Значительный вклад хладагентов в общий объем парниковых выбросов сделал решение проблемы их воздействия на окружающую среду задачей первостепенной важности для всего мира. Обладающие высоким потенциалом глобального потепления (ПГП) гидрофторуглероды (ГФУ), которые широко применяются в системах кондиционирования воздуха и охлаждения, способствуют изменению климата. Переход на альтернативные хладагенты с низким ПГП, также, как и совершенствование стратегий управления хладагентами, имеют жизненно важное значение для смягчения негативного воздействия на климат.
В ходе обсуждений на недавних ключевых международных форумах, включая Совещание сторон Монреальского протокола и Конференцию ООН вопросам изменения климата, подчеркивалась необходимость ускорения этого перехода. Ключевыми стратегиями достижения целей сокращения глобальных парниковых выбросов становятся извлечение, восстановление и уничтожение хладагентов. В дополнение к этому набирает обороты разработка хладагентов нового поколения, включая природные хладагенты и гидрофторолефины (ГФО). Настоящая статья исследует актуальные тенденции в области хладагентов, фокусируясь на трех ключевых аспектах, а именно – материальном балансе ГФУ по регионам, совершенствовании технологий, связанных с альтернативными хладагентами, и изменениях в области нормотворчества, в частности, введении ограничений для пер- и полифторалкильных соединений (ПФАС).
Обзор материального баланса ГФУ по регионам
Материальный баланс ГФУ в CO2-эквиваленте для основных стран и регионов представлен на рис. 1, созданном Японским обществом инженеров по охлаждению и воздушному кондиционированию (JSRAE) на основании официальных данных. Верхняя часть каждой диаграммы на рис. 1 показывает цифры поступления хладагентов за год: восстановление, местное производство и импорт. Нижняя часть отражает годовые цифры расхода хладагентов: восстановление, уничтожение, экспорт и хранение/выпуск в атмосферу. Несмотря на значительные общемировые усилия, прогресс в деле достижения целевых показателей сокращения потребления (обозначенных красными прямоугольниками) остается несущественным даже в развитых странах.
Необходимы более строгие меры, такие как ужесточение ограничений производства и потребления новых ГФУ. Низкие темпы извлечения, восстановления и уничтожения ГФУ остаются серьезной помехой. Рис. 1 подчеркивает необходимость создания системы управления процессами замкнутого цикла, которая включала бы в себя надежное извлечение, систематическое восстановление и плановое уничтожение. Разработанная модель должна быть применима во всем мире, в частности, в регионах с недостаточно развитой инфраструктурой для извлечения хладагентов.
Практические примеры действий на региональном уровне
Япония
Согласно сайтам японского Министерства экономики, торговли и промышленности и Национального института экологических исследований под эгидой Министерства окружающей среды, Япония планирует сократить потребление ГФУ до примерно 11 миллионов тонн CO2-эквивалента.
До сих пор стабильность прогресса в этом направлении достигалась за счет разработки оборудования, использующего хладагенты с более низким ПГП, но дальнейшее сокращение потребует применения более жестких мер. Структурность подхода к решению этой задачи обеспечивается установлением целевых значений ПГП для определенных категорий товаров, и сроков достижения этих значений.
В 2022 году, согласно упомянутым выше сайтам, показатель восстановления хладагентов, включая устаревшие хлорфторуглероды (ХФУ) и гидрохлорфторуглероды (ГХФУ), извлеченных из коммерческого холодильного и климатического оборудования, составил около 44%, продемонстрировав рост на 13% за 10 лет. Хотя этот показатель повышается благодаря более строгим нормативным правовым актам, таким, как «Закон о рациональном использовании и надлежащем обращении с фторуглеродами», и другим законам, выбросы ГФУ продолжают расти. В 2022 году общий объем выбросов хладагентов из коммерческих систем слегка сократился по сравнению с 2021 годом. За счет сокращения на 0,52 миллиона тонн общий объем выбросов составил примерно 30,54 миллиона тонн CO2-эквивалента. Однако, достижение более широких целей остается проблематичным.
Для внедрения экономики замкнутого цикла жизненно важно повторное использование ГФУ с низким ПГП, в частности, в автомобильных кондиционерах, коммерческих системах и секторе сервисного обслуживания оборудования. Замечательным примером является лидерство Японии в области организации эффективного извлечения и восстановления хладагентов в рамках законодательства о переработке бытовой техники и автомобилей путем использования «билетов на переработку» (покупая билеты, потребитель оплачивает переработку приобретённого оборудования), обязательной отчетности бизнеса о восстановлении и т. д.
