Historisk tillbakablick: Inte så mycket är nytt under solen
Hur har kyltekniken historiskt sett ut – och hur kan den komma att se ut i en framtid? För ett antal tusen år sedan grävdes is och snö ned i gropar för att sparas till den varmare delen av året där isen då användes för att kyla främst matvaror och drycker. Det tillvägagångssättet fungerade där det fanns tillgång till snö och is under delar av året. Även i ganska moderna tider var isskåp i våra hem det vanligaste sättet att hålla mat kyld.
På platser där det inte fanns tillgång till den eftertraktade isen fick andra lösningar tas till för att erhålla en kyld miljö. Under bland annat Egyptens storhetstid användes en typ av evaporativ kylteknik med vatten som huvudmedia.
Även mer finurliga system där vind fångades in och fick passera över vatten i underjordiska kanaler byggdes för att skapa lägre temperaturer.
Hoppar vi fram till 1800-talet och industrialiseringen av världen börjar det verkligen hända saker som utvecklar kyltekniken och lägger grunden till den teknologi vi har i dag. Så tidigt som 1805 presenterade Oliver Evans en idé med förångning, kompression och kondensering av ett media för att skapa kylda utrymmen. Han gjorde dock aldrig verklighet av sina idéer, varför det är en annan innovatör som har fått äran för den tekniken. Jacob Perkins fick 1834 patent på kompressorkyltekniken när han byggde det första kylskåpet.
Köldmediet som användes då var eter (C2H5)2O (R-E170). Som köldmedia är det förhållandevis bra, men det har en viktig nackdel, och det är dess höga brännbarhetsfaktor. Andra entreprenörer förfinade dock upptäckten och hittade andra alternativa köldmedier som hade bättre, men inte helt optimala egenskaper. Det var koldioxid CO2 (R744), ammoniak NH3 (R717) och propan C3H38(R290) som blev de vanligaste köldmedierna vid den tiden. Även SO2 (R764) förekom i dåtidens aggregat.
1850 fick Alexander Twinning ett patent för ett kylaggregat med koldioxid som köldmedia. Koldioxid ansågs då vara ett säkerhetsköldmedia då det inte var giftigt eller brännbart. Dock hade man svårt att hitta en lösning för koldioxidens låga kritiska punkt, vilken inträffar vid 31 °C. Koldioxid har även ganska höga tryck, 31 °C motsvarar 73 bar(a), vilket gjorde det svårt att hålla instängt i aggregaten. Det var oftast öppna kompressorer och det ville gärna bli läckage vid axeltätningen. Bristen på komponenter, som exempelvis förångare, som klarade höga tryck var även det en begränsning för koldioxid som köldmedia.
Ammoniak var även det ett vanligt köldmedium i slutet av 1800-talet och är fortfarande ett vanligt köldmedia i lite större aggregat. Ammoniak har många bra egenskaper, det är effektivt, det håller rimliga tryck, det är lätt att läcksöka på grund av sin karaktäristiska doft och det fungerar till både kyl, frys och värmeproduktion. Det finns så klart även några avgörande nackdelar, det är giftigt och det luktar väldigt starkt vilket gör det olämpligt i publika lokaler. I höga koncentrationer kan det även bli brännbart.
Tittar vi nu på propan tror jag att alla som läser det här vet att det är väldigt brandfarligt. De flesta känner igen propan som gasol. Enligt en känd leverantör innehåller deras gasol 95 procent propan. Som köldmedia är propan väldigt bra och ger förhållandevis mycket kyleffekt med ganska små fyllnadsmängder. Det fungerar mycket bra i värmepumpar och till kyl och frysapplikationer. Dess höga brännbarhet gör det dock mindre lämpligt till större installationer med direkt expansion (förångning) i det kylda utrymmet.
1922 såg det första kommersiellt gångbara kylskåpet dagens ljus och det blev en stor framgång för Electrolux
Svaveldioxid slog aldrig igenom i samma utsträckning som ammoniak och koldioxid. Det kan nog förklaras av dess giftighet. Det krävs väldigt små mängder svaveldioxid för att människor som andas in gasen ska komma till skada.
De unga studenterna Carl Munters och Baltzar von Platen studerade vid KTH och gjorde ett mycket intressant examensarbete där de skapade ett kylaggregat utan rörliga delar. Deras uppfinning köptes av företaget Arctic som sedermera blev Electrolux. De båda studenterna fick anställning på företaget och utvecklade sitt examensarbete ytterligare. 1922 såg det första kommersiellt gångbara kylskåpet dagens ljus och det blev en stor framgång för Electrolux.
