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2010-2020: UNA NUOVA DECADE DI CAMBIAMENTI NELLA REFRIGERAZIONE
E NEL CONDIZIONAMENTO DELL'ARIA
VARI APPROCCI TESI A RIDURRE L'IMPATTO CLIMATICO

 

L. Kuijpers - Technische Universiteit, Eindhoven

Con l’inizio del nuovo decennio i CFC vengono aboliti in tutti i paesi in via di sviluppo. L’obiettivo principale sarà, allora, quello di evitare che si verifichino emissioni di CFC e di prodotti alogenati dalle riserve ancora presenti; benché il Protocollo di Montreal non controlli le emissioni, nel 2009 i politici hanno richiesto  analisi relative all’impatto che tali emissioni hanno sul clima. Nei paesi sviluppati gli HCFC sono stati fortemente ridotti. Nel prossimo decennio anche gli HCFC saranno aboliti. Nei paesi in via di sviluppo il processo è già in corso e il suo completamento avrà luogo nei prossimi anni, mentre in quelli di via di sviluppo comincerà in questo periodo e sarà regolato da un piano comune. Si prevede una riduzione del 35% dei valori del 2009-2010 entro il 2020. Qualora fosse possibile, si dovranno sostituire gli HCFC con alternative a basso GWP, in ogni caso le considerazioni di carattere ambientale, incluse quelle riguardanti il clima, rappresentano un punto molto importante nella scelta delle nuove alternative. Tutto ciò si verificherà unitamente al passaggio dall’HFC-134a a sostanze a basso GWP nel condizionamento degli autoveicoli in molti paesi a partire dal 2011. Questa regolamentazione ha già incentivato lo sviluppo di HFC a basso GWP e di HFO (come l’HFC-123yf e -1234ze) e nuovi sviluppi saranno presto a disposizione nei settori della refrigerazione del condizionamento. Allo stesso tempo la riduzione del consumo di HFC e delle loro emissioni sono oggetto di attenta analisi sia nell’ambito del Protocollo di Montreal sia in quello del Protocollo di Kyoto, che si occupa del controllo delle emissioni attraverso il “paniere di Kyoto”, a partire dal 2009. Per concludere, possiamo dire che il 2009 è stato l’anno degli sviluppi che ha dato nuovo impeto all’utilizzo di refrigeranti dal GWP basso e, quindi, dei refrigeranti naturali quali l’ammoniaca. Questo articolo illustrerà i legami che intercorrono tra le diverse problematiche che ci si trova ad affrontare ai giorni nostri e cercherà di dare una visione chiara dei possibili sviluppi futuri.

1. INTRODUZIONE

Negli ultimi anni sono state prese alcune decisioni importanti nelle riunioni del  Protocollo di Montreal; molte di queste saranno illustrate alla sezione 2. Alcune di queste questioni sono particolarmente importanti e vengono trattate dal protocollo di Montreal ma anche, per il collegamento con le emissioni di gas serra, da quello di Kyoto.

-con la graduale abolizione nel 2010 nei paesi in via di sviluppo, il Protocollo sta raggiungendo gli obiettivi prefissati nel 1990 relativi ai CFC, CTC e ai prodotti alogenati. Rimangono le quantità presenti negli impianti e nei prodotti, che verranno gradualmente emessi nell’atmosfera. Oltre all’obiettivo prefissato del recupero dello strato dell’ozono, la relazione 2005 IPCC TEAP (IPCC,2005) ha sottolineato l’importanza dell’impatto che queste sostanze ad elevato GWP hanno sul clima. Ora si sta studiando il modo di evitare queste emissioni. Ne parleremo nella sezione 3.

- Con la regolamentazione europea sull’utilizzo di sostanze a basso GWP che sostituiscano l’HFC-134a dal 2011 nel condizionamento degli autoveicoli, tutti i produttori di componenti devono prestare particolare attenzione sull’utilizzo di sostituti degli HFC a GWP basso. I candidati più probabili sono, in questo caso, il biossido di carbonio e gli HFC dal GWP basso. Nei prossimi anni nel settore della refrigerazione e del condizionamento saranno commercializzati HFC insaturi a basso GWP, che potrebbero cambiare il processo tradizionale di sostituzione. Questi aspetti saranno analizzati alla sezione 4.

