Экологическая безопасность хладагентов, хладонов, фреонов

Озоновые дыры, парниковые эффекты, всеобщее потепление… Проблемы, без всяких сомнений, важнейшие и актуальнейшие. Совсем не случайно им во всем мире уделяется повышенное внимание. Эта тема детально рассматривается в научных и политических кругах, в государственных и общественных организациях и, естественно, в самых различных СМИ.

Но, особенно в последнее время, стало заметно, что направленность обсуждений проблемы все больше смещается в область экономики и политики. И как-то незаметно, в полемике жарких политических и экономических дискуссий, остались в стороне вопросы о первопричинах возникновения, а значит, и путях решения этой глобальной мировой задачи. Бесспорно, основные факторы, влияющие на сложившуюся ситуацию, определены. И принимаемые мировым сообществом решения опираются именно на уменьшение их влияния. Но все ли существующие нюансы учтены?

Об этом в предлагаемом вам материале со взвешенной, на наш взгляд, даже прагматической, точки зрения, рассуждает один из ведущих российских ученых-холодильщиков Олег Борисович Цветков.

С 01.04.1977 г. в штате Орегон (США) запретили использование фреонов в качестве пропеллентов в парфюмерии и фармакологии [1],[2]. Чуть ранее англичане обнаружили молекулы фреонов с атомами хлора в стратосфере Земли. Химики из Беркли — М. Молина и Ф. Роуленд — предположили, что в условиях стратосферы хлор, отделившись от молекулы фреона, окисляется, образуя окись хлора, и попутно превращает озон в кислород. По данным наблюдений в Антарктиде за период 1970-1984 гг., опубликованным метеорологами станции «Халли-Бей», количество озона в этом регионе снизилось на 30%. При зондировании стратосферы над Антарктидой весной 1987 г. была обнаружена окись хлора, причем ее концентрация была на два порядка выше, чем в средних широтах Земли. Это подтверждало гипотезу М. Молины и Ф. Роуленда. Были учтены и носители атомов хлора в стратосферу — фреоны. И 16 сентября 1987 г. в Монреале ООН призвала «все государства и региональные организации регулировать свои выбросы ХФУ (хлорфторуглеводородов) любыми имеющимися средствами».

Интересны комментарии в прессе по поводу запрета фреонов еще в 1977 г. Говорилось, что, действительно, фреоны в качестве пропеллентов, вероятно, и опасны, но этот запрет никак не грозит холодильным установкам, где эмиссии фреонов несопоставимо меньше [1],[2]. В те годы не шла речь ни о фирмах, промоутирующих подобные запреты фреонов, ни об экологических проблемах, поскольку тогда технической интеллигенции было даже малознакомо само понятие «экология».

Затем начался «бум» персональных компьютеров, производство которых расширялось неправдоподобно быстро. Появились миниатюрные микросхемы и микрочипы, как грибы росли производящие их фирмы, особенно в Азии. В технологиях очистки микросхем и микрочипов лучшими оказались фреоны, особенно фреон 113. Изоляционным материалам на газообразных фреонах тоже не стало равных. Их использовали в сотнях миллионов домашних холодильников и в таком же количестве контейнеров для пищевых продуктов в системах быстрого питания. Тысячи тонн фреонов для очистки изделий расходовали машиностроительные заводы, химчистки. Фреоны как исключительное по эффективности пожаротушащее средство обнаружили для себя военные, хранители денег и музейных реликвий, администрации концертных и спортивных комплексов, отелей, супермаркетов, центров международного и торгового сотрудничества и т. д. Холодильная техника фактически стала «Золушкой», ушла на третий план на этом «празднике жизни», потребляя не более 5-6% всех фреонов. В 1986 г. произведено 1 млн 300 тыс. тонн фреонов. Практически все они были хлорфторуглеводороды, в аббревиатуре сегодняшнего дня — ХФУ (CFC) и ГХФУ (HCFC). При этом почти три четверти всех производимых фреонов практически шло на устранение потерь хладагентов.

Монреальский протокол от 16.09.1987 г. довольно взвешенно подходил к введению этапов исключения хлор- и бромсодержащих хладагентов. Были определены две группы государств — «развитые» и «развивающиеся». Для второй группы, к которой, кстати, были отнесены Китай и Индия, эти этапы вообще были эфемерны, если не сказать — факультативны. В действительности ситуация с фреонами стала развиваться более жестко. Ее усугубили поправки, принимавшиеся перманентно на заседаниях комиссии стран-подписантов Монреальского протокола. Наиболее «болезненными» из них были Лондонская, Копенгагенская, Монреальская и Пекинская. Россия после раздумий ратифицировала все поправки. Итак, с 1996 г. прекращено производство фреона 12. С 2030 г. эта участь ждет фреон 22. Индия и Китай еще год могут производить, но не продавать фреон 12 и до 2040 г. — фреон 22. Опережая даже США, Евросоюз готов досрочно запретить R22.