Alla dessa köldmedier har både för-och nackdelar, vilket i någon form gjorde dem svåra att hantera. Det forskades fram nya syntetiska säkerhetsköldmedier som presenterades runt 1920. Det var då som CFC-medierna såg dagens ljus för första gången. De presenterades som lösningen på alla de nackdelar som tidigare medier drogs med. De var inte giftiga, de hade rimliga tryck, de var inte brandfarliga och de var hyfsat energieffektiva.
Efter en kortare tid kompletterades de med HCFC-medier, exempelvis R22. I slutet av 1960-talet och början av 1970-talet började dock några forskare att fundera på vad som orsakade det allt tunnare ozonlagret i atmosfären. Ozonlagret skyddar oss mot skadlig strålning från solen och om det skulle försvinna skulle det bli en stor ökning av skador på befolkningen. Under 1970-talet fastställde forskarna Sherwood Rowland och Mario Molina CFC-gasernas påverkan på ozonlagret. Deras upptäckter resulterade i Montrealprotokollet från 1987 som bidrog till att förbjuda CFC-gaser. De var hårt kritiserade för sina upptäckter men fick senare Nobelpriset i kemi 1995 tillsammans med Paul Crutzen.
CFC-medierna skulle nu ersättas av köldmedier som inte hade någon ODP-faktor, alltså med medier som inte påverkade ozonlagret. Valet föll på HFC-medier, och det är dessa köldmedier som vi fortfarande använder. Forskning har dock påvisat att de har förhållandevis hög GWP-faktor, vilket gör att de påskyndar den globala uppvärmningen. I slutet av 1997 antogs Kyotoprotokollet där utsläpp av växthusgaser kom att regleras.
Personligen är jag helt övertygad om att vi kommer att se en mix av naturliga köldmedier i framtidens aggregat.
Utifrån denna överenskommelse skapades F-gasförordningen som i dag helt och hållet styr användandet av F-gaser där HFC-medierna ingår. F-gasförordningen föreskriver en nedtrappning av användandet av köldmedier med hög GWP-faktor.
I slutet av 2023 omarbetades F-gasförordningen, och i skrivande stund har det blivit klart vad dessa förändringar kommer att innebära för kyltekniken i framtiden. Vi ser nu att att HFC-medier av olika anledningar inte kommer att vara gångbara i framtiden och det kommer att återigen ske ett utbyte av köldmedier. Senast år 2050 ska de syntetiska medierna vara utfasade.
Vad har då framtidens kylaggregat för köldmedier? Nu har vi kommit fram till avdelningen för kvalificerade gissningar, och det är alltid roligt att se om gissningarna slår in eller inte. Personligen är jag helt övertygad om att vi kommer att se en mix av naturliga köldmedier i framtidens aggregat. Koldioxid (R744) har redan tagit ett fast grepp om framför allt butiksinstallationer, men är även väldigt väl lämpat för isbanor och har en fantastisk potential för värmeproduktion.
Numera har en metod för att hantera den låga kritiska punkten tagits fram vilket gör att dessa aggregat är väldigt mycket lättare att installera även om kondenseringen går över 31 °C. Det gör även att de fungerar mycket bra som värmepumpar med lite större effektbehov. Det finns ett antal lyckade installationer där stora mängder energi sparas in med hjälp av koldioxidvärmepumpar. Den stora förändringen är att styr- och reglerfunktioner har utvecklats för att hantera transkritisk drift.
Små kommersiella ”plug in”-maskiner är i dagsläget propanaggregat (R290) och för hushållskyla är Isobutan (R600a) det vanligast förekommande köldmediet.
Hoppar vi nu från de riktigt små aggregaten till de riktigt stora är det med stor sannolikhet ammoniak som blir det mest populära köldmediet. Totalt sett ser vi många nya installationer med något av dessa köldmedier.
Det forskas just nu på mer användning av HC-medier där butan och pentan ligger långt framme i diskussionerna. Med dessa köldmedier verkar det kunna gå att producera riktigt höga temperaturer vilket skulle kunna göra stora värmepumpar till ett alternativ vid kommersiell drift. Vi får avvakta och se vad framtiden utvisar.
Naturligtvis forskas det även på nya köldmedieblandningar som skulle kunna få användbara egenskaper. Det finns några intressanta varianter där naturliga köldmedier mixas med varandra.
Sammanfattningsvis är vi alltså tillbaka på ruta 1 igen, och det är nog helt rätt väg att gå då syntetiska köldmedier ofta verkar påverka miljön förhållandevis mycket.
Text: Mikael Dagberg, utbildningsansvarig, Nordic Climate Group
