Хладагенты и окружающая среда

Д-р техн. наук, профессор О.Б. ЦВЕТКОВ
Институт холода и биотехнологий СПбНИУ ИТМО
max-iar@gunipt.spb.ru

Рассматривается ситуация, сложившаяся с гидрохлофторуглеродами (ГХФУ), главным образом с R22, R141b, R123, оказавшихся на перекрестке глобальных вызовов – международных климатических соглашений: Монреальского (1987 г.) и Киотского (1997 г.) протоколов. Обсуждаются идентификационные признаки альтернативных решений с позиций формирования озонового слоя и сокращения эмиссий парниковых газов. Анализируются априорные возможности недавно синтезированных хладагентов – гидрофторолефинов и звездное будущее техники низких температур – природные рабочие вещества.

В 2012 г. исполнилось 25 лет Монреальскому протоколу по веществам, разрушающим озоновый слой. СССР ратифицировал Монреальский протокол в 1989 г. На первом этапе реализации Протокола были выведены из обращения хладагенты, озоноразрушающий потенциал которых (ОРП) превосходил 0,1. На втором этапе, который заканчивается в 2020 г., из обращения будут выведеныхладагенты с ОРП < 0,1. В первом случае речь шла о фреонах (R12, R11, R113, R114, R115) и бромированных соединениях. Сегодня санкции направлены на гидрохлорфторуглероды (ГХФУ) – R22,R21, R141b, R123 и R142b, причем сокращение потребления этих озоноразрушающих веществ (ОРВ) на 90 % должно быть завершено к 2015 г.

С посланием по случаю Международного дня охраны озонового слоя выступил Генеральный секретарь ООН Пан Ги Мун, отметивший, что «благодаря поэтапному прекращению применения 98 % озоноразрушающих газов … озоновый слой восстанавливается и, по расчетам, окончательно восстановится через 50 лет».

В августе 2012 г. вышло распоряжение Председателя Правительства РФ № 1413-р «О поэтапном отказе от производства оборудования и изделий, в которых используются озоноразрушающие вещества, и переходе на озонобезопасное оборудование», которое предусматривает разработку стандартов по извлечению из вышедшего из употребления оборудования ОРВ с целью их регенерации для повторного применения или уничтожения, а также стандартов, гармонизированных с евростандартами EN 378-1, 2, 3, 4: 2008 и А1: 2010. Надо учесть при этом, что в Европе через пару лет войдет в силу запрет и на ретрофит ОРВ.

Ужесточается российское «озоновое» законодательство. С 01.01.2013 в РФ запрещен ввоз не только ОРВ, но и продукции, их содержащей. Более того, ввоз ОРВ будет наказываться штрафом и даже уголовным преследованием (ст. 226.1 Уголовного кодекса РФ). Иллюстрациями запретов могут служить уже осуществленные задержки таможней Санкт-Петербурга на российско-финской границе 15,64 т R22, 39 т R12; 44 т ГХФУ во Франции и даже 14 кг R22 в Польше. В начале 2013 г. поступило сообщение из Испании об изъятии 150 т R22 и аресте 97 подозреваемых в нелегальном ввозе ГХФУ. Китай взял на себя обязательство с 2013 г. Прекратить наращивание производства и использование R22, а с 2015 г. начнет снижать его производство на 10 % в год (для Китая запрет на ГХФУ вступает в силу с 2030 г.).

Нелишне вспомнить, что R22 – прекрасный со всех точек зрения хладагент, практически заменивший запрещенные с 1996 г. Хлорфторуглероды (ХФУ) [1], производится в России и в сравнении с импортируемыми хладагентами недорог и доступен. По оценкам специалистов, до 80 % холодильных установок в мире (а это сотни тысяч единиц только в России) используют ГХФУ, особенно R22. Хладагент R123 с ОРП = 0,02 нашел применение в чиллерах и тепловых насосах. Примерно четверть всех производимых в мире ГХФУ применяют в качестве вспенивателей для теплоизоляции и иных целей. Так, в 2010 г. по квоте Минприроды России было использовано 3000 т ГХФУ (в первую очередь R141b, который заменил R11). Теперь в производстве теплоизоляции переходят на изобутан, теплопроводность которого в сравнении с R11 в газообразном состоянии в 1,8 раза выше; также используют R245fa, R365mfc, циклоизопентан, циклопентан, СО₂.