Европа
С 2006 года, когда был принят Регламент ЕС по Ф-газам, Европа добилась заметного прогресса в сокращении выбросов ГФУ. Изменения регламента в 2015 году ввели такие меры, как ограничение общего количества, квоты и запрет определенных хладагентов с высоким ПГП, включая R23, ПГП которого равен 14 800. Новые изменения, вступившие в силу в марте 2024 года, включают дополнительный контроль за смесями ГФУ и ГФО, более строгие сертификационные требования к техникам и запрет использования ряда хладагентов с ПГП, превышающим 2 500, для технического обслуживания. Следует обратить внимание на то, что восстановленные хладагенты с массовой долей в смеси не менее 90% разрешается использовать для обслуживания оборудования до 2030 года. Поправки, обязывающие проходить сертификацию для работы с хладагентами, имеющими низкий ПГП, фактически, устанавливают новые профессиональные стандарты для всего Евросоюза.
Кроме того, недавно предложенный Европейским химическим агентством (ECHA) поэтапный вывод ПФАС, вероятно, затронет некоторые ГФО и смеси ГФУ/ГФО. Ожидается, что эти законодательные новшества значительно изменят ситуацию на рынке хладагентов.
США
Закон об американских инновациях и производстве (AIM) от 2020 года установил амбициозную цель – к 2036 году сократить производство и потребление ГФУ на 85% по сравнению со среднегодовым уровнем 2011-2013 годов. Установлены крайние сроки для отдельных областей применения, подразумевающие, например, что ПГП хладагентов, используемых в бытовых кондиционерах и тепловых насосах оконного и переносного типов, с 2025 года не может быть больше 700, а в холодильных системах супермаркетов – не больше 150 с 2027 года.
Кроме того, Агентство по охране окружающей среды США (EPA) обязывает извлекать хладагенты при утилизации оборудования и предлагает использовать восстановленные хладагенты с массовой долей в смеси 85% и более для обслуживания существующих систем. Эти меры призваны значительно сократить выбросы в атмосферу. За последние годы количество извлекаемых ГФУ заметно выросло, составив 6 825 тонн в 2023 году, что в три раза больше, чем в 2017 году, в то же время количество извлеченного ГХФУ R-22 составило 2 198 тонн и продолжает снижаться с каждым годом. Широкое использование восстановленных хладагентов становится общепринятой практикой.
Разработка новых хладагентов
Критически важными направлениями в разработке новых хладагентов стали: снижение значений потенциала глобального потепления (ПГП), повышение безопасности и обеспечение совместимости с существующими системами.
Новейшие достижения в области хладагентов направлены на сочетание производительности, безопасности и воздействия на окружающую среду.
Холодильные системы супермаркетов
В централизованных холодильных системах растет использование таких хладагентов, как R448A (ПГП = 1 387), R449A (ПГП = 1 397), R463A (ПГП = 1 494) и CO2 (ПГП = 1). Для повышения энергоэффективности применяются двухступенчатое сжатие и каскадные схемы с контуром CO2.
Широкому внедрению систем на CO2 в европейских супермаркетах способствуют высокая энергоэффективность и поддержка на уровне законодательства. Кроме того, в качестве современных альтернатив внедряются новые смеси ГФО, такие как R455А – умеренно горючий и малотоксичный (A2L) хладагент с ПГП, равным 146, и R471A c ПГП, равным 144.
Промышленные системы
Промышленные системы, использующие аммиак – умеренно горючий и токсичный (B2L) хладагент с нулевым ПГП, а также аммиак в сочетании CO2, приобретают все большую популярность на предприятиях пищевой и химической промышленности, при этом меры по повышению безопасности учитывают традиционные опасения, связанные с токсичностью аммиака.
Чиллеры
В сегменте чиллеров традиционные хладагенты, такие как R134a c ПГП, равным 1 430, заменяются ГФО с низким ПГП, такими как R1233zd(E) с ПГП, равным 1, и R1234(E), A2L-хладагентом с ПГП, равным 7, обеспечивающими повышение энергоэффективности и соответствие экологическим нормам.
Малые и транспортные системы отопления и охлаждения
В сегменте бытового кондиционирования воздуха ускоряется переход на умеренно горючие хладагенты, такие как R32 