det index som används kallas global uppvärmningspotential, GWP, och redan nu sätter EU:s direktiv för mobila kylanläggningar (MAC) en gräns för GWP på 150. Det innebär att även relativt nyutvecklade köldmedier som R134a, med GWP på 1300, snart måste fasas ut. I stort sett alla köldmedier som brukar kategoriseras som HFC:er kommer att behöva ersättas om några år på grund av för högt GWP.

Bland ersättarna finns nygamla så kallade naturliga köldmedier som etan, propan, propen, isobutan, ammoniak, vatten och koldioxid. Forskare undersöker också nya blandningar av naturliga köldmedier och HFC:er. Dessutom testas nya syntetiska köldmedier som benämns som HFO:er. Exempelvis finns en ny serie köldmedier med namnet Opteon som skulle kunna ersätta R134a.

Nu är det inte bara att tömma ut det gamla köldmediet och hälla in ett annat. Olika köldmedier har olika termodynamiska egenskaper och olika beteenden vid olika driftfall. De kan vara mer eller mindre giftiga och brandfarliga. Därför krävs många studier av de alternativa köldmedierna.

62 av 50 000 fungerade
En stor, övergripande studie genomfördes för ungefär ett år sedan vid amerikanska National Institute of Standards and Technologies, NIST. Institutet utvecklade en datormodell för att testa egenskaper hos olika potentiella nya köldmedier med lågt GWP. Av 56 000 testade kemiska föreningar visade sig bara 62 stycken ha tillräckligt låga kokpunkter för att fungera som köldmedier i de vanligaste kylutrustningarna. Forskarna såg också att det huvudsakligen handlade om halogen-olefiner (exempelvis HFO:er och HCFO:er).
- Det är tydligt att ångkompressionscykeln kommer att behöva modifieras i många utrustningar för att uppnå maximal effektivitet, säger teknologie doktor Mark O. McLinden vid NIST i en kommentar till sin undersökning.
Forskarna på NIST fortsätter nu att noggrannare utvärdera 1 200 kemiska föreningar som skulle kunna fungera som köldmedier med tillräckligt lågt GWP.

Studier på KTH
I Sverige pågår studier bland annat på KTH i Stockholm. I ett projekt undersöks för närvarande fyra olika köldmedier med GWP under 150. Två kolväten, R290 (propan) och R1270 (propen), en HFC - R152a (difluoretan) - och en HFO, R1234yf. Köldmediet R410A med GWP runt 2 000 används som referens. Bland annat görs livscykelanalyser med avseende på klimatpåverkan, LCCP, av köldmedierna i en 30 kilowatts värmepump.

Resultaten hittills i projektet, som ska pågå till nästa sommar, visar att R1234yf har högst livscykelutsläpp av växthusgas jämfört med de tre andra köldmedierna. R1234yf är också det dyraste alternativet just nu på grund av att det tillverkas i relativt liten mängd. Köldmediet har även väckt debatt inom bilindustrin där det används i en del luftkonditioneringssystem. Kritikerna menar att det kan medföra ökad brandrisk vid en krock, eftersom R1234yf innehåller en liten mängd butan. Fördelen är att det kan användas direkt som ersättning för R134a i mobila kylanläggningar.

Propan, propen och difluoretan är ungefär likvärdiga ur GWP-perspektiv. Testerna i värmepumpen visade att minskningen i utsläppta koldioxidekvivalenter var avsevärd för alla de testade köldmedierna.
- Jag är säker på att det är möjligt att hitta mer miljövänliga ersättningar för alla tillämpningar, men kanske inte för alla köldmedier. I många fall kommer användningen av köldmedier med lågt GWP att kräva kompromisser med andra egenskaper, säger Pavel Makhnatch, doktorand vid KTH Energiteknik.

Det har gått förr
Det finns mycket kvar att göra om köldmedier ska kunna bytas ut överallt. Samtidigt visar historien att det ofta går bra till slut. När kraven kom på att fasa ut freonerna (främst CFC) på 1970-talet var det många som inte trodde att de skulle gå att ersätta. Och när propan introducerades som alternativ fanns mycket skepsis kring brandriskerna. Men det har visat sig fungera bra både att byta ut freonerna och att använda propan som köldmedium. Koldioxid som används i så kallade transkritiska kylsystem ställer extra höga krav på handhavande och kontroll av utrustningen, liksom ammoniak, men uppskattas ändå av många användare.
Ingen vet säkert ännu hur den nya köldmediekartan kommer att se ut om några år. Det enda vi kan vara säkra på är att kartan ritas om.
- Jag tror att vi kommer att få se en ökning i användandet av ammoniak och kolväten för fler tillämpningar i USA. Men omställningen går långsamt, eftersom mycket ny teknik behövs, säger Eckhard Groll vid Purdue-universitetet.
- Det blir också olika tekniker för olika användningsområden på olika platser i världen. Till exempel utvecklar och säljer Whirlpool kylskåp och frysar med isobutan för Västeuropa, medan köldmediet i produkterna för den amerikanska marknaden är R134a, tillägger han.

Marie Granmar, Energi & Miljö nr 8 2013 sidan 34-35