В Европе, где уже введен полный запрет на ГХФУ, для России рынок закрыт. В сложной ситуации оказался морской флот, поскольку корабли с холодильными системами на ГХФУ после 2020 г. не будут допускаться в порты Европы.

Индустрия холода прогнозировала подобные перемены, но, к сожалению, они происходят быстрее, чем планировалось 25 лет назад. На смену ОРВ пришли хладагенты R134а, R23, R125, R32, R143а и многочисленные смеси на их основе – так называемый гидрофторуглеродный (ГФУ) класс хладагентов. Эти вещества не разрушают озоновый слой Земли, но, как и ГХФУ, оказались парниковыми газами. В уже упоминавшемся послании Генерального секретаря ООН прозвучал и соответствующий призыв «отказаться от использования ГФУ там, где это возможно».

Парниковые газы СО₂, СН₄, N₂О, перфторуглероды, а также ГФУ и шестифтористая сера вошли в Киотский протокол, принятый в 1997 г. (КП-97) Третьей конференцией Сторон Рамочной конвенции ООН об изменении климата (РКИК ООН). В 2008–2012 гг. страны, перечисленные в Приложении I к КП 97 (среди них Россия), обязаны снизить выбросы парниковых газов в целом на 5,2 % по сравнению с уровнем 1990 г. Страны, не включенные в Приложение I (среди них Китай, Индия, Бразилия и др.), не обременены подобными обязательствами, но должны отчитываться по проводимым мероприятиям. 31 декабря 2012 г. Киотский протокол прекратил свое действие. Достигнута договоренность о продлении его действия до 2015 г., когда будет готова новая редакция этого документа, поскольку не ставится под сомнение официально признанный постулат о неоспоримой очевидности изменения климата (чаще употребляют термин «глобальное потепление»), вызванного эмиссией парниковых газов антропогенного происхождения. Концепция антропогенного фактора была сформулирована советским ученым М.М. Будыко в начале 70-х годов прошлого столетия. Оппоненты сомневаются, так ли велика роль антропогенной составляющей в климатических изменениях и действительно ли F-газы (так теперь называют ГФУ-хладагенты) столь существенно влияют на глобальные процессы. Основания для этого есть, поскольку под действие Киотского протокола не попадают, например, даже морские и авиационные перевозки, хотя объем эмиссий СО₂ в ходе только морских перевозок превосходит объем выбросов Германии [2]. Огромное количество парниковых газов выбрасывается при извержениях вулканов. Наконец, существует геологическая цикличность. Все это дало ряду специалистов основание говорить, скорее, о «глобальном похолодании» за последние годы. Но похолодание, даже по их мнению, остановится в 2012 г., а с 2016 г. по этим же прогнозам начнется очередной цикл потепления и повышения среднегодовой температуры Земли, т.е. интенсивное таяние полярных льдов, Гренландского щита и снежных покровов. При всей ожесточенности и многовекторности мнений происходящее изменение климата никто не отрицает, даже если доля природного фактора скептиками оцени вается в 85–90 % и антропогенного – в 15–10 %.

Директива ЕС 842/2006 об F-газах резко ограничивает использование ГФУ с 2007 г. В Европе введен регламент даже по автомобильным кондиционерам, в которых с 1 января 2011 г. можно применять только хладагенты с потенциалом глобального потепления (ПГП) ниже 150. Для холодильной же техники в целом речь идет о том, что при замене R22 и других ГХФУ необходимо ориентироваться только на соединения с низким ПГП.

Почти нулевой ПГП имеют природные хладагенты – аммиак, углеводороды, СО₂, вода и воздух. Для замены R134а (ПГП = 1430) предлагают СО₂, пропан, R32, изобутан, R152а, R161. При этом последние пять веществ пожаро- и взрывоопасны, а в системах с СО₂ – высокое давление. Синтезированновый хладагент – гидрофторолефин HFO1234yf с потенциалом глобального потепления, равным 4.