- L’abolizione degli HCFC nei paesi industrializzati e in quelli in via di sviluppo porterà all’utilizzo di un certo numero di gas non ODP, una gran parte dei quali sono gli HFC o le miscele di HFC, entrambi caratterizzati da un elevato GWP. La decisione relativa all’abolizione degli HCFC nei paesi in via di sviluppo dà rilievo all’importanza dell’aspetto climatico di queste sostanze, dando particolare importanza all’ammoniaca e agli idrocarburi, accanto ad altri candidati. I vari aspetti dell’abolizione degli HCFC  saranno illustrati in seguito.

- Negli ultimi anni si è parlato a proposito del sistema con cui gestire gli HFC e se deve essere presa in considerazione una loro graduale eliminazione. Ora, le emissioni di questi prodotti chimici sono controllate attraverso il “paniere dei gas” definito dal protocollo di Kyoto. In questa fase ci si chiede se sarà contemplato un regime separato per gli HFC e per i PFC all’interno del paniere.

Nella parte conclusiva analizzeremo le conseguenze di tutti questi fatti.

2. DECISIONI DEL PROTOCOLLO DI MONTREAL

In questa sezione sintetizzeremo le principali decisioni prese a riguardo delle sostanze dannose all’ozono e ai loro sostituti.

Nella decisione XIX/6 sull’abolizione degli HCFC nei paesi in via di sviluppo presa alla conferenza MOP-19 a Montreal nel Settembre del 2007 in un sottoparagrafo si menziona:

“Al fine di incoraggiare le Parti a promuovere la selezione di sostanze alternative agli HCFC che minimizzino gli impatti ambientali, soprattutto quelli sul clima (effetto serra e surriscaldamento terrestre), e prendano in considerazione la salute, la sicurezza e l’impatto economico; si concorda che il Comitato Esecutivo nello sviluppo e nella definizione di progetti e programmi e prendendo in considerazione il paragrafo 6, dà priorità a progetti efficienti e ai programmi che si occupano tra l’altro di:

1) abolizione in primo luogo di quegli HCFC che hanno un potenziale di esaurimento dell’ozono particolarmente alto, prendendo in considerazione le circostanze che si verificano a livello nazionale;

2) sostituti ed alternative che minimizzano altri impatti sull’ambiente, compreso quello sul clima, tenendo conto del potenziale di riscaldamento globale, del consumo energetico e di altri fattori.

3) Imprese di piccole e medie dimensioni.

Nella Decisione XX/7 sulla distruzione, presa alla conferenza MOP-20 a Doha-Qatar nel 2008 si è parlato di strategie da utilizzare per evitare eventuali fughe. Se si utilizzano sistemi efficaci è possibile prevenire le emissioni alla fine di vita degli impianti. Le Parti interessate, in occasione del Pannello sull’analisi tecnologica ed economica, hanno richiesto un’analisi dei costi-benefici relativi alla distruzione delle riserve di sostanze dannose all’ozono prendendo in considerazione i relativi costi economici e i benefici ambientali, sia all’ozono sia al clima, della distruzione rispetto al riciclaggio, riconversione e al riutilizzo di queste sostanze.

Nella Decisione XX/8 relativa ai sostituti degli HCFC e degli HFC presa al MOP-20 a Doha, si afferma che è necessario avere a disposizione maggiori informazioni sul processo di sostituzione degli HCFC e degli HFC:

“ Riconoscendo che  la Decisione XIX/6 incoraggia le Parti a promuovere la selezione delle sostanze alternative agli idroclorofluorocarburi per minimizzare l’impatto ambientale, soprattutto quello sul clima, riconoscendo l’importanza di una stretta collaborazione tra sia il Protocollo di Montreal, sia la Convenzione delle Nazioni Unite sul cambiamento climatico e anche il Protocollo di Kyoto al fine di ridurre le emissioni e minimizzare l’impatto ambientale degli idrofluorocarburi e che le Parti del Protocollo di Montreal e gli enti a loro associati hanno considerevole esperienza nel campo da condividere, riconoscendo che esiste l’esigenza di avere a disposizione maggiori informazioni relative alle implicazioni ambientali di possibili transizioni da sostanze dannose all’ozono a prodotti chimici ad elevato potenziale di riscaldamento globale , quali soprattutto gli idrofluorocarburi,

1) Si richiede al Pannello che verte sull’ Analisi Tecnologica ed Economica di aggiornare i dati presenti nel Supplemento del Pannello datato 2005 inserito nel  IPCC/TEAP Special Report ed illustrare la situazione attuale delle sostanze alternative agli idroclorofluorocarburi e agli idrofluorocarburi, descrivendo le varie applicazioni, i costi e le possibilità di penetrazione nel mercato dei sostituti.

