Prírodné chladivá: súčasný vývoj a trendy

Rozhodnutie o tom, ktoré chladivo by sa malo v chladiacich a klimatizačných systémoch použiť, vychádza najmä z hlavných požiadaviek na bezpečnosť, náklady a ochranu životného prostredia. Na pozadí stále sa zvyšujúcich cien energie hrá však čoraz dôležitejšiu úlohu aj spotreba energie systému. Zvolené chladivo by malo mať v ideálnom prípade vynikajúce termodynamické vlastnosti, vysokú chemickú stabilitu a dobré fyzikálne charakteristiky. Navyše by nemalo mať žiadny alebo len zanedbateľný vplyv na životné prostredie a malo by byť finančne nenáročné a dostupné na celom svete.

Neexistuje však žiadne chladivo, ktoré by spĺňalo všetky tieto kritériá, a preto v praxi závisí rozhodnutie o najvhodnejšom chladive od celého radu rozličných faktorov. Zohľadňuje sa oblasť využívania s požiadavkami používateľa spolu s miestom montáže a environmentálnymi aspektmi. Je to však predovšetkým hodnotenie chladiaceho systému ako celku so zreteľom na podmienky pri čiastočnom zaťažení, ktoré má kľúčový vplyv na spotrebu energie, keďže celkový koncept chladiaceho systému má na energetickú efektívnosť väčší vplyv než voľba chladiva. Množstvo súčasných projektov však ukazuje, že systémy prevádzkované s prírodnými chladivami sú veľmi účinné a šetrné k životnému prostrediu. 

Chladenie s pomocou amoniaku
Amoniak je chladivo, ktoré má preukázateľne najlepšie termodynamické vlastnosti. Je to jediné prírodné chladivo, ktorého sa priemysel nikdy nechcel vzdať vzhľadom na jeho vynikajúcu energetickú účinnosť. Amoniak je vysoko hodnotený aj v ekologickom zmysle: nemá žiadny potenciál rozpadu ozónovej vrstvy (Ozone Depletion Potential, ODP) ani potenciál globálneho otepľovania (Global Warming Potential, GWP), čiže ODP a GWP = 0, má priaznivú hodnotu celkového ekvivalentu vplyvu oteplenia (Total Equivalent Warming Impact, TEWI) a bilanciu vďaka vysokému výkonovému číslu (Coefficient of Performance, COP) systémov využívajúcich amoniak.

V priemyselných systémoch s kapacitami prevyšujúcimi 500 kW má amoniak v zmysle energetickej a cenovej efektívnosti stále kľúčovú úlohu. Využitie však nachádza v menšej miere aj pri systémoch s kapacitou menšou ako 500 kW, kde sa množstvo amoniaku môže zredukovať správnym výberom sekundárneho chladiva. V súčasnosti prebieha intenzívny výskum najmä v oblasti nízkokapacitných systémov s cieľom (okrem iného) vyvinúť malé, čiastočne hermetické a hermetické kompresory s výkonom nižším ako 100 kW. Súčasne sa vyvíjajú aj výmenníky tepla pre takéto systémy s nižšou kapacitou.

Dnes sa amoniak používa vo zvýšenej miere aj v oblastiach, v ktorých dominovali syntetické chladivá. Napríklad všetky veľké výstaviská v Nemecku boli na klimatizáciu vybavené chillermi využívajúcimi amoniak. Aj banky, poisťovne či administratívne budovy inštalujú na klimatizáciu vo zvyšujúcej sa miere chillery vy­užívajúce amoniak, aby usporili energiu. Dokonca aj na moderných letiskách sa zvyšuje miera využitia amoniakových systémov. Dôvodom sú výsledky analýzy rizík, ktoré naznačujú, že potenciálne riziko pre verejnosť či zamestnancov nie je väčšie ako pri systémoch využívajúcich syntetické chladivá. Systémy využívajúce amoniak sa tak inštalovali nielen na renovovanom letisku v Düsseldorfe, ale aj na novom Termináli 5 londýnskeho Heathrow a na letisku v Zürichu. Aj nákladné priestory na letisku Christchurch na Novom Zélande šetria energiou využívaním amoniaku v chladiacich systémoch.