Международная коалиция членов общества автомобильных инженеров рекомендует R1234yf для автомобильных кондиционеров. R1234yf умеренно горюч, по стандарту ASHRAE относится к классу безопасности A2L, тогда как R134а, как более безопасный, – в классе А1. Недавняя проверка этого хладагента фирмой Daimler в условиях лобового столкновения автомобилей, разрыва хладопровода и попадания паров в горячий отсек двигателя автомобиля показала огнеопасность R1234yf. Использование этого хладагента в Mercedes-Benz не предусмотрено, поскольку компания отдала предпочтение проверенному и безопасному R134а.

Для коммерческих установок с большей заправкой разработан азеотроп ХР10, близкий по свойствам к R134а и также отнесенный к первому классу безопасности А1, но с более высоким ПГП ≈ 600.

Следуя идеологии снижения ПГП хладагентов, похоже, в первую очередь придется расставаться с популярными R404А (ПГП = 3800), R507 (ПГП 3900), R508А (ПГП = 12000), R417А (ПГП = 2200); с хладагентами, в состав которых входят R218 (ПГП 8600), R23 (ПГП = 12000), R143а (ПГП = 4300), R116 (ПГП = 11400), шестифтористая сера (ПГП == 24900), R125 (ПГП = 3400). Сегодня вклад ГФУ в парниковый эффект не превышает 3 %, однако вывод из обращения ГХФУ и увлечение ГФУ могут существенно увеличить эту долю, причем веществами – долгожителями в атмосфере Земли.

Вывод из обращения ГХФУ и ГФУ вызвал небывалый рост цен на хладагенты. Цена, к примеру, R1234yf в 15 раз выше стоимости уже совсем недешевого R134а. Возросли цены на ГХФУ, растет контрабанда хладагентов, более того, продаются контрафактные хладагенты с многочисленными добавками, в том числе пожаровзрывоопасными, что приводит к взрывам и гибели людей [3].

Вводятся налоги на выбросы парниковых газов в эквиваленте СО₂. Так, в Австралии с 1 июля 2012 г. стоимость выброса 1 т СО₂ оценена в 16,9 евро и будет повышаться на 2,5 % каждый последующий год. Скандинавские страны вводят налог на продажу ГФУ в размере рыночной стоимости этих хладагентов. Не нужно быть экстрасенсом, чтобы оценить реальность появления подобных налогов и в России, особенно в отраслях промышленного комплекса, связанных с эмиссией парниковых газов в эквиваленте диоксида углерода. В России все еще высока энергоемкость оборудования и технологических процессов, которая в несколько раз превышает аналогичные показатели для Европы. Стоимость электроэнергии для промышленных предприятий в России в 2011 г. была лишь незначительно ниже, чем в США. Федеральный закон РФ № 261-ФЗ от 12 ноября 2009 г. и разработанная на его основе государственная программа «Энергосбережение и повышение энергетической эффективности на период до 2020 года» от 27 декабря 2010 г. должны обеспечить не менее 13,5 % снижения энергоемкости ВВП России и экономию более миллиарда тонн условного топлива. Но и резервы огромны. Общий потенциал энергосбережения в РФ оценивается в 30–40 % от суммарного потребления первичных энергоресурсов. К примеру, от общего энергопотребления в России на металлургию приходится 17%, а в Японии – 12 , в США – 4 %. В Европе 28 % энергии расходуется на транспорте, 41 % – в зданиях и 31 %– в промышленности. В последнем случае потребности в холоде значительны, но в зданиях 85 энергии идет на нагрев и охлаждение и только 15 % – на освещение. Это при хорошо известной оценке, часто повторяемой в нашей печати, о 15%-ной доле энергопотребления, расходуемой на нужды холодильной техники и систем кондиционирования [4]. Только в торговле доля холодильного оборудования в энергопотреблении составляет от 48 % для гипермаркетов до 60 % для магазинов «шаговой доступности».

В планах Евросоюза – создать системы с «нулевым потреблением», т. е. самостоятельно обеспечивать себя энергией с 2019 г. должны будут все новые общественные здания, а с 2021 г. – все новые здания, строящиеся в ЕС. Таким образом, две ипостаси – энергосбережение и экологическая безопасность – становятся каждодневной реальностью. Покупать в этих условиях за рубежом хладагенты, которые мы не производим, разорительно по причине как резкого повышения цен, так и жестких международных запретов и санкций, тем более тогда, когда можно ожидать квотирования выбросов парниковых газов в эквиваленте СО₂.