2) Si richiede al Segretariato sull’Ozono di redigere una relazione che illustri le misure di controllo attuali, i limiti e le informazioni relative ai composti utilizzati come sostituti delle sostanze dannose all’ozono e sottoposti ad accordi internazionali in quanto influenzano i cambiamenti climatici.

Le decisioni sopra citate si basano sulla sensazione che è necessario intraprendere ulteriori azioni atte a proteggere lo strato dell’ozono anche se particolare attenzione è stata prestata all’aspetto climatico delle sostanze ad elevato GWP, ai possibili sostituti dal GWP basso e al loro impatto climatico. L’impatto climatico rappresenterà, dunque, il punto focale di questo articolo.    

3. IL PROBLEMA DELLE RISERVE E DELLE EMISSIONI

L’elemento più importante da analizzare nell’ambito del problema sul cambiamento climatico è il controllo delle emissioni di gas che contribuiscono al riscaldamento globale. Per quanto riguarda la refrigerazione e il condizionamento dell’aria, si parla di CFC (clorofluorocarburi), HCFC (idroclorofluorocarburi), di HFC (idrofluorocarburi) e in minor parte di PFC (perfluorocarburi) solo se si considera il loro contributo al riscaldamento globale diretto.

Tabella 1: Anche se i CFC e gli HCFC contribuiscono in modo significativo a queste emissioni, le loro emissioni non sono controllate dal Protocollo di Kyoto perché sia la loro produzione sia il loro utilizzo sono già sotto il controllo del Protocollo di Montreal. Le loro emissioni non sono oggetto di analisi in quanto il Protocollo di Montreal si occupa di abolizione e non di verifica delle emissioni. D’altro canto, le emissioni di HFC sono controllate dal Protocollo di Kyoto ma per quanto riguarda la loro produzione e il loro utilizzo non vi sono meccanismi di controllo.

Si sa oramai da molto tempo che l’esaurimento dell’ozono stratosferico e il cambiamento climatico sono correlati perché sia le sostanze dannose all’ozono (ODS) sia molte alternative contribuiscono al cambiamento climatico. In questo contesto, l’IPCC e il TEAP hanno redatto una Speciale Relazione dal titolo “L’Ozono e il Clima” (IPCC, 2005); la relazione conclude che la riduzione del consumo di ODS sancita dal Protocollo di Montreal darà benefici al cambiamento climatico grazie al meccanismo riserve-emissioni.

Le riserve (in inglese banks) sono sostanze che sono state prodotte ma che non sono ancora state liberate nell’atmosfera. Si trovano infatti nelle schiume e negli impianti del settore della refrigerazione e del condizionamento dell’aria. E’ possibile ottenere la riduzione delle emissioni grazie ad un migliore contenimento delle sostanze (IPCC, 2005), a cariche minori di refrigerante, al recupero e al riciclaggio o alla distruzione a fine vita e ad un maggiore utilizzo delle alternative con un GWP basso o trascurabile o all’utilizzo di nuove tecnologie.

La tabella 2 quantifica le riserve e le emissioni di CFC, HCFC e HFC negli anni 2020 e 2015 sia nei paesi industrializzati sia in quelli in via di sviluppo nei settori delle schiume, della refrigerazione e del condizionamento dell’aria. Le emissioni di tutte le sostanze nei settori appena citati nel 2015 saranno di 1.6 Gt CO2 equivalente all’anno, con un valore minore del 10% rispetto a quello delle relative riserve. Benché la quantità di sostanze chimiche presenti nelle schiume sia quella più rilevante, le emissioni sono contenute. Delle emissioni totali del 2015, l’8% proviene dalle schiume e il restante 92% proviene dai settori della refrigerazione e del condizionamento dell’aria (di cui il 70% proviene dalla refrigerazione). Pur essendo con quantità maggiori di riserve, le emissioni di ammoniaca e di idrocarburi sono trascurabili in termini di impatto climatico.

Tabella 2: Riserve ed emissioni di CFC, HCFC e HFC negli anni 2002 e 2015 nei paesi industrializzati (non-Articolo 5) e in quelli in via di sviluppo (Articolo 5) in Gt CO2 equivalenti, seguendo lo scenario abituale “business as usual” (IPCC, 2005).

Le emissioni globali di HFC del condizionamento dell’aria mobile (MAC) nel 2015 (150 Mt CO2 equivalenti) non è stato preso in considerazione (ciò si applica anche alle emissioni trascurabili di CFC nel settore MAC nel 2015).

