Gas refrigeranti per pompe di calore: vantaggi, caratteristiche e impatto ambientale.
La diffusione delle pompe di calore come tecnologia per il riscaldamento e il raffrescamento degli edifici ha registrato un graduale aumento negli ultimi anni, favorita dalla maggior consapevolezza ambientale dei consumatori. Questa tecnologia, infatti, costituisce un'opzione efficiente e rispettosa dell'ambiente rispetto ai tradizionali sistemi basati su combustibili fossili.
Al centro del funzionamento delle pompe di calore vi sono i gas refrigeranti, fondamentali per creare un ciclo termodinamico che permetta il trasferimento di calore da una sorgente a bassa temperatura a una a temperatura più elevata.
In questo articolo analizzeremo i diversi tipi di gas refrigeranti disponibili, i loro vantaggi, le loro caratteristiche e l'impatto ambientale.
Cosa sono e funzione
Gas refrigeranti: cosa sono.
I gas refrigeranti sono sostanze chimiche impiegate in diversi sistemi per il controllo della temperatura, dagli elettrodomestici come frigoriferi (industriali e domestici) a impianti di climatizzazione e strumentazioni specifiche (es. essiccatori).
Nel corso degli anni sono state utilizzate diverse tipologie di gas refrigeranti, di cui la prima fu l'ammoniaca, seguita da cloro e idrocloro.
Il 1928 segnò l'introduzione del freon, un refrigerante sintetico che divenne rapidamente il più diffuso. Negli anni '70 emerse però la sua pericolosità: i gas refrigeranti a base di cloro, come il freon, contribuivano alla formazione del buco dell'ozono, rendendo necessaria la ricerca di alternative più sostenibili.
Perchè sono così importanti per le pompe di calore?
I refrigeranti sono sostanze che trasferiscono efficacemente il calore e sono utilizzati in molti dispositivi di uso quotidiano. Sono essenziali per il funzionamento delle pompe di calore, che li utilizzano per sfruttare l'energia termica dell'ambiente nelle abitazioni per fornire riscaldamento e acqua calda.
I refrigeranti assorbono infatti il calore dall'ambiente circostante attraverso uno scambiatore di calore e lo rilasciano nel sistema di riscaldamento attraverso un altro scambiatore di calore grazie un processo termodinamico basato sul passaggio di fase del refrigerante.
Tipi di gas refrigerante
Refrigeranti naturali vs refrigeranti sintetici (Fgas).
Si dividono in due tipi: refrigeranti naturali e sintetici.
- Refrigeranti naturali
- Refrigeranti sintetici (Fgas)
I refrigeranti naturali sono sostanze presenti in natura, come idrocarburi, anidride carbonica, ammoniaca, acqua e aria. Questi refrigeranti hanno un impatto ambientale estremamente ridotto e sono considerati sicuri per l’ambiente, poiché non contribuiscono in modo significativo al riscaldamento globale e non danneggiano lo strato di ozono.
Vaillant è stata tra le prime aziende a commercializzare con successo pompe di calore che utilizzano il refrigerante naturale propano (R290).
Esempi
Esempi di gas refrigerante.
- Idrofluorocarburi (HFC)
I gas HFC (senza cloro) sono stati ampiamente utilizzati in passato, ma il loro elevato potenziale di riscaldamento globale (GWP) ha portato alla loro graduale eliminazione.
Tra i più comuni HFC troviamo l'R410A.
- Idrocarburi (HC)
I gas HC, come il propano (R290), sono alternative naturali con un GWP molto basso.
Tuttavia, essendo infiammabile, il gas R290 viene ritenuto pericoloso richiedendo, pertanto, una maggiore attenzione durante l'installazione e la manutenzione.
- IdroFluoroOlefine (HFO)
I gas HFO, come l'R1234yf, offrono un buon compromesso tra efficienza energetica e GWP ridotto. Sono però relativamente nuovi e il loro costo è ancora elevato.
- Ammoniaca (R717)
L'ammoniaca è un refrigerante naturale con un GWP pari a zero. Tuttavia, è tossico e corrosivo, quindi richiede precauzioni specifiche per la sua gestione.
Gas effetto serra: quali sono dannosi?
Refrigeranti come i CFC e i HCFC (Clorofluorocarburi e Idroclorofluorocarburi) sono stati banditi a causa del loro effetto dannoso sullo strato di ozono atmosferico in caso di dispersione nell'ambiente.
A partire dagli anni Novanta, queste sostanze sono state gradualmente sostituite dai gas HFC, come i gas R404a, R410a e R32, oggi i più diffusi. Ciò nonostante, pur essendo meno deleteri per l'ozono, questi gas hanno comunque un significativo e pericoloso impatto sul clima.
Utilizzo dei gas refrigeranti ed impatto ambientale
Il potenziale di riscaldamento globale (GWP) è il punto in cui naturale e sintetico si differenziano.
