Czynniki chłodnicze – konsekwencje wdrażania rozporządzenia w sprawie F-gazów. Ekologia i rynek.

W Unii Europejskiej już od 2015 r. wdrażamy rozporządzenie Parlamentu Europejskiego i Rady nr 517/2014 w sprawie fluorowanych gazów cieplarnianych (F-gazów) [1]. Reszta świata będzie podążać naszymi śladami od 2019 r. To konsekwencja tzw. Poprawek z Kigali, w ramach których do międzynarodowej umowy zwanej Protokołem montrealskim – oryginalnie dotyczącym tylko substancji zubożających warstwę ozonową – dodano harmonogram redukcji zużycia i produkcji fluorowanych gazów cieplarnianych, czyli m.in. czynników HFC używanych w technologiach chłodniczych. Emisja F-gazów przyczynia się do globalnego ocieplenia klimatu na Ziemi (rys. 1).

Poprawki z Kigali zostały przyjęte przez przedstawicieli 197 państw, lecz do ich pełnego zastosowania wymagana jest ratyfikacja przez parlamenty poszczególnych krajów. Do początku października 2018 r. uczyniło to dopiero 50 państw oraz Unia Europejska, ale w bardzo wielu innych krajach procedura akceptacji znajduje się w końcowej fazie.

Postanowienia podjęte w Kigali będą mieć ogromny wkład na rzecz przeciwdziałania zmianom klimatycznym. Kontrola produkcji i zużycia F-gazów ma wesprzeć dotychczasowe osiągnięcia prośrodowiskowe wynikające z wycofania substancji niszczących warstwę ozonową (m.in. CFC i HCFC).

Wiele F-gazów należy do substancji mających największy jednostkowy wpływ na globalne zmiany klimatyczne, wyrażony tzw. współczynnikiem globalnego ocieplenia GWP (Global Warming Potential). Wskaźniki GWP popularnych dziś F-gazów wynoszą zazwyczaj między 1400 a 4000, ale są też takie, których GWP sięga 23 000. Dla przykładu:

• dla R134a GWP wynosi 1430,

• dla R410A – 2088,

• dla R404A – aż 3922.

Oznacza to, że emisja 1 kg R404A jest ekologicznie równoznaczna z uwolnieniem do atmosfery prawie 4 ton dwutlenku węgla.

Wykazano, że stosowanie w chłodnictwie i klimatyzacji substancji alternatywnych wobec HFC oraz F-gazów o niskim współczynniku GWP będzie jednym z najbardziej opłacalnych sposobów zmniejszenia emisji gazów cieplarnianych. W wyniku wdrożenia Poprawek z Kigali globalne zużycie HFC zmniejszy się o ok. 85% do 2050 roku. Naukowcy szacują, że ograniczy to wzrost średniej temperatury na Ziemi o ok. 0,5°C. Wbrew pozorom dla ekosystemów to bardzo dużo.

Dla porównania – unijne rozporządzenie 517/2014 [1] zmniejsza zużycie czynników HFC etapami, od 2015 roku do 2029. Docelowo od 2030 roku redukcja ma sięgnąć 79% poziomu bazowego (średniego zużycia w UE w latach 2009–2012).

Konsekwencje zmian dla rynku czynników i urządzeń

Skutki tej ekologicznej regulacji są wyraźnie widoczne już od połowy 2017 roku. Ceny F-gazów w Europie poszybowały w górę o kilkaset procent i to w dość krótkim okresie. To z kolei sprawiło, że operatorzy (użytkownicy) dużych instalacji chłodniczych i klimatyzacyjnych zaczęli przykładać większą wagę do ograniczenia emisji, a także do poszukiwania mniej uciążliwych ekologicznie czynników chłodniczych, alternatywnych wobec F-gazów i od nich tańszych.

Sukcesywnie wprowadzane ograniczenia w stosowaniu niektórych F-gazów wymuszają innowacje i inwestycje zarówno u dużych operatorów, jak i producentów urządzeń. W chłodnictwie handlowym bardzo częste są dziś retrofity, czyli zamiana R404A (GWP = 3922) na czynniki R448A i R449A mające o 65% niższe współczynniki globalnego ocieplenia (odpowiednio: 1387 i 1397). W Polsce starsze duże instalacje chłodnicze w marketach są demontowane i wymieniane na nowe, pracujące w oparciu o CO₂ (często w hybrydzie z układem na R134a).