Il Protocollo di Montreal intende ora occuparsi di come indirizzare le emissioni degli ODS dei depositi. Le emissioni di ODS (CFC e HCFC) nel 2015 saranno di 1 Gt CO2 equivalente all’anno, il 90% delle quali proverranno dal settore della refrigerazione e del condizionamento presente negli edifici. Le emissioni sono ancora rilevanti se raffrontate a quelle previste dal Protocollo di Kyoto per il periodo 2008-2012, che sono dell’ordine di 2 Gt CO2 equivalenti all’anno. Solo nel caso dei CFC, il 30% delle emissioni globali del 2015 sarà originato dalle schiume , il 70% dal settore della refrigerazione e del condizionamento presenti negli edifici. Laddove si parla solo di paesi in via di sviluppo, il 15% delle emissioni nel 2015 proviene dalle schiume, l’85% dal settore della refrigerazione e del condizionamento presenti negli edifici.

E’ chiaro che, se è necessario evitare le emissioni, è necessario anche prestare attenzione alle riserve di CFC a breve termine. Questo fatto presuppone la presenza di programmi di sostituzione e di retrofit, con il recupero e il riciclaggio (e la distruzione) di CFC dagli impianti refrigeranti e di condizionamento, soprattutto nei paesi in via di sviluppo (vedi tabella 2). Nel caso delle schiume è necessario prestare attenzione alle riserve sia dei paesi industrializzati sia in quelli in via di sviluppo, dove gioca un ruolo importante il recupero dei CFC dai refrigeratori usati. Il problema da affrontare in futuro potrebbero essere le emissioni globali di HCFC (vedi la Tabella 2 per i livelli del 2015).

Il problema delle emissioni provenienti dalle riserve riveste un’importanza particolare laddove si interseca con quello del recupero dello strato dell’ozono. Dato che il Protocollo di Montreal non può prendere misure drastiche relative alle emissioni, i costi aggiuntivi dovuti a programmi che portano all’eliminazione delle emissioni devono essere sostenuti dai paesi industrializzati. Nei paesi in via di sviluppo il problema avrebbe ripercussioni economiche pesanti perché il Fondo Multilaterale del Protocollo di Montreal non contempla la riduzione delle emissioni (anche se sostiene il recupero e il riciclaggio) e Fondi per il Clima come il Meccanismo per uno Sviluppo Pulito non si occupano della riduzione delle emissioni di sostanze controllate dal Protocollo di Montreal.  Si prevedono riunioni e negoziazioni che portino ad evitare almeno una parte delle emissioni provenienti dalle riserve.

4. SOSTITUZIONE DEGLI HFC; IMPATTO DELLA REGOLAMENTAZIONE EUROPEA

Nel 2006 la Commissione Europea ha ratificato la regolamentazione secondo la quale solo i refrigeranti con un GWP minore di 150 possono essere utilizzati nel condizionamento dei veicoli nei modelli nuovi dopo il 2011. Questa regolamentazione ha intensificato la ricerca e lo sviluppo di sistemi per condizionamento di autoveicoli a CO₂, oggetto di particolare attenzione sin dal 1996. Dato che il mercato del condizionamento sui veicoli è globale, i produttori di refrigeranti fluorocarburi hanno dovuto sottoporre ad esame molte sostanze, tra cui gli alcheni parzialmente fluorati (olefine, o alcheni insaturi), che erano stati oggetto di studio solo nei cicli produttivi dei polimeri. Alcuni propongono l’1,1,1,2 tetra fluoro di propilene,  chiamato HFC -1234yf (idrofluoroolefina o HFO) come candidato dal GWP basso (GWP pari a 4) con una classificazione ASHRAE di bassa infiammabilità. Questa sostanza è stata considerata come sostituto adatto per l’HFC-134a nelle applicazioni del condizionamento sui veicoli nel 2008, in quanto, dopo alcuni studi sulla sua eventuale tossicità a breve termine, è stata classificata come non tossica. Mentre alcuni produttori di veicoli sono passati al CO₂ nel 2008, malgrado la presenza di alcuni problemi tecnici e relativi alla manutenzione, altri hanno deciso di aspettare e di vedere gli sviluppi. La crisi finanziaria mondiale, particolarmente visibile nella seconda metà del 2008, ha creato notevoli problemi finanziari ai produttori americani di auto, che non avevano ancora preso in considerazione il CO₂ come possibile soluzione. Nel caso dell’HFC- 1234yf, l’investimento finanziario nel settore del condizionamento non sarà rilevante grazie alle somiglianze termo fisiche delle sostanze a basso GWP con l’HFC 134a, anche se il prezzo del refrigerante sarà molto più elevato. Se si suppongono rendimenti energetici simili (le prime indicazioni sono positive), l’applicazione a breve termine di questo refrigerante (alchene dal GWP basso) nel settore del condizionamento dei veicoli ( il mercato più ampio per l’HFC 134a nei paesi sviluppati ) potrebbe cambiare il quadro delle possibili scelte dei refrigeranti per il futuro.

