Pengembangan Refrigeran Generasi-Selanjutnya sebagai Tanggapan atas Kerusakan Lingkungan dan Upaya Konservasi Energi

Garis-waktu pengembangan refrigeran; dari waktu ke waktu fokus utama dalam pengemabangan refrigeran berubah seiring dengan masalah yang sedang berkembang. ODP adalah Ozone Depletion potential. $\tau_{atm}$ adalah waktu luruh suatu zat di atmosfer. Ilustrasi diadaptasi dari referensi [1].

Sejarah penemuan AC dan refrigeran tidak lepas dari Willis Carrier, bapak AC modern. Saat menunggu kereta api di stasiun Pittsburgh, AS, dia mencoba mengintip di udara pagi yang berkabut. Saat itulah dia termotivasi untuk dapat mengkondisikan udara dalam ruangan dengan membuat AC. Udara kering dapat didinginkan dengan menambahkan udara sejuk dari zat pendingin. Dengan kata lain, jika bisa mengatur kelembaban udara yang ditambahkan ke udara kering, suhu yang diinginkan bisa dicapai.

Refrigeran telah mengalami banyak perkembangan selama 180 tahun. Generasi pertama refrigeran ada antara tahun 1830 dan 1930-an. Generasi ini adalah tonggak pertama dari penggunaan refrigeran dalam sistem pendingin. Beberapa pendingin dalam generasi ini adalah eter, karbon dioksida ($\text{CO}_2$), amonia ($\text{NH}_3$), sulfur dioksida ($\text{SO}_2$), methyl formate ($\text{HCOOCH}_3$), hidrokarbon ($\text{HC}$), air ($\text{H}_2\text{O}$), carbon tetrachloride ($\text{CCl}_4$), dan chlorinated hydrocarbon ($\text{CHC}$). Kendala utama jenis refrigeran ini adalah efisiensi yang rendah; banyak energi yang terbuang untuk mendinginkan udara.

Generasi kedua berlangsung dari tahun 1931 hingga 1990-an. Refrigeran periode ini memprioritaskan keamanan dan daya tahan. Refrigeran pada periode ini adalah chlorofluorocarbon ($\text{CFC}$), hydrochloroflurocarbon ($\text{HCFC}$), $\text{NH}_3$, dan $\text{H}_2\text{O}$. Refrigeran generasi ketiga berasal dari tahun 1990 hingga 2010. Perhatian utama dalam pengembangan  refrigeran pada generasi ini adalah perlindungan ozon. Beberapa zat pendingin pada periode ini adalah $\text{HCFC}$, $\text{NH}_3$, $\text{H}_2\text{O}$, $\text{HC}$, dan $\text{CO}_2$.

Keberhasilan dalam menanggapi penipisan lapisan ozon kontras dengan memburuknya sistem iklim. Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC) dalam Fourth Assessment Report (AR4)  menyatakan konsensus ilmiah bahwa "pemanasan sistem iklim tidak dapat diragukan, seperti yang sekarang terbukti dari pengamatan peningkatan suhu udara dan laut rata-rata global, pencairan salju dan es yang meluas serta naiknya permukaan laut rata - rata global”. Hukum dan peraturan nasional tiap negara untuk mengimplementasikan Protokol Kyoto berbeda-beda, tetapi umumnya melarang pelepasan refrigeran hydrofluorocarbon ($\text{HFC}$) dan perfluorocarbon ($\text{PFC}$). Kondisi ini memaksa pengembangan refrigeran generasi keempat untuk fokus pada masalah pemanasan global.

Negara-negara Eropa mulai melarang penggunaan refrigeran fluorokimia (zat kimia dengan  kandungan unsur Fluorin, F)  yang memiliki Global Warming Potential (GWP) melebihi nilai 150 untuk integrasi 100 tahun pada mobil. GWP adalah ukuran seberapa banyak panas yang diserap oleh suatu gas rumah kaca dalam jumlah tertentu di atmosfer relatif terhadap panas yang diserap $\text{CO}_2$ dengan jumlah yang sama dalam satu waktu tertentu. $\text{CO}_2$ memiliki nilai GWP setara 1. Dampak dari upaya ini adalah larangan R-134a (1,1,1,2-tetrafluoroethane, $\text{CF}_3\text{CH}_2\text{F}$)  yang banyak digunakan di AC mobil. Refrigeran R-134a ini telah dipakai di mobil Chevrolet sejak 1878. Larangan penggunaan refrigeran R-134a mendorong perusahaan pendingin untuk membuat refrigeran  baru. Namun, kendala utama penggunaan refrigeran baru adalah keterbatasan data. Beberapa kandidat dan komponen campuran untuk refrigeran dengan GWP rendah adalah Refrigeran Alami, HFC GWP Rendah, $\text{HFE}$, $\text{HC}$, $\text{HE}$, olefin, $\text{HFIC}$, $\text{FIC}$, alkohol berfluorinasi, dan keton berfluorinasi.

