CO₂ refrigerante naturale: come migliorarne l’efficienza energetica

Il ritorno della CO₂ come refrigerante: promesse e sfide

Tra i temi meno visibili ma più rilevanti della transizione ecologica c’è la refrigerazione industriale e commerciale. I gas refrigeranti sintetici tradizionali sono stati a lungo sotto accusa per il loro impatto sul clima: alcuni hanno un potenziale di riscaldamento globale migliaia di volte superiore a quello della CO₂. Proprio per questo, l’anidride carbonica — classificata tecnicamente come R744 — è tornata al centro dell’attenzione come alternativa naturale e a basso impatto ambientale. Una revisione scientifica pubblicata nel 2026 sulla rivista International Communications in Heat and Mass Transfer fa il punto sullo stato dell’arte, analizzando sistematicamente le strategie disponibili per migliorare l’efficienza di questi sistemi.

Perché la CO₂ è interessante — e perché è complicata

La CO₂ possiede caratteristiche ambientali quasi ideali: ha un potenziale di riduzione dell’ozono trascurabile e un potenziale di riscaldamento globale pari a uno, il valore di riferimento assoluto. È chimicamente stabile e ha ottime proprietà di trasferimento del calore. Sembrebbe il refrigerante perfetto.

Il problema è fisico. La CO₂ ha una temperatura critica molto bassa — 31,1 °C — e una pressione critica molto alta — 7,38 MPa. Questo significa che in molte condizioni operative reali, specialmente nelle stagioni calde o in climi miti e caldi, il sistema lavora in regime transcritico: una condizione termodinamica che comporta perdite significative di efficienza. Secondo quanto riportato nello studio, in condizioni di temperatura ambiente moderata o alta, la riduzione del coefficiente di prestazione (COP, la misura dell’efficienza di un sistema di refrigerazione) può arrivare fino al 38% rispetto a condizioni ottimali.

«Le perdite per strozzamento, l’elevata pressione di scarico ottimale e la distruzione di exergia nel gas cooler e nel dispositivo di espansione sono le principali criticità del ciclo transcritico a CO₂.»

Una revisione sistematica delle soluzioni

Lo studio — firmato da Simon Mwangi, Muhammad Imran, Ahmed Rezk e Muhammad Wakil Shahzad — è una revisione critica della letteratura, non uno studio sperimentale originale. Gli autori hanno analizzato e sintetizzato risultati provenienti da studi sperimentali, misurazioni sul campo e simulazioni, classificando le modifiche proposte in quattro categorie principali:

• Miglioramento del trasferimento di calore
• Recupero del lavoro di espansione
• Modifiche all’architettura del ciclo e alla gestione del refrigerante
• Fluidi di lavoro alternativi e cicli ibridi

Per ciascuna categoria, la revisione valuta i meccanismi termodinamici sottostanti, i miglioramenti di prestazione documentati, le considerazioni pratiche di implementazione e i compromessi inevitabili.

Quanto si guadagna in efficienza?

I risultati sono variegati. In generale, i miglioramenti al coefficiente di prestazione restano al di sotto del 50% rispetto al ciclo base. Tuttavia, in condizioni operative a temperatura ultraridotta, sono stati registrati guadagni eccezionalmente elevati, fino al 207%. Questi valori estremi non sono generalizzabili, ma segnalano il potenziale delle modifiche in nicchie applicative specifiche.

Tra le soluzioni più efficaci emergono i dispositivi di recupero del lavoro di espansione — come eiettori, espansori meccanici e scambiatori di pressione rotativi — che riducono sistematicamente le irreversibilità legate allo strozzamento. Le configurazioni a compressione parallela o a due stadi migliorano le prestazioni nelle condizioni più critiche: alte temperature ambientali e basse temperature di evaporazione. Le tecniche di sottoraffreddamento e gli scambiatori di calore interni offrono guadagni più contenuti ma affidabili in una gamma ampia di condizioni operative.

Sul fronte dei fluidi, le miscele refrigeranti a base di CO₂ e i cicli ibridi compressione-assorbimento mostrano potenzialità interessanti per ridurre la pressione di esercizio e migliorare il COP, ma la loro diffusione pratica è ancora limitata dalla complessità dei sistemi e dalla scarsità di dati sperimentali a lungo termine.

Nessuna soluzione universale

Una delle conclusioni più importanti della revisione è anche la più onesta: nessuna singola modifica ottimizza le prestazioni in tutte le condizioni operative. Il contesto — temperatura ambientale, carico termico, applicazione specifica — determina quale strategia sia più conveniente. Le configurazioni ibride, che combinano più approcci complementari, sono quelle che restituiscono i risultati migliori in modo consistente.

Gli autori identificano anche le priorità per la ricerca futura: la caratterizzazione delle prestazioni in condizioni transitorie e a carico parziale, l’ottimizzazione dei sistemi basata sull’analisi exergetica, e la validazione della affidabilità a lungo termine dei componenti avanzati in condizioni reali di esercizio. Sono lacune significative, che segnalano come la tecnologia sia promettente ma ancora in fase di maturazione.

Perché interessa anche a chi si occupa di paesaggio e sostenibilità

La refrigerazione è ovunque: nei mercati, nei supermercati, negli edifici pubblici, nelle serre produttive. Migliorare l’efficienza dei sistemi che usano un refrigerante naturale come la CO₂ significa ridurre i consumi energetici e limitare le emissioni climalteranti. È un tassello tecnico, certo, ma si inserisce nel quadro più ampio della sostenibilità che orienta anche le scelte di progetto del paesaggio e della gestione del verde.

Finanziamento della ricerca

I metadati della pubblicazione non riportano alcun finanziatore per questo studio. Questo non significa che la ricerca sia stata condotta senza finanziamenti: la disponibilità di questa informazione varia da rivista a rivista e non è possibile trarre alcuna conclusione in merito.

Fonte

Simon Mwangi, Muhammad Imran, Ahmed Rezk, Muhammad Wakil Shahzad (2026). Transcritical CO2 refrigeration cycle modifications: thermodynamic performance, practical challenges and future directions. International Communications in Heat and Mass Transfer. DOI: 10.1016/j.icheatmasstransfer.2026.112384 — accesso aperto

Finanziamento: i metadati della pubblicazione non riportano un finanziatore. L’assenza del dato non implica assenza di finanziamento.

Questo articolo sintetizza uno studio accademico peer-reviewed. Tutti i dati riportati provengono dalla pubblicazione originale, consultabile al DOI indicato.

Foto di Marcin Jozwiak su Pexels

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