Systemy ze zmiennym przepływem czynnika chłodniczego w obiektach o dużej kubaturze >>>

Wiele nowych regałów chłodniczych wciąż zawiera R404A, ale w ilości mniejszej niż 5 t ekwiwalentu CO2 (mniej niż 1,28 kg R404A) lub są to urządzenia hermetycznie zamknięte o napełnieniu czynnikiem nieprzekraczającym 10 t eqCO₂ (tj. mniej niż 2,55 kg R404A). Dzięki temu zmniejsza się ryzyko emisji, a także odpadają liczne obciążenia spoczywające na użytkownikach urządzeń – związane z obowiązkowymi przeglądami szczelności oraz z prowadzeniem szczegółowej dokumentacji, w tym realizowaniem wpisów do Centralnego Rejestru Operatorów (CRO).

Zamiast centralnych instalacji chłodniczych i mroźniczych coraz częściej widzi się zestawy oddzielnych lad i regałów pracujących w oparciu o naturalny czynnik R290 – propan. Każde takie urządzenie zawiera nie więcej niż 150 gramów czynnika, zgodnie z aktualnymi normami określającymi zasady bezpiecznego stosowania palnych czynników chłodniczych w tego typu sprzęcie.

Zmiany ekologicznych uwarunkowań prawnych pchnęły do badań i innowacji także producentów urządzeń. Zauważyli oni, że w perspektywie średnio- i długoterminowej jedyną drogą dla dalszego istnienia na rynku chłodnictwa i klimatyzacji jest uzyskanie wysokiej efektywności energetycznej w urządzeniach pracujących w oparciu o czynniki chłodnicze o niskich współczynnikach GWP. Szacuje się, że urządzenia chłodnicze i klimatyzacyjne pochłaniają globalnie ok. 15% energii elektrycznej. Coraz bardziej energooszczędne rozwiązania są więc niezbędne.

Przyszłość czynników chłodniczych

Oczywiście nie ma idealnego czynnika, który moglibyśmy zastosować do wszystkich typów urządzeń, ale coraz większą rolę odgrywają naturalne płyny robocze, jakich używano od „narodzin” chłodnictwa. Główne naturalne substancje znajdujące zastosowanie w technice chłodniczej to R744 (dwutlenek węgla – CO₂), R717 (amoniak – NH3) oraz węglowodory (w tym R290 – propan, R600a – izobutan). Kilku czołowych producentów twierdzi, że w chłodnictwie przemysłowym dominować będą układy kaskadowe operujące na hybrydzie amoniaku i CO₂.

Coraz częściej będziemy się także spotykać z syntetycznymi czynnikami z grupy HFO (przede wszystkim R1234yf, R1234ze i R1233zd) i to nie tylko w klimatyzacji komfortu pojazdów (R1234yf), co ma miejsce już od 2013 roku. Na marginesie: z powodu obaw o palność tego czynnika niektóre koncerny samochodowe zdecydowały się montować klimatyzację na CO2.

W każdym razie HFO są bezpieczne dla warstwy ozonowej, a ich GWP jest marginalne (ok. 4–9). Ewentualne bezpośrednie emisje HFO są więc neutralne dla środowiska, nie wpływają na globalne ocieplenie. Z tego względu producenci czynników proponują nam coraz to nowe „blendy” będące mieszaninami HFC i HFO, o GWP nieprzekraczającym 750, czyli znacznie mniej niż popularne R404A, R410A czy R134a. O tempie, w jakim prowadzone są badania nad nowymi płynami roboczymi, niech świadczy fakt, że zarejestrowano już czynniki chłodnicze z symbolami „R” przekraczającymi 460 – dla blendów zeotropowych i bliskoazeotropowych (czterysetki), a wśród mieszanin azeotropowych (pięćsetek) pewnie niedługo zobaczymy już czynnik z symbolem „R” większym niż 520.