Využívanie oxidu uhličitého
Posledných desať rokov prinieslo v podstate rovnomerný nárast záujmu o chladiace systémy využívajúce CO₂. Za takýto vývoj možno vďačiť napríklad aj takej skutočnosti, že svetový hráč Nestlé neustále zvyšoval rýchlosť vývoja NH3/CO2 kaskádových chladiarenských zariadení, dokazujúc ich energetickú účinnosť inštaláciami v Európe, Spojených štátoch a v Japonsku, v čom ho nasledovali aj ďalšie spoločnosti. Tento trend bol navyše v niektorých krajinách následne podporený štátnymi stimulmi. Napríklad Holandsko poskytlo na systémy využívajúce CO₂ daňové úľavy, zatiaľ čo v Škandinávii sa zvýšilo zdanenie syntetických chladív. Oxid uhličitý je veľmi vhodný aj do systémov na spätné získavanie tepla alebo systémy s tepelnými čerpadlami. Aplikácie tohto druhu sú veľmi rozšírené v Ázii a dá sa očakávať, že sa k tomuto trendu pridajú aj ďalšie krajiny.

Množstvo energie, ktoré možno ušetriť používaním CO₂ ako chladiva, závisí predovšetkým od vonkajšej teploty. Účinnosť systémov využívajúcich CO₂ je zreteľne vyššia než pri zariadeniach prevádzkovaných so syntetickými chladivami, ak sa používajú v subkritickej oblasti. Aj v superkritickej oblasti sa však dosahujú úspechy v optimalizácii účinnosti systému. To potvrdzuje okrem iného najmä spoločnosť ­Coca-Cola, ktorá vo svojich 550-litrových chladničkách využíva CO2 aj R 134a – a to s takým výsledkom, že systémy prevádzkované s CO2 spotrebujú o 20 až 30 % menej energie. 

V trans- alebo superkritickom režime (teploty > 31,2 °C) sú systémy s CO₂ v princípe menej účinné než systémy využívajúce syntetické chladivá. Napriek tomu – z hľadiska celého roka – sú chladiace systémy s CO₂ často energeticky efektívnejšie než systémy so syntetickými chladivami. Je to spôsobené tým, že väčšina systémov sa väčšinu času prevádzkuje v subkritickom pásme, a to najmä v zemepisných šírkach s miernym podnebím.

Klimaticky neutrálne chladenie s uhľovodíkmi
Uhľovodíky ako bután, propán a propén sú ideál­nymi chladivami. Bután sa v súčasnosti veľmi úspešne používa vo viac ako 300 miliónoch domácich chladničiek. Okrem toho ho čoraz častejšie možno nájsť v menších komerčných chladiacich systémoch. Napríklad spoločnosť Pepsi porovnala účinnosť malých chladiacich zariadení na nápoje s obsahom chladiva do 150 g pričom sa zistilo, že jednotky prevádzkované s butánom spotrebovali až o 27 % energie menej než jednotky, ktoré využívali R 134a. Odvtedy tento výrobca nealkoholických nápojov uprednostňuje v takýchto chladiacich zariadeniach bután – a nie je jediný. Spoločnosť Ben & Jerry použila bután vo svojich mrazničkách na zmrzlinu prvýkrát v histórii Spojených štátov s veľmi uspokojivými výsledkami.

Propán má veľmi podobné termodynamické vlastnosti ako R22. Niektoré ázijské krajiny preto nahradili R22 propánom v centralizovaných klimatizačných systémoch a zaznamenali zníženie spotreby energie od 10 do 30 % pri minimálnej potrebe modifikácie systémov. Aj Unilever rozpoznal výhody propánu ako chladiva: už počas olympijských hier v roku 2000 v Brisbane a Sydney spoločnosť vykonala prieskum v teréne s 360-litrovými mrazničkami na zmrzlinu, pričom porovnávala prevádzku s propánom a prevádzku s R404A. Mrazničky využívajúce propán ušetrili v priemere okolo 9 % energie.

