Хладагенты низких температур.

Постпарижские синдромы устойчивого развития.

Средняя приповерхностная температура воздуха с 1906 по 2005 r. Выросла на 0,74±0,18 0C, но темпы её роста за последние 50 лет возросли примерно вдвое. Известны периоды, когда в течение 10-15 лет имелись более слабые или более сильные тенденции потепления. Пример такой изменчивости — период 2002—2009 гг.‚ когда рост температуры атмосферы несколько снизился. Тем не менее, по данным всемирной метеорологической организации, 13 из 14 самых теплых лет за всю историю метеонаблюдений (136 лет) приходятся на XXI B. Самыми жаркими за все время наблюдений были 1998, 2005, 2010 и 2015 гг. Северное полушарие нагревается быстрее: в Арктике темпы потепления вдвое больше среднемировых. По оптимистическим сценариям возможный рост температуры в веке нынешнем составит от 1,1 до 2,9 °С‚ по пессимистическим оценкам — от 2,4 до 6,4 °С.

Климат планеты складывался тысячи лет под влиянием вариаций светимости Солнца, вулканических извержений, изменений в орбитальном движении Земли вокруг Солнца. Орбитальный Цикл Земли — это десятки тысяч лет. В рассматриваемый период Земля находится в тренде‚ который в перспективе мог бы привести к похолоданию‚ если бы накопленное в период индустриального развития человечества (после 1750 г.) антропогенное воздействие не препятствовало этому естественному течению событий.

Парниковые газы, ответственные за глобальное потепление, известны: водяной пар, диоксид углерода, метан и озон. Киотский протокол 1997 r. К ним добавил окислы азота и синтетические хладагенты — гидрофторуглероды‚ перфторуглероды и шестифтористую серу, потенциал глобального потепления (ПГ П) которых в тысячи раз превышает ПГП диоксида углерода, принятый за единицу. За время промышленной революции концентрации диоксида углерода и метана в атмосфере Земли возросли на 31 и 149 % соответственно. Рост эмиссий CO2 на три четверти обусловил сжигание нефти, природного газа и особенно угля. Остальные 25 % — вырубка лесов (обезлесение).

Эмиссии диоксида углерода от сжигания ископаемого топлива и производства цемента составили 36,1 Гт в 2013 г.‚ причем изменилась география эмиссий. Так, в 1990 r. доля США составляла 34 %, a CCCP — 17 % общего количества выбросов на планете, в 2012 г. доля США не превысила 16 %, России — 5 %, Евросоюза — 11 %‚ Китая — 29 %. К 2019 r. ожидается, что доля Китая в общем балансе эмиссий превысит суммарные доли США, Евросоюза и Индии, вместе взятые, при этом доля Евросоюза будет равна доле эмиссии Индии.

* * *

Ратификация Парижских соглашений (СОР-21) началась  с апреля 2016 г. и продлится до апреля 2017 г. По аналогии с климатическим саммитом 1992 r. в Рио-де-Жанейро следует ожидать после дующих сессий сторон при Рамочной конвенции ООН об изменении климата (СОР). По настроениям на СОР-20, состоявшейся в Лиме (Перу), решения могут быть радикальными: от резкого снижения «углеродного следа» и увеличения доли возобновляемых источников энергии в энергетическом балансе планеты до полного запрета хладагентов, обладающих ощутимым парниковым эффектом. Как прозвучало на одной из сессий Eurammon, создатели новых теплохладоэнергетических систем «должны мыслить тоннами эквивалента диоксида углерода», чтобы учитывать потенциал глобального потепления рабочего вещества. Вводятся налоги на эмиссии CO2. Например, в Норвегии 1 т эмиссии СО2, оценивается в 40 евро. Евросоюз с 1 января 2020 r. вводит запрет на использование хладагентов с ПГП > 2500, а с 1 января 2025 r. — 3aпpeт на хладагенты с ПГП ≤150.

Синхронно происходит полное прекращение производства озоноразрущающих веществ (ОРВ) с 1 января 2020 r., определенное поправками к Монреальскому протоколу 1987 г. Хотя вопрос о разрушении озонового слоя сегодня как бы отошел на второй план, возвращение озонового слоя на уровень 1980 г. ожидается лишь к середине нынешнего столетия и даже, по мнению скептиков, не ранее 2068 r. Не успокаивают и сообщения НАСА о появлении в стратосфере большого количества ОРВ, источник происхождения которых пока не известен. С 2020 г. в развитых странах прекращается производство таких ОРВ, как R21, R124, R142b, R22, R123 и R141b. Хладагент R22 — очень распространенное рабочее вещество, и в некоторых странах его доля достигает 80 % в индустрии холода. Для тепловых насосов крайне интересен R123, несправедливо оказавшийся в «черной» корзине с потенциалом разрушения озонового слоя 0,02 и ПГП чуть более 50. Замена R142b на Циклопентан в качестве вспениваюшего агента фактически уже произошла. Возможные альтернативные хладагенты с ПГП ≤2500 приведены в табл. 1.

После 2025 г. наступит очередь ГФУ: R32, R134a, R125, R152a, R143b, многих смесевых хладагентов: R404A, R407C, R410A, R507A и др.‚ но уже синтезированы новые хладагенты — гидрофторолефины (ГФО): R1234yf, R1234ze(E), R1336mzz, R1233zd(E) и др. (табл. 2), отличительной особенностью которых является низкий потенциал глобального потепления (в ряде случаев менее ПГП диоксида углерода). Хладагент R1233zd рекомендуют для чиллеров низкого давления, R1234ze(E) — вместо R134a в чиллерах, тепловых насосах, бытовых холодильных приборах, R1233zd(E) И R1336mzz могут заменить R123 (причем последний ГФО перспективен и как вспениватель). Гидрофторолефины горючи и по стандарту ИСО отнесены к классу огнеопасности A2L, хотя R22, R134a и R123 не страдают подобным «достоинством».