В современном «холодильном» лексиконе чаще стали встречаться понятия — озоноразрушающее вещество (ОРВ), потенциал разрушения озонового слоя (ODP), альтернативные (т. е. озоносберегающие) хладагенты. К ОРВ относят фреоны, содержащие хлор и бром: R11, R12, R21, R22, R13, R113, R114, R115, R502, R142b, R12B2, R114B2, R141b и др. Эти фреоны обладают потенциалами разрушения озонового слоя. Так, и у R11, и у R12 ODP = 1. У R22 ODP = 0,055, т. е. почти в 20 раз меньше. У бромированных фреонов ODP «зашкаливает» за 10. Один атом хлора способен превратить в кислород до 105 молекул озона, а один атом брома — до миллиона этих молекул.

Озоносберегающие хладагенты имеют нулевой ODP. Это фреоны, синтезированные в последнее десятилетие ХХ века: R134а, R125, их смеси, в том числе с известными ранее озонобезопасными фреонами R32, R143а, R23 и R152а. Среди смесей популярны R404А, R407С, R410А, R507 и R508 [3].

Особый класс — «переходные» хладагенты, рассчитанные на замену ОРВ в существующих холодильных машинах на менее, как правило, но все-таки озоноопасные, хладагенты. Переходные хладагенты отечественного производства — смеси С1, СМ1, С10М1, Экохол, С10М1, С10М1В. За рубежом подобные смеси известны как R401A, R401B, R402A, R406A.

Главная экологическая проблема сегодняшнего дня — глобальное потепление. О разрушении озонового слоя стали говорить меньше. «Сигнал» прозвучал в июне 1992 г., когда на саммите в Рио-де-Жанейро главы государств обозначили именно глобальное потепление как главную опасность для человечества.
По данным геологов, более 12 тысяч лет назад Земля сбросила свой очередной ледниковый панцирь. Температура атмосферы планеты стала медленно и неуклонно повышаться. Рост температуры неожиданно ускорился в последние два десятилетия ХХ века. Международная группа экспертов (IPCC) связывает это событие с некоторыми газами, присутствующими в атмосфере Земли и создающими так называемый «парниковый» эффект.

Дискуссии относительно роли этих газов, в частности фреонов, в изменении климата Земли шли вплоть до декабря 1997 года. Даже накануне принятия итогового заявления в Киото на конференции сторон, подписавших Рамочную конвенцию ООН по изменению климата Земли (СОР-3), фреоны не упоминались. Тем не менее, 11 декабря 1997 г. фреоны пополнили «семью» официально обозначенных парниковых газов: водяной пар, диоксид углерода, окись азота, метан и все фреоны — гидрофторуглероды (ГФУ), перфторуглероды (ПФУ) и шестифтористая сера (отдельно).

Итак, «виновники» глобально потепления названы. Киотский протокол, а именно такое название получил подписанный документ, дополнен квотами, обязательными для стран, подписавших Рамочную конвенцию ООН по сокращению эмиссий парниковых газов. Водяной пар, разумеется, не в счет, а эмиссии остальных парниковых газов пересчитали на эквивалент диоксида углерода, принятый за единицу отсчета. Так, эмиссия в атмосферу 1 кг шестифтористой серы эквивалентна более чем 20 тоннам диоксида углерода. Иначе говоря, потенциал глобального потепления SF6 (GWP) — более двадцати тысяч. Потенциалы других фреонов меньше, но тоже впечатляют: GWP = 12100 у R23, GWP = 3200 у R125, GWP = 1300 у R134а и т. д. Для России квота сокращения эмиссии парниковых газов от уровня 1990 г. (для фреонов — от уровня 1995 г. ) до 2008-2012 гг. — нулевая. Для Германии это — 25%, для США — 7%. В целом для Евросоюза — 8%.

Снижение выбросов парниковых газов коснется каждого, поскольку это означает решения, прежде всего связанные с производством энергии — главным источником эмиссий диоксида углерода. Вопрос этот крайне чувствителен. Фактически отказ США от ратификации Киотского протокола связан именно с этим. На долю США приходится более одной трети мировых эмиссий парниковых газов. На долю России — 17,4%. Россия в октябре 2004 г. ратифицировала Киотский протокол, который после этого канонически вступил в законную силу с 16 февраля 2005 г.