Uhľovodíky majú vynikajúce termodynamické vlastnosti, a preto sú chladiace a klimatizačné systémy prevádzkované týmito látkami veľmi energeticky efektívne. Možno ich dobre miešať s konvenčnými chladiarenskými mazacími olejmi a majú relatívne vysokú kritickú teplotu. Zatiaľ čo horľavosť uhľovodíkov vyžaduje hermeticky utesnené systémy s ochranou elektrických komponentov proti explózii, všetky komponenty sú ľahko dostupné a súčasná technika si vie s aktuálnymi požiadavkami na bezpečnú prevádzku ľahko poradiť. Vzhľadom na veľký potenciál energetických úspor systémov pracujúcich s uhľovodíkmi oznámil celý rad spoločností úmysel prevádzkovať nové chladiace systémy využívajúce uhľovodíky.

K dnešnému dňu platí v Európe obmedzenie na plnenie chladiacich zariadení uhľovodíkovým chladivom do limitu 150 gramov. Táto hodnota sa však určila pre ľubovoľné podmienky, bolo by teda vhodnejšie, keby toto obmedzenie záviselo od existujúcich podmienok, z prípadu na prípad. Odporúčania limitných hodnôt závislé od reálnych podmienok by sa mohli vyvinúť a zhrnúť v rámci vedeckého výskumného projektu. Väčšie množstvá náplne by sa tak pravdepodobne mohli povoliť, ak by sa propánová náplň nachádzala vysoko na streche budovy alebo vo veľkých a dobre vetraných miestnostiach.  

Zdá sa, že v Spojených štátoch je vôľa situáciu znova zvážiť – aj keď používanie uhľovodíkov na priemyselné aplikácie tu bolo zakázané, tento zákaz by mohol byť v budúcnosti zrušený. Agentúra na ochranu životného prostredia Spojených štátov (US Environmental Protection Agency, EPA) so svojim mimoriadne kritickým postojom k látkam predstavujúcim bezpečnostné riziko povolila prvýkrát terénny prieskum, v ktorom sa má testovať až 2 000 domácich mrazničiek s horľavými chladivami. Toto by mohlo znamenať skutočný prielom v tejto oblasti.

Chladenie s využitím vody
Vyparovanie vody sa na ochladzovanie využívalo od nepamäti. Táto metóda, ktorá funguje celkom prirodzene v ľudskom tele prostredníctvom potenia, predstavuje v priemyselnom meradle veľkú výzvu. Na dosiahnutie primeraného chladiaceho účinku je potrebný veľký tok vodnej pary, ktorý možno dosiahnuť len s použitím turbokompresorov. Vhodné stroje pozostávajú buď z axiálnych kompresorov s relatívne malou základňou a s mnohými stupňami, alebo z radiálnych kompresorov zapojených do série. Tie sú však citlivé na zmeny zaťaženia a vyžadujú čo najstálejšiu prevádzku. Situáciu ďalej komplikuje aj skutočnosť, že zariadenie sa prevádzkuje vo vákuu, čo znamená, že systém musí byť dokonale tesný. Aj napriek tomu sú tieto prísne technické požiadavky vyvážené veľkým energeticky úsporným potenciálom, ktorý v porovnaní so súčasne dostupnými kvapalinovými chladiacimi jednotkami využívajúcimi R 134a predstavuje približne hodnotu 25 %. To je aj dôvod, prečo vo Francúzsku a v Nemecku prebieha v súčasnosti výskum na prototypoch radiálneho aj axiálneho kompresora.