Come nel caso dell’HFC 1234yf, sono stati effettuati e si stanno effettuando studi sulla tossicità e sulla stabilità di alcheni parzialmente fluorati; vi sono stati risultati negativi in diversi casi. Molti altri alcheni sono ora, invece, in corso di sviluppo; uno in particolare è commercializzato nel settore delle schiume (HFC 1234ze). Anche se l’HFC 1234yf dovesse occupare in futuro la maggior parte del mercato del condizionamento dei veicoli nuovi (si pensa non prima del 2011) vi potrebbero essere conseguenze negative per l’utilizzo del CO₂ non solo nel settore del condizionamento dei veicoli ma anche in altri settori , dopo aver tenuto conto dei problemi relativi all’infiammabilità e alla carica di refrigerante. Nei prossimi anni, alcuni altri refrigeranti del tipo alcheni potrebbero affacciarsi sul mercato; essi dovranno competere con i refrigeranti naturali e gli HFC tradizionali. Un produttore chimico sta producendo una miscela contenente HFC tradizionali a basso GWP, e sta prestando particolare attenzione al rendimento energetico e alla riduzione della carica di refrigerante. Questo tipo di sviluppo potrebbe avere un impatto sullo scenario dei futuri sostituti nel settore del condizionamento dei veicoli, questo potrebbe, come prima detto, avere anche un impatto sulle possibili conversioni per applicazioni della refrigerazione e del condizionamento in altri settori, tenendo conto del problema dell’infiammabilità. Molti sviluppi sono in corso ma è necessario chiarire che prima di trovare soluzioni veramente innovative bisogna sbrogliare ancora qualche matassa.

Laddove l’utilizzo di CO₂ rimarrà o si allargherà nei sistemi a bassa temperatura, la sua applicazione per temperature di refrigerazione normali a temperature ambientali più elevate costituirà un problema. Soprattutto  per temperature ambiente elevate, caratterizzate da tempo dall’utilizzo dell’HFC 134a, l’utilizzo dell’HFC 1234yf potrebbe essere preso in considerazione in  futuro. Tuttavia, le combinazioni di CO₂ con l’HFC 134a, l’ammoniaca o gli HC (come il propano) nei supermercati sono considerate migliori per le basse temperature; i costi non sono ancora stati valutati. La necessità della sostituzione degli HCFC, soprattutto dell’HCFC R-22 nella refrigerazione e nel condizionamento, con HFC alternativi dal GWP basso potrebbe portare all’utilizzo di alcheni fluorurati e di nuove miscele di HFC a basso GWP, anche se è ancora troppo presto per fare affermazioni definitive. La possibile presenza futura di alcheni parzialmente fluorati poco o non infiammabili come sostituti dell’HCFC 22 potrebbe condurre ad una competizione con gli HC come il propano (un sostituto valido dal punto di vista energetico dell’HCFC 22, ma infiammabile) nelle applicazioni della refrigerazione e del condizionamento. In questa competizione, nel momento in cui gli alcheni fluorati (completamente testati) dovessero diventare effettivamente disponibili, vi sarà un impatto notevole sul mercato, tenendo conto dell’efficienza energetica.

Anche se è troppo presto fare previsioni accurate, l’analisi degli investimenti necessari a sviluppare impianti adatti agli alcheni (a bassa infiammabilità), combinata con il loro costo che ci si aspetta elevato, raffrontata a quelli necessari allo sviluppo di refrigeranti alternativi infiammabili (HC) così come dell’ammoniaca, dovrebbe determinarne il loro futuro destino. Ci si può aspettare che presto i produttori di refrigeranti illustrino chiaramente l’applicabilità degli alcheni e delle nuove miscele di HFC dal GWP basso. Le decisioni nei paesi in via di sviluppo per la scelta dei sostituti degli HCFC devono in ogni caso tener conto della sicurezza, del rendimento e della disponibilità. In considerazione dei tempi di applicazione, il processo di selezione dei refrigeranti potrebbe favorire alternative come i tradizionali HFC, HC e l’ammoniaca.