Il termine “idrofluoroolefine” (HFO), spesso anche “refrigeranti della IV generazione”, ha cominciato a funzionare seriamente nella tecnologia della refrigerazione nel 2013, quando è iniziato l’uso diffuso del refrigerante R1234yf negli impianti di climatizzazione in ambito automotive. La IV generazione dei refrigeranti doveva essere sviluppata perché i refrigeranti del gruppo HFC comunemente usati (idrofluorocarburi) appartengono, per la maggior parte, ai gas ad effetto serra, ad alto GWP (Global Warming Potential). In virtù dell’emendamento di Kigali al Protocollo di Montréal e conformemente al regolamento 517/2014 (cosiddetto regolamento F-gas), essi vengono gradualmente eliminati dalla produzione e dall’utilizzo. Per questo motivo era necessario trovare un’alternativa.
Se vogliamo ripassare un po’ di chimica, ricordiamo che le idrofluoroolefine sono derivati di un idrocarburo insaturo – propilene (propene) e sono designate come R1234. Hanno 1 doppio legame di carbonio e 2 atomi di idrogeno, 3 atomi di carbone e 4 atomi di fluoro, che sono disposti nella molecola in modo svariato. Per questo motivo, esistono diversi isomeri di questo composto, designati di conseguenza con sigle composte di lettere e molto diversi dal punto di vista delle caratteristiche fisiche. Nella tecnologia della refrigerazione, il R1234yf e il R1234ze sono i più importanti. La loro caratteristica comune consiste in un GWP molto basso (relativamente 4 e 7) grazie al doppio legame chimico tra gli atomi di carbonio. Tuttavia, questi valori di grande importanza hanno il loro prezzo da pagare, infatti questo legame di carbonio ha il difetto di essere leggermente infiammabile. Nella norma PN-EN 378 vengono comunque classificati come A2L, difficilmente infiammabili (refrigerante della classe A2L diffonde il fuoco nelle condizioni di prova 60°C e 101, 3 kPa, alla velocità max di combustione ≤ 10 cm/s nelle condizioni di prova 23°C e 101,3 kPa).
Il refrigerante R1234yf è il risultato della collaborazione delle grandi multinazionali del settore chimico, normalmente competitori, DuPont e Honeywell. Lo scopo era quello di soddisfare le esigenze della direttiva 2006/40/EC (Direttiva MAC) relativa agli impianti di condizionamento d’aria dei veicoli a motore. Gli impianti di climatizzazione automotive, omologati dopo il 2011, dovevano essere riempiti con un refrigerante a GWP<150. Questo, alla fine, significava dover eliminare il refrigerante R134a (GWP=1430). In pratica, questa disposizione è entrata in vigore dal 1° gennaio 2013 e dal 1° gennaio 2017 riguarda tutti i veicoli nuovi. L’introduzione del nuovo refrigerante non procedeva senza polemiche. Il suo punto di autoaccensione è di 405ºC e alcune case automobilistiche (es. la tedesca Daimler) sostengono che questo può aumentare il pericolo di incendio causato dall’impianto di climatizzazione in caso di incidente. Inoltre, il sottoprodotto della combustione del refrigerante HFO, fluoruro di idrogeno, è molto pericoloso per le squadre di soccorso che lavorano vicino alle vetture in fiamme. Dalle ricerche svolte dall’ente governativo tedesco Kraftfahrt-Bundesamt e dalla International Society of Automotive Engeneers risulta comunque che il pericolo d’incendio causato dall’autoaccensione del refrigerante nel caso di una collisione è trascurabile. Alla fine, anche la Daimler utilizza nei suoi veicoli il refrigerante R1234yf, anche se aggiunge altre sicurezze, sviluppate per funzionare in caso di incendio.
Oltre alla climatizzazione nei veicoli, l’R1234yf praticamente non è utilizzato da solo. Tuttavia, è una componente importante dei refrigeranti composti da miscele. Un esempio eccellente è il refrigerante R513A: una miscela non infiammabile, azeotropica, composta da R1234yf (56%) e R123A, da GWP= 573, utilizzata in funzione del prodotto che sostituisce l’R1234a, sia negli impianti esistenti che in quelli nuovi.
L’R1234ze esiste in due forme: R1234ze(E) e R1234ze(Z). L’isomero R1235ze(Z) non è adatto per l’uso refrigerante a causa dell’alto, normale punto di ebollizione, 9.8°C, e una bassa capacità di raffreddamento volumetrica. Inizialmente, questo refrigerante è stato sviluppato per fungere da agente schiumogeno e il suo costo di produzione (e quindi del prodotto finale) è più basso rispetto al R1234yf. L’R1234ze(E), caratterizzato dal GWP=7, può essere utilizzato con successo negli impianti progettati a nuovo, dove sostituisce l’R134a (GWP=1430). Rispetto a questo refrigerante, ha la pressione e il COP simili ma una più bassa capacità volumetrica e capacità di raffreddamento (circa il 75% della capacità di raffreddamento dell’R134a).
Dopo un periodo iniziale di diffidenza da parte dei produttori, l’R1234ze(E) è ampiamente utilizzato nei sistemi a media e alta temperatura, prima di tutto nei grandi impianti di refrigerazione commerciale e industriale. Compare nei chiller per acqua ghiacciata, raffreddati ad acqua e ad aria, negli impianti di climatizzazione, nei deumidificatori dell’aria, congelatori, distributori automatici di diversi prodotti e nelle pompe di calore. Ultimamente, i produttori prestano attenzione all’utilizzo dell’R1234ze(E) nelle pompe di calore ad alta temperatura per usi commerciali e industriali. Un compressore a vite che utilizza l’R1234ze(E) vanta di un più ampio campo di lavoro; la temperatura di condensazione può arrivare anche a 80°C a temperatura di evaporazione oltre 30°C.
A causa della sua leggera infiammabilità, l’R1234ze non è adatto agli interventi di retrofit e gli impianti in cui viene impiegato hanno dei limiti di riempimento. I valori massimi di riempimento vengono indicati nella norma PN-EN 378 e dipendono dal posizionamento dei dispositivi, dalla presenza delle persone nell’ambiente refrigerato e dal tipo di impianto. Per gli impianti ad evaporazione diretta (DX) e per quelli comunemente accessibili (classe A), il valore max di riempimento è dato dalla funzione del livello inferiore dell’infiammabilità (LFL – Low Flammable Limit), che per l’R1234ze(E) uguale a 0,303 kg/m3. Quindi, il valore massimo di riempimento può essere 1,5 kg (38ᐧLFL) e nel caso tutto l’impianto sia localizzato nella sala macchine oppure all’esterno – anche 40 kg (132ᐧLFL). Nel caso dell’accesso controllato (classe B) il valore di riempimento può essere da 10 a 25 kg, in base al luogo di installazione: il compressore e il dispositivo utilizzatore si trovano nella zona dove sostano le persone oppure in una sala macchine/all’esterno. Nel caso in cui tutto l’impianto si trovi nella sala macchine oppure all’esterno, non ci sono limiti di riempimento.
Come l’R1234yf, anche l’R1234ze(E) funge da uno dei componenti di nuovi refrigeranti formati da miscele. Per esempio, nella miscela non infiammabile R450A a GWP=457, la percentuale dell’R1234ze(E) ammonta al 58% (il secondo componente è l’R123a).