Таблица 1. Альтернативные хладагенты с ПГП≤2500

альтернативные хладагенты

 Таблица 2. Гидрофторолефины и некоторые их свойства

гидрофторолефины

* * *

Грядущие преобразования скажутся и на ценах. Стоимость R1234yf, по оценкам, в 15 раз выше стоимости R134a. Учитывая тенденции расставания с R134a, цены на ГФО могут вырасти еще больше. Финансовые затраты можно оценить, поскольку в мире используется примерно 100000 т хладагентов ежегодно для 240000 супермаркетов и 300000 коммерческих зданий. Выбор хладагента теперь становится компромиссом между эколого-энергетическими показателями рабочего вещества, его безопасностью и ценой.

* * *

Проблема замены R22 и вопросы импортозамещения актуальны для Российской Федерации. Заменой R22 могут служить дифторметан (R32), пропан (R290), a также смесь RS-70 (продукт компании RSL). Свойства R32 и R290 близки к свойствам R22, хотя цена пропана ниже, теплообмен лучше, т.е. снижаются необратимые потери цикла, а заправка не превышает 200-300 r. Пропан горюч, взрывоопасен и экологически безопасен. Хладагент R32 — парниковый газ с классом пожароопасности А2. Интересен R32 как компонент смесевых хладагентов, где R134a и R125 ингибируют пожароопасность R32. R32 широко востребован в смесях с гидрофторолефинами (см. табл. 1). Как и пропан, его используют в системах СКВ Японии, Китая, Австралии, Индии; даже США согласны рассматривать R32 как альтернативный хладагент для систем кондиционирования воздуха. Пропан и R32 производят в России, т. е. они являются элементами импортозамещения. Наряду с этим важно иметь резерв R22, наладить сбор и рекуперацию хладагентов для повторного применения.

На смену R134a в бытовых холодильниках, число которых в мире превысило 700 млн, пришел изобутан (R600a). Изобутан горюч, но вопрос решили снижением заправки ниже 150 r. При этом возросла энергоэффективность‚ снизился уровень Шума в сравнении с R134a. Агентство по охране окружающей среды США (ЕРА) включило R600a и смесь углеводородов R441A (смесь этана, изобутана, пропана и бутана) в политику новых значимых альтернатив для бытовых холодильных приборов. Зеотроп R441A применяют вместо пропана для холодильных шкафов, витрин, кондиционеров, поскольку достигается более значительная экономия энергии и расходных материалов. В системах СКВ при переходе с R22 на R290 заправка уменьшилась вдвое и вырос холодильный коэффициент. Возгорание R600 и R290 в бытовых СКВ и БХП, безусловно, реально, но, по одной из оценок в ходе конференции Густав Лорентцен-2014, в Китае одно событие на 100 млн кондиционеров происходит в течение 10 лет. Пропан нашел применение для климатизации зданий, в супермаркетах и каскадных схемах. Сотни каскадов утлеводород R744 за один только 2013 r. смонтированы в Австрии, США, Бразилии и Японии. Высокотемпературный тепловой насос на R601 разработан фирмой Mayekawa. Пропан-бутановая смесь для тепловых насосов предложена И.М. Калнинем с сотрудниками. Вместе с тем масштабное использование углеводородов в РФ имеет жесткие ограничения на объемы заправки и, по мнению И.М. Калниня, не позволяет рассматривать углеводороды в качестве универсальных рабочих веществ «холодо- и тсплопотребляющих объектов».

B РФ производится более 13 млн. т. аммиака в год. При всех достоинствах аммиака как хладагента памятны его ядовитость, даже взрывоопасность. Сегодня это преодолимо, и с 1992 r. только фирмой GЕА введено в строй более 2000 аммиачных чиллеров с обшей заправкой всего 180 т. Активно создаются каскадные холодильные установки на NH3 И CO2. Подобные каскады могут использовать до 10 раз меньше аммиака, чем системы полностью на аммиаке, что позволило в Китае монтировать каскадные системы в густонаселенных районах. В 2013 r. B Европе было введено в эксплуатацию 19 каскадов NH3/CO2. Не забудем, что каскадные установки — это и перспективное импортозамещающее направление.

Не ушли в прошлое фобии относительно диоксида углерода, хотя R744 — реальная альтернатива для тепловых насосов и даже бытовых парокомпрессорных холодильников. По определению, CO2 уступает пока конкурентам по затратам на материалы вследствие высоких давлений, но автопроизводители уже преодолели эти страхи и решили в его пользу вопрос хладагента в системах кондиционирования, а миллионы бытовых тепловых насосов на R744, вопреки всему работающие в Японии и Китае, — лучший аргумент в пользу CO2.

            * * *

B условиях климатических и экономических вызовов, необходимости снижения выбросов парниковых газов, исключения озоноразрушающих веществ, роста цен на энергию, хладагенты, комплектующие, в условиях растущей конкуренции, как никогда, нужны инновации, мобильность и оперативность решений, переосмысление устоявшихся запретов и парадигм. Россия способна и должна оставаться независимой в развитии индустрии холода.

Работа выполнена при финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (проект 15-08-08503)

д-р техн. наук О.Б. ЦВЕТКОВ; канд. техн. наук Ю.A. ЛАПТЕВ. max_iar0gunipt.spb.m  институт холода и биотехнологии Университета ИТМО