Минимизировать выбросы СО₂ и повысить эффективность техники низких температур реально при переходе на природные хладагенты. Разговоры об этом идут десятки лет, но появились и явные сдвиги, более того, в Распоряжении Председателя Правительства РФ от 03.08.2012 г. № 1413-р предложено Минпромторгу РФ представить предложения по «разработке и освоению производства номенклатурного ряда холодильного оборудования в озонобезопасном исполнении, в том числе с малой заправкой аммиаком». Есть надежда, что произойдет, наконец, сдвиг в «железобетонной» позиции органов надзора и откроется путь для так необходимых инвестиций.

В России 40 % производимых бытовых холодильных приборов работают на углеводородах. Во всем мире эксплуатируется более 300 млн бытовых холодильных приборов на углеводородах. Пропан и R32 приходят на смену R22 в системах кондиционирования воздуха, снижая энергопотребление до 30 %. Диоксид углерода используют в системах холодоснабжения супермаркетов. Сегодня в Европе работает 1200 подобных систем с применением СО₂ в каскаде. Аммиачные холодильные установки с малой заправкой установлены на пивзаводах Англии и Германии. В Германии на установках холодопроизводительностью до 5 кВт применяют R723 (азеотропную смесь аммиака и диметилового эфира). Доля холодильных хранилищ, где используют ГФУ-хладагенты, в Великобритании к 2010 г. упала до 11 %, а к 2020 г. ГФУ больше там не появятся. Фирмы «Кока-Кола» и «Пепси» используют для охлаждения напитков только хладагенты без парникового эффекта. Фирма «Нестле» на своих предприятиях в Европе, США и Японии перешла исключительно на каскадные схемы аммиак/диоксид углерода. Миллионы тепловых насосов на природных хладагентах производят в Японии и Китае, причем инвестиции поступают даже из госбюджета. В Европе введены компенсационные выплаты, стимулирующие покупку пока еще дорогих тепловых насосов.

Все это необходимо и для России, потому что уже в 2015 г. нечем будет заправлять холодильные установки и даже системы холодоснабжения промышленных холодильников, которые еще недавно с восторгом создавали на ГФУ и R22. Переход на природные хладагенты – это длительный процесс, очень ответственный, требующий и тщательной подготовки индустрии, и, прежде всего, кадров холодильщиков. Недавние взрывы холодильных установок на пропане в Новой Зеландии, не обошедшиеся без жертв, подчеркивают эту прописную истину. Интенсивно готовить кадры всех уровней крайне необходимо, надеясь при этом, что административная перестройка, коснувшаяся трех лидеров по подготовке профессионалов-холодильщиков – СПбГУНиПТ, МГУИЭ и МГУПБ – скажется положительно на решении этой стратегической задачи.

* * *

В 2013 г. исполняется 20 лет Международной академии холода. Вспомним 1908 г. и величайшее научное достижение тех лет – получение жидкого гелия, которое инициировало создание Международного института холода.

Монреальский протокол 1987 г. взволновал каждого в холодильном сообществе, а с учетом событий 1991 г. в СССР стал мощным стимулом к профессиональному объединению холодильщиков на постсоветском пространстве, заявленным на Международной научно технической конференции, посвященной 60-летию СПбГАХиПТ (бывшего ЛТИХП). В апреле 1992 г. «Ленинградская холодилка» стала местом встречи инициативной группы, 15 июня 993 г. Академию холода зарегистрировал Минюст РФ. Через два года Минюст РФ утвердил статус Академии как Международной академии холода.

Сегодня МАХ – мощный сплав молодости (ей всего 20 лет!) и компетентности, объединивший специалистов из более чем 40 стран, организация, способная решать весь спектр профессиональных проблем энергоэффективности и защиты окружающей среды, в том числе и затронутых в этой статье.

Список литературы

1. Рукавишников А.М. Реквием по хладагенту R22// Холодильная техника. 2012. № 6.
2. Стерлинг Д. Морской транспорт и окружающая среда//ЮНИДО в России. 2011. № 3.
3. 23rd Informatory Note on Refrigeration Technologies, November 2012, Paris, IIR.
4. Coulomb D. World tendencies and priorities in development of low-temperature engineering. – Вестник МАХ. 2012. № 4.

Источник: Журнал «Холодильная техника»