У России есть резервы, позволяющие, в принципе, до 2008-2012 гг. продать часть неиспользованных квот по эмиссиям парниковых газов. Однако это не очевидно, особенно в преддверии возможного введения новых квот по снижению выбросов до, и особенно после, 2012 г. Эти вопросы, к примеру, планируется обсуждать уже в мае и ноябре 2005 г.

Эмиссии хладагентов — это прямое воздействие на климат Земли. Значимо косвенное воздействие, поскольку для работы холодильных систем требуются немалые затраты электроэнергии. В развитых странах до 15% производимой энергии идет на обслуживание «холода». При производстве 1 кВтЧч энергии за счет сжигания топлива в атмосферу эмитируется от 0,6 до 1,1 кг диоксида углерода. Нетрудно подсчитать эмиссию диоксида углерода от работы обычного домашнего холодильника в течение 10-20 лет, учитывая при этом, что в мире подобных холодильников более миллиарда, а с 1990 г. их число удвоилось. Доля косвенного воздействия домашних холодильников может превысить 98%, т. е. прямое воздействие на климат в результате возможной утечки хладагента составляет не более 2%. Статистика оценивает долю прямого воздействия эмиссий известных сегодня хладагентов в атмосферу, в целом, около 20%; 80% — доля косвенного воздействия. Велики значения эмиссии хладагентов в транспортных холодильных системах, в первую очередь — у автомобильных кондиционеров. О количестве кондиционеров можно судить по числу компрессоров, производимых в мире для этих целей: более 20 млн шт. в год.

И, все-таки, наиболее значима энергетическая эффективность циклов паровых холодильных машин. Эффективность циклов на озонобезопасных фреонах (R134а, R125, R404А, R407С, R410А и др. ) традиционно сопоставляют с эффективностью циклов на R12 и R22 — она нередко ниже, чем у циклов с прежними хладагентами. Фактически переход с ХФУ и ГХФУ на озонобезопасные хладагенты внес дополнительный вклад в глобальное потепление за счет возросшего потребления электроэнергии. Нетрудно представить, что, просто исключив прямые эмиссии тех же ГХФУ в атмосферу, можно не менее эффективно бороться с глобальным потеплением.

Обязательство Международного института холода [4] — снижение потребления энергии к 2020 году на 30-50%. Слагаемых этого почина МИХ, и, будем надеяться, что он осуществится, несколько. Самое реальное — совершенствование холодильных систем на имеющихся хладагентах при сопоставении при этом стоимости осуществления мер по наиболее полному исключению эмиссий хладагентов и уровеня энергетических выгод от этого.

Второй путь — использование природных хладагентов. Аммиак — лучший из хладагентов. Конкурентов аммиаку в области промышленного применения не было даже в годы «победного шествия» фреонов. Сегодня аммиак «де факто» присутствует в транспортных установках, в том числе на флоте, в коммерческих холодильных установках, в тепловых насосах.

Начинается осмысление истинных перспектив применения диоксида углерода. Известно, что термодинамически цикл с диоксидом углерода не самый лучший. Однако там, где эмиссий в атмосферу избежать невозможно, существенен так называемый эколого-энергетический анализ систем. При таком подходе диоксид углерода не имеет конкурентов: не горюч, взрывобезопасен, экологичен и т. д. Проблемы, связанные с высоким давлением диоксида углерода, в значительной степени нивелируются его высокой объемной холодопроизводительностью и, вследствие этого, высочайшей компактностью систем с CO2.

Эффективно также применение углеводородов. При грамотном учете пожаро- и взрывоопасности, можно обеспечить безопасное и эффективное функционирование таких холодильных систем. В Европе работают десятки миллионов холодильных шкафов на изобутане, смесях изобутана с пропаном, реально подтверждая подобные рассуждения.

Природные хладагенты — это «светлые дали» XXI века. Человечество озабочено сохранением озонового слоя, пытается преодолеть глобальное потепление. По одному из последних прогнозов Всемирной метеорологической организации, нашей атмосфере до конца столетия предстоит нагреться еще на пару градусов. Человечество «взрослеет» и понимает, что вслед за этим или параллельно с этим за предстоящие сто лет может столько всего случиться, что возникнут и новые гораздо более острые проблемы.

Сегодня, решая второпях проблемы глобального потепления, можно отравиться, сгореть и даже взорваться, как показал апрель 2004 г. в Москве. В настоящее время нужно просто бережно относиться к имеющимся хладагентам и системам, снижая эмиссии хладагентов (иногда достаточно обычной внимательности), повышая энергетическую эффективность. А здесь, как показывает опыт, резервы в огромном большинстве ситуаций неисчерпаемы. И при этом следует видеть новое, держать руку на пульсе, осваивать и создавать именно в эволюционном ритме новые поколения холодильных установок.