Vzduch
Vzduch sa stáva zaujímavým chladivom pri teplotách pod –50 °C. Systémy s uzatvoreným vzdušným okruhom presviedčajú predovšetkým ich zvlášť rýchlym chladením pri nízkej spotrebe energie. Vzduch sa napriek tomu nestal široko akceptovaným chladivom pre celkové vysoké náklady na chladiaci systém. Na dosiahnutie požadovaného hmotnostného toku sú potrebné drahé turbokompresorové/expanzné systémy spolu so špeciálnymi tesneniami na minimalizáciu netesností. Vzduchom chladené systémy sú však zároveň aj veľmi kompaktné, preto sa v súčasnosti využívajú primárne na skvapalňovanie plynu v tankeroch, kde vysoké náklady vyvažuje menší objem priestoru.

Prečo prírodné chladivá
Prírodné chladivá sú cenovo nenáročné, dostupné a v súčasnosti ich už možno vy­užiť v takmer každej chladiarenskej aplikácii. Okrem toho majú v porovnaní so syntetickými chladivami veľmi nízky GWP. Už len táto skutočnosť je dostatočným dôvodom na ich užívanie. Rovnako dôležité je však aj to, že sú mimoriadne energeticky efektívne – viac než 80 % potenciálu globálneho otepľovania chladiacich a klimatizačných systémov pochádza zo spotreby energie týchto systémov, a nie z ich netesností. V súčasnosti sa približne 15 % svetovej elektrickej spotreby využíva na výrobu chladu, čo znamená veľký potenciál úspor. Opatrenia na úsporu energie počas celej životnosti chladiaceho systému sú preto čoraz dôležitejšie a môžu významne prispieť k zníženiu zaťaženia životného prostredia. Tu ponúka využívanie prírodných chladív dvojakú motiváciu pre spoločnosti – znížením ich energetickej spotreby nielenže znížia ceny, ale pomôžu aj chrániť životné prostredie. Používanie prírodných chladív v budúcnosti má teda ekonomický aj ekologický zmysel.

Monika Wittová
Foto: eurammon

Autorka je predsedníčkou európskej iniciatívy za prírodné chladivá eurammon.