Empat hal menjadi pertimbangan utama dalam penggantian refrigeran baru-baru ini. Pertama, perusahaan refrigeran belum menguji kinerja refrigeran pengganti. Kedua, efisiensi penggantian refrigeran umumnya lebih rendah dari pilihan sebelumnya. Ketiga, tidak ada refrigeran yang ideal sampai sekarang. Keempat, pertimbangan untuk masalah lingkungan tertentu berisiko menghilangkan alternatif penting untuk solusi seimbang.

Perusahaan otomotif saat ini menggunakan tiga kandidat utama refrigeran untuk menggantikan R-134a di AC mobil. R-1234yf (2,3,3,3-tetrafluoropropene, $\text{CH}_2= \text{CFCF}_3$) dan karbon dioksida dalam ekspansi langsung dan R-152A (1,1-Difluoroethane, $\text{C}_2\text{H}_4\text{F}_2$) dalam sistem tidak langsung. Refrigeran senyawa tunggal, R-1234yf, memiliki karakter termofisika yang mirip dengan R-134a. Penggunaan refrigeran jenis ini akan meminimalkan penggantian suku cadang AC. Refrigeran ini juga memenuhi kriteria kompatibilitas dan stabilitas. Refrigeran ini memiliki nilai GWP yang rendah, yaitu 4 untuk integrasi 100 tahun. Kendati demikian, harga R-1234yf, bagaimanapun, kurang ekonomis jika dibandingkan dengan harga yang dibayarkan untuk  R-134a.

Karbon dioksida dan "refrigeran alami" lainnya sekarang banyak dipelajari dalam aplikasi stasioner (tak bergerak). Penggunaan karbon dioksida dalam pompa kalor yang digunakan untuk pemanas air, terutama di Jepang, negara dengan penggunaan pemanas air yang memakan 30% anggaran rumah tangga untuk penggunaan energi. Penggunaan R152A dalam sistem ekspansi langsung dihentikan karena sifatnya yang mudah terbakar meskipun fakta bahwa refrigeran sulit terbakar ketika bocor di dalam mesin.

Berdasarkan gambaran umum dan kondisi ekonomi Indonesia, R-290 (propane) cenderung disukai daripada R-32 (difluoromethane, $\text{CH}_2\text{F}_2$) meskipun R-290 memiliki tingkat mudah terbakar tertinggi. Sebagian besar orang Indonesia kelas menengah menggunakan AC dengan refrigeran R-22. Refrigerant R-290 dapat digunakan untuk menggantikan R-22 dengan biaya rendah. Penggunaan R-32 tidak kompatibel dengan sistem pendingin udara sistem R-22. Konsumen harus membeli sistem yang lebih mahal untuk menggunakan R-32.

Refrigeran generasi keempat yang saat ini dipakai di dunia telah berkembang pesat dari generasi pertama. Selain efisiensinya yang meningkat, efek negatif terhadap lingkungan juga berkurang. Dari sisi peraturan, refrigeran produksi baru tidak boleh melebihi GWP 150. Aturan ini harus dipatuhi meski mengharuskan kita membeli refrigeran yang lebih mahal. Teknologi baru memang umumnya mahal di awal; namun, adaptasi masif terhadap teknologi baru tersebut akan menurunkan biaya produksi yang menjadikannya murah di kemudian hari. Inilah tantangan kita sebagai konsumen.

Referensi:

[1] Calm, J. M. The next generation of refrigerants – Historical review, considerations, and outlook. International Journal of Refrigeration, 31(7), 1123-1133 (2008). DOI:10.1016/j.ijrefrig.2008.01.013