Ochrona środowiska odgrywa bardzo ważną rolę w badaniach nad nowymi czynnikami chłodniczymi. Zarówno producenci urządzeń, jak i ich użytkownicy oczekują rozwiązań długoterminowych, czyli czynników przyjaznych dla środowiska, bezpiecznych w użytkowaniu i serwisie, niedrogich i zapewniających wysoką efektywność energetyczną. Legislacja ekologiczna wymusza globalne stosowanie substancji charakteryzujących się dużo niższymi GWP niż dotychczas. Naturalne czynniki chłodnicze mają marginalnie małe współczynniki GWP, a do tego są wydajne. Oczekuje się więc, że staną się preferowaną opcją w wielu zastosowaniach, mimo że wymagają przestrzegania specjalnych procedur bezpieczeństwa podczas serwisu i eksploatacji.

Czynniki palne – nowe wymagania dla instalatorów

Problem bezpieczeństwa użytkowania dotyczy także niektórych nowych mieszanin HFC/HFO. Trendy pokazują rosnącą akceptację tzw. łagodnie palnych czynników chłodniczych, sklasyfikowanych w grupie A2L (nietoksyczne, łagodnie palne), która niedawno została specjalnie wydzielona w normach ISO i EN.

W urządzeniach chłodniczych i mroźniczych o niewielkim napełnieniu czynnikiem coraz częściej stosuje się łatwopalne gazy z grupy A3 (nietoksyczne, łatwopalne). W związku z tym niezbędne są szkolenia w zakresie obsługi i serwisu takiego sprzętu, gdyż kwestia bezpieczeństwa stanowi obecnie główną barierę w masowym stosowaniu czynników chłodniczych o niskim GWP i całkowitym wycofaniu HFC.

Podsumowanie

Prace badawcze prowadzone są zarówno przez producentów czynników, jak i producentów urządzeń chłodniczych i klimatyzacyjnych. Oprócz ogólnych trendów trudno dziś jednoznacznie wskazać konkretne czynniki, jakie w perspektywie kilku czy kilkunastu lat staną się tak mocnym standardem, jak do niedawna były R404A, R410A czy R134a, ponieważ na rynku pojawia się po kilka–kilkanaście nowych czynników rocznie.

W tab. 1 zestawiono za firmą Danfoss możliwe wybory czynników chłodniczych w Europie, w podziale na różne typy zastosowań.

Według powyższych prognoz:

• CO₂ będzie szeroko stosowany w chłodnictwie przemysłowym i w handlowych szafach chłodniczych. Ten trend rozpoczął się w Europie i powinien się rozszerzyć na resztę świata;

• Amoniak będzie nadal dobrym wyborem w przemysłowych instalacjach chłodniczych oraz w pompach ciepła dla zastosowań przemysłowych, chociaż jego toksyczność wymaga wyjątkowych środków bezpieczeństwa;

• Układy kaskadowe oparte na CO₂ i amoniaku mogą zdominować rynek przemysłowych urządzeń chłodniczych;

• Dostrzegalne jest znaczenie węglowodorów (HC) w systemach o małym napełnieniu czynnikiem. Urządzenia takie okazały się bardzo efektywne energetycznie;

• Substancje HFC nie znikną z rynku, ale w dłuższej perspektywie w nowych urządzeniach stosowane będą F-gazy o najniższym GWP oraz mieszaniny HFC z HFO. Takie blendy już są dostępne – są bardziej przyjazne dla środowiska, lecz w większości należą do grupy substancji łagodnie palnych, co oczywiście wiąże się ze szczególnymi względami bezpieczeństwa użytkowania.

Zapowiadają się więc ciekawe czasy dla branży chłodnictwa i klimatyzacji.

Literatura

1. Rozporządzenie Parlamentu Europejskiego i Rady (UE) nr 517/2014 z dnia 16 kwietnia 2014 r. w sprawie fluorowanych gazów cieplarnianych i uchylenia rozporządzenia (WE) nr 842/2006 (Dz.Urz. UE nr L 150/195).