NIST-søgen efter klimavenlige kølemidler finder komplicerede valg

Forskere ved National Institute of Standards and Technology har netop afsluttet en flerårig undersøgelse for at identificere de "bedste" kandidater til fremtidig brug som aircondition kølemidler, der vil have den laveste indvirkning på klimaet.

Desværre, alle 27 væsker NIST, der er identificeret som de bedste ud fra et synspunkt, er mindst let brandfarlige, som ikke er tilladt i henhold til amerikanske sikkerhedskoder for de fleste slutbrug. Flere væsker på listen over kølemidler er meget brandfarlige, herunder propan, brændstoffet til udendørs grill.

Med andre ord, NIST -undersøgelsen fandt ikke noget ideelt kølemiddel, der kombinerede lavt "globalt opvarmningspotentiale" (GWP) - et mål for, hvor meget varme en gas vil fange, hvis den frigives til atmosfæren - med andre ønskelige præstations- og sikkerhedsfunktioner som at være både ikke -brandfarlig og ikke -toksisk. Resultaterne vises i Naturkommunikation .

"Takeaway er, at der ikke er nogen perfekt, let udskiftning af nuværende kølemidler, "NIST -kemiingeniør Mark McLinden sagde." Når jeg går ind i undersøgelsen, vi tænkte helt sikkert, at der skulle være noget andet. Viser sig, ikke så meget. Så det var lidt overraskende, lidt skuffende. "

For at hjælpe med at reducere den globale opvarmning, næsten 200 nationer, herunder USA, i oktober 2016 enedes om at ændre Montreal-protokollen for at nedfælde kølemidler, der bruges i de fleste klimaanlæg (AC) i midten af ​​århundredet. Delfasen ned, frem for en fuldstændig afvikling, erkendte de komplicerede valg, der skal træffes for at vælge udskiftninger. Heldigvis, værdifulde nye data er nu tilgængelige for at understøtte disse beslutninger.

"Vejen frem vil indebære afvejninger, "McLinden fortsatte." Sikkerhedskoder kunne revideres for at tillade brug af let brandfarlige kølemidler. Blandinger af to eller flere væsker kan give et ikke -brandfarligt kølemiddel, men ved en højere GWP. Kuldioxid er ikke brandfarligt, men det ville kræve et komplet redesign af AC -udstyr. "

Nuværende kølemidler er hydrofluorcarboner (HFC'er), som er "drivhusgasser" med høje GWP'er. Selvom deres bidrag til klimaændringer nu er lille, det forventes hurtigt at stige sammen med brugen af ​​aircondition rundt om i verden. Montreal -protokollen, traktaten, der regulerer stoffer, der nedbryder Jordens beskyttende ozonlag, oprindeligt ansporede introduktionen af ​​HFC'er som erstatninger for tidligere anvendte ozonnedbrydende forbindelser.

Amerikanske tilsynsmyndigheder erkender allerede vanskeligheden ved at vælge nye kølemidler. Miljøstyrelsen har ikke fastsat specifikke GWP -grænser, men har snarere foretaget sammenlignende risikoanalyser for hvert kølemiddel og slutbrug. Kriterierne omfatter atmosfæriske effekter og tilhørende sundheds- og miljøeffekter, økosystemrisici, forbrugerrisici, antændelighed, pris og tilgængelighed.

For at hjælpe amerikanske politikere og industri med at forstå de grænser og afvejninger, der er involveret i en nedfældning af HFC'erne, NIST foretog en omfattende, fire års søgning efter den bedste enkeltkomponent, lav-GWP udskiftningsvæsker. GWP defineres som opvarmningspotentialet for et kilo gas i forhold til et kilo kuldioxid.

NIST -undersøgelsen fokuserede på mulige udskiftningsvæsker til små AC -systemer, der er typiske for hjem og små virksomheder. En blanding af HFC'er kaldet R-410A er nu det mest populære kølemiddel i sådanne systemer. Disse AC -enheder er forseglede, hvilket betyder, at de ikke bør frigive HFC'er i atmosfæren. Imidlertid, systemerne kan lække, og når de serviceres eller kasseres, kølemiddel kan undslippe og ikke genvindes og genbruges, Sagde McLinden.

Undersøgelsen screenede en database med mere end 60 millioner kemikalier, estimering af egenskaberne udelukkende baseret på deres molekylære struktur. Dette bygger på en beregningsmetode, der tidligere er udviklet ved NIST.

Fordi alle nuværende kølemidler er små molekyler, NIST -søgningen var begrænset til molekyler med 18 eller færre atomer og kun otte elementer, der danner forbindelser, der er flygtige nok til at fungere som kølemidler. Denne indledende skærm resulterede i 184, 000 molekyler, der skal overvejes nærmere.

Screening for energiegenskaber svarende til væsker, der kan bruges i små AC -systemer og GWP på mindre end 1, 000 (konventionelt forstået at være virkningerne over et 100-årigt tidsrum) gav 138 væsker. Forskerne simulerede derefter ydeevnen af ​​disse 138 forbindelser i klimaanlæg. Medforfatter ved The Catholic University of America i Washington, D.C., hjalp med at udvikle simuleringsmodellen og evaluere resultaterne. Yderligere screening for at udelukke kemisk ustabile eller meget giftige forbindelser eller dem med lav energieffektivitet resulterede i den endelige liste over 27 lav-GWP-væsker.

Propan har en GWP på 3, meget lavere end R-410As værdi på 1, 924. Potentielle kølemidler med de laveste GWP'er omfatter ammoniak, almindeligt anvendt i store industrielle kølesystemer, men giftige og let brandfarlige, og dimethylether, et drivmiddel og potentielt brændstof, der kun er lidt mindre brandfarligt end propan. Kuldioxid har en GWP på 1 og er ikke brandfarlig, men det ville kræve en anden type kølecyklus, der opererer ved meget høje tryk. Andre lav-GWP forbindelser omfatter hydrofluoroolefiner, et aktuelt fokus for brancheforskning men let brandfarligt.

Selvom der ikke er nogen specifik GWP -grænse i USA, udfasningsdatoer er blevet fastsat for nogle af de højeste GWP HFC'er. (Kølemidler med en GWP på mindre end 750 er tilladt i EU for små AC -systemer.)

NISTs liste kan tilbyde nye ideer, fordi den indeholder mange kølemidler, der endnu ikke er på EPA -listen over acceptable substitutter. Køleindustrien har aktivt udviklet nye væsker, der er let brandfarlige, og resultaterne af denne undersøgelse understøtter dette kursus, Sagde McLinden. Ser frem til, NIST -undersøgelsens konklusioner angiver behovet for at anerkende og håndtere afvejninger i planlægningen for fremtiden, han sagde.

For eksempel, hvordan skal sikkerhedskoder ændres for at sikre, at brændbare kølemidler kan bruges sikkert? Blandinger af forskellige kølemidler kan tilbyde et kompromis mellem sikkerhed og GWP. For eksempel, en lav GWP, men brandfarlig væske blandet med en ikke-brændbar, men høj GWP væske, kan resultere i en ikke-brandfarlig væske med en moderat værdi af GWP, McLinden bemærkede.