Váš názor Keďže sa témy budúcnosti chladív opakovane dotýkame, opýtali sme sa tajomníka Slovenského zväzu chladiacej a klimatizačnej techniky na zdanlivo jednoduchú otázku: Vytláčajú prírodné chladivá halogénované? doc. Ing. Peter Tomlein, PhD. Prírodné chladivá vytláčajú halogénované chladivá. Odpoveď teda znie – áno. A deje sa to tam, kde sa vplyv prírodných chladív na životné prostredie znižovaním skleníkového efektu prejaví nielen priamo – uniknutým chladivom zo zariadenia (netesnosťami, pri poruche, opravách a na konci jeho životnosti pri likvidácii), ale tiež nepriamo – prostredníctvom spotreby energie na výrobu chladu.  To znamená, že tam, kde takéto podmienky sú, respektíve budú splnené, nás čaká zavádzanie tzv. prírodných chladív. Dôraz sa bude klásť nielen na ochranu životného prostredia, ale aj na ekonomickú prijateľnosť. Bude viac syntetických alebo prírodných chladív? Syntetické chladivá HFCs s vyšším skleníkovým efektom majú budúcnosť len dovtedy, kým nebudú chladivá s vyššou energetickou efektívnosťou bez ODP (potenciálu poškodzovania ozónovej vrstvy zeme) a bez GWP (skleníkového efektu). Syntetické chladivá sa zatiaľ uprednostňujú z hľadiska bezpečnosti, ekonomiky a dosahovaných vyšších COP. Vyvinuli sa už aj syntetické chladivá (tzv. HFO) s veľmi nízkymi hodnotami GWP a veľmi dobrou energetickou efektívnosťou. Tie budú konkurovať prírodným chladivám nižšími nákladmi na výrobu chladu, a to najmä vďaka možnosti priamej náhrady chladív HFCs v existujúcich chladiacich okruhoch. Amoniak je obor v oblasti chladív používaný od roku 1872, ktorý má perspektívu aj do budúcnosti. V tomto prípade je snahou ísť aj do menších výkonov pod 100 kW, do nižších náplní a v nepriamom kaskádovom chladení aj do kombinácií s inými chladivami – najmä s CO2. Význam amoniaku rastie v priamom i nepriamom chladení z hľadiska ODP = GWP = 0 a dosahovanej energetickej efektívnosti, najmä pri vyšších chladiacich výkonoch. CO2 je staré chladivo, ktoré sa opäť vracia. Pri zavádzaní CO2 sa už v mnohých aplikáciách s určitými obmedzeniami v nadkritických (vysoké tlaky), ale najmä v podkritických chladiacich obehoch dosahujú vyššie výkonové čísla (COP) ako so syntetickými chladivami. Využitie CO2 ako chladiva je už dnes len otázkou hromadnej výroby komponentov s cieľom znížiť investičné náklady. CO2 sa už úspešne aplikuje vo výrobe tepelných čerpadiel na prípravu teplej vody, v mobilnom chladení, klimatizácii, komerčnom chladení v supermarketoch (priamo i nepriamo), pri chladení nápojov a potravín a podobne. Vo vývoji sú chladiče vody, tepelné čerpadlá pre rodinné domy a podobne. Čisté uhľovodíky – chladivá HC, od ktorých sú odvodené halogénované chladivá HCFCs a HFCs, sú vzájomne zameniteľné v tých istých chladiacich okruhoch. Dokonca pri zámene R22 a propánu netreba meniť ani olej. Problémom je však horľavosť. Riešenia spočívajú v zmenšených náplniach, umiestnení (rooftopy, tepelné čerpadlá split, strojovne so senzormi a podobne), nepriamych systémoch a podobne. Konkrétne aplikácie sú už bežné v domácom či komerčnom chladení (izobután, propán, etán, propylén), zriedkavejšie sú v tepelných čerpadlách (propán) a v komerčnom chladení v nepriamych systémoch (propán). V absorpčnom chladení sú tiež prírodné chladivá, v lete sa nevyžaduje fosílna energia, netreba kompresor a v trigenerácii sa lepšie zhodnocuje primárna energia. Potenciálne využitie je však zatiaľ malé. Absorpčné chladenie je teoreticky výhodné pre autoklimatizáciu, technicky to však ešte nie je doriešené. Hlavnými problémami sú hmotnosť a cena. Voda ako chladivo vyžaduje pre vysoký merný objem nasýtených pár vo vákuu obrovský kompresor, preto nachádza len zriedkavé využitie. Ľadová vodná kaša, ktorú možno čerpať, ponúka využitie skrytého tepla. Očakáva sa vyššie využitie, spriemyselnenie a zlacnenie výroby ľadovej kaše. Odpovede sa hľadajú v ekonomickej a ekologickej efektívnosti Parameter TEWI (total equivalent warming impact) vyjadruje celkový vplyv prevádzky chladiaceho okruhu na oteplenie zeme sumárom emisií CO2 počas roka alebo životnosti zariadenia. Na rozdiel od tohto parametra ekoefektívnosť vyjadruje nielen ekologické hodnotenie prostredníctvom emisií CO2 (LCCA podľa ISO 14040), ale aj náklady (investičné, prevádzkové, kapitálové) na realizáciu porovnávaných chladiacich systémov pomocou pomerných hodnôt za rok alebo na celú životnosť zariadenia. Hodnotením podľa ekonomickej a ekologickej efektívnosti sa sleduje predovšetkým citlivosť na mieru úniku chladiva a dôležitá je aj výška investičných nákladov a energetická efektívnosť. Z takýchto hodnotení môže vyplynúť, že zvýšenými investičnými nákladmi sa nemusia výrazne zvýšiť celkové náklady na výrobu chladu, pričom sa zvýši environmentálna výhodnosť. Veľkú úlohu tu hrá výber chladiva a vhodného chladiaceho systému. Vývoj v tomto hodnotení postupne posúva tzv. prírodné chladivá na stále lepšie pozície. (sf) Foto: archív vydavateľstva, eurammon

Článok bol uverejnený v časopise TZB HAUSTECHNIK.