L'effetto dei gas refrigeranti sul pianeta, in particolare dei gas fluorati, è alquanto significativo ed è importante citarne il potenziale inquinante e le possibili conseguenze sull’ambiente del loro utilizzo.
I parametri che rappresentano la pericolosità di questi gas per l’atmosfera sono principalmente due:
- ODP - Ozone Depletion Potential: ovvero la capacità dei gas refrigeranti di danneggiare lo strato di ozono;
- GWP - Global Warming Potential: che indica il loro potenziale di riscaldamento globale.
Come criterio di riferimento per determinare l'impatto ambientale di questi gas viene utilizzata l’anidride carbonica. Il suo GWP, convenzionalmente fissato a 1, rappresenta una "misura standard" per comparare l'effetto serra di altri gas. Il Global Warming Potential dei vari gas serra, infatti, viene sempre valutato in relazione a quello dell'anidride carbonica. In questo modo è possibile comprendere meglio l’incidenza che un determinato tipo di gas ha sul surriscaldamento globale.
Ad esempio, il gas R32 ha un GWP di 675, ciò significa che l'emissione di 1 Kg di questo gas equivale all'emissione di 675 Kg di anidride carbonica.
Ancor più significativo è il dato del gas R410a, ancora ampiamente usato in pompe di calore e condizionatori elettrici, che ha un GWP di 2080.
È preferibile utilizzare gas con ODP e GWP bassi o nulli per ridurre al minimo l'impatto ambientale.
Refrigeranti chiave per pompe di calore.
| Refrigerante | Tipo | Applicazioni principali | Impatto ambientale | Punti chiave |
|---|---|---|---|---|
| R410A | Gas HFC | Pompe di calore residenziali e commerciali | Nessun danno all'ozono, elevato GWP | Più efficiente rispetto ai refrigeranti più vecchi, comunemente utilizzato nelle pompe di calore. |
| R744 (CO₂) | Refrigerante naturale | Pompe di calore, banchi frigoriferi nei supermercati | GWP molto basso, alta pressione | Sostenibile, non infiammabile, richiede componenti di sistema robusti. |
| R290 (propano) | Refrigerante naturale | Pompe di calore, climatizzatori | GWP molto basso, infiammabile | Ecologico ed efficiente, richiede misure di sicurezza a causa della sua infiammabilità. |
Il futuro dei gas refrigeranti
Normativa Europea sui gas fluorurati a effetto serra.
Allo scopo di scongiurare i disastrosi effetti ambientali che potrebbero scaturire dall’utilizzo negli anni di queste sostanze, dal 1° gennaio 2025, il Regolamento Europeo 2024/573 sui gas fluorurati vieta l'uso di gas con un GWP (potenziale di riscaldamento globale) superiore a 750 nei condizionatori residenziali con carica di gas fino a 3 kg. Questo significa che il gas R-410A, con un GWP di 2088, non potrà più essere utilizzato in questi sistemi.
Il processo normativo europeo che ha portato alla decisione riportata sopra è stato piuttosto graduale: dal 2015 è stato completamente vietato l'uso del gas R22, mentre nel 2014 è stato pubblicato il regolamento 517/2014 sugli F-Gas, il quale ha stabilito una serie di obblighi progressivi che sono poi stati modificati e aggiornati a loro volta dall’ultimo Regolamento 2024/573 entrato in vigore l’11 marzo del 2024.
Questi tempi dilatati sono necessari per consentire la conversione o la sostituzione degli impianti che utilizzano gas vietati con soluzioni più moderne e meno inquinanti, processi che richiedono tempi considerevoli.
Cosa prevede la normativa europea F-gas?
Il regolamento 2024/573 introduce diverse novità significative, tra cui:
- una progressiva riduzione delle emissioni totali di F-Gas sul mercato europeo, misurate in tonnellate di CO2 equivalente, incoraggiando l'uso di gas con un Global Warming Potential (GWP) inferiore;
- il divieto di utilizzare gas con un GWP superiore a 750 nei condizionatori residenziali con una carica di gas fino a 3 kg a partire dal 2025;
- l'obbligo di utilizzare refrigeranti naturali come l’R290 a partire dal 2032 per le apparecchiature monoblocco di potenza fino a 12 kW;
- l'obbligo di utilizzare refrigeranti naturali come l’R290 a partire dal 2035 per le apparecchiature split di potenza fino a 12 kW;
- l'obiettivo del regolamento è ridurre del 95% le emissioni di F-gas entro il 2030 rispetto alla media del periodo 2009-2012.
Tuttavia, data l'accelerazione del riscaldamento globale, la Commissione Europea ha proposto una revisione anticipata del regolamento, per cui, a partire dal 2027, sarà vietato l’utilizzo di F-gas con un GWP superiore a 150 in sistemi di aria condizionata e pompe di calore di piccole dimensioni.
È importante notare che l'Europa non è l'unica a muoversi in questa direzione: gli Stati Uniti, negli ultimi mesi del 2021, hanno annunciato l'intenzione di ridurre le loro emissioni di idrofluorocarburi dell'85% entro il 2035.
In questo contesto, diventa sempre più vantaggioso - sia dal punto di vista ambientale che economico - optare per soluzioni di condizionamento che non richiedano l'uso di gas HFC e, di conseguenza, non siano soggette alle restrizioni imposte dal regolamento europeo sugli F-gas.
Gas a GWP basso
Nuove generazioni di gas refrigeranti a impatto ambientale ridotto.
Attualmente sul mercato sono disponibili diversi refrigeranti a impatto ambientale ridotto, valutati in base ai loro effetti sull'ozono (ODP) e al contributo apportato al riscaldamento globale (GWP). Questi refrigeranti, noti come HFO o refrigeranti A2L di quarta generazione, hanno un ODP pari a zero e GWP trascurabili (<1). Ad esempio, l'R-454C, una miscela refrigerante HFO, ha un GWP di 148, inferiore rispetto al GWP di 3922 dell'R-404A, il quale viene sostituito. Si tratta di gas adatti ai sistemi di refrigerazione commerciale e industriale a bassa e media temperatura precedentemente progettati per l'R-404A e l'R-134A.
I refrigeranti A2L presentano le medesime caratteristiche operative di quelli tradizionali, ma offrono un profilo più sicuro rispetto all'ammoniaca e agli idrocarburi nonché una maggiore efficienza energetica rispetto all'R-410A. I nuovi HFO, però, presentano limitazioni in termini di sicurezza, principalmente legate alla loro infiammabilità e tossicità, oltre alle elevate pressioni di esercizio. Attualmente, la maggior parte di essi è classificata come blandamente infiammabile (A2L - basso livello tossico e leggermente infiammabile), il che comporta alcune restrizioni nell'uso e nella gestione.
In aggiunta, questa tipologia di refrigeranti è soggetta ad una restrizione legata alla loro composizione chimica che li fa rientrare nella definizione di sostanze PFAS (perfluoroalchilici e polifluoroalchiche).
Nel gennaio del 2023, cinque Paesi (Danimarca, Germania, Paesi Bassi, Norvegia e Svezia) hanno presentato una proposta all'Agenzia Europea per le Sostanze Chimiche (ECHA) per ottenere una restrizione proprio sulle sostanze chimiche PFAS. La proposta sosteneva che la produzione, l'immissione sul mercato e l'uso di PFAS non sono adeguatamente controllati e devono essere affrontati attraverso il regolamento europeo REACH. Il regolamento REACH (Registration, Evaluation, Authorisation and Restriction of Chemicals) disciplina quali sostanze chimiche possono essere prodotte e utilizzate all'interno dell'UE.
Le sostanze PFAS – perfluoroalchilici e polifluoroalchiche – sono note per essere altamente persistenti nell'ambiente, contaminando le acque sotterranee, le acque superficiali e il suolo e causando gravi effetti sulla salute come il cancro e danni al fegato. Le proposte di restrizione includono una nuova definizione chimica di PFAS che potrebbe portare sostanzialmente al divieto di tutti i refrigeranti HFC e HFO.
R32 e R290
Gas R32 e R290 sono alternative valide al R-410A?
Attualmente, la prassi comune per le pompe di calore è l'impiego di idrocarburi fluorurati, inclusi gli HFC e gli HFC alogenati. Parliamo dell'R410A, un refrigerante ampiamente impiegato negli impianti di condizionamento e nei chiller per il raffreddamento nelle residenze private. Questo ha preso il posto dell'R22 nei condizionatori d'aria, a seguito del divieto totale di quest'ultimo nei paesi dell'Unione Europea dal 2010. Tuttavia, il suo impatto ambientale, con un GWP di 2088, ne limita l'utilizzo nei condizionatori monosplit dell'1 gennaio 2025.
Andiamo ora ad esaminare le diverse alternative al R-410A con un GWP inferiore:
- R32: ha un GWP di 675 ed è già ampiamente utilizzato nei condizionatori aria-aria.
- R290: emerge come un'alternativa a minore impatto ambientale poiché si adatta alle elevate temperature di mandata, presenta un bassissimo GWP ed è anche economico.
Il gas R290 non solo offre un significativo beneficio ambientale, ma dimostra anche un'elevata efficienza energetica. I compressori R290 offrono un'efficienza di raffreddamento superiore del 5% rispetto ai compressori R32; inoltre, il R290 non è pericoloso, in quanto l’utilizzo in modo sicuro richiede solamente l'osservanza delle adeguate precauzioni.
Un esempio di pompa di calore che usa questo tipo di refrigerante è la pompa di calore monoblocco aroTHERM plus che anticipa di anni i requisiti della direttiva europea Fgas. - Anidride carbonica (CO2): un refrigerante naturale con un GWP nullo, ma con pressioni di esercizio elevate che ne complicano l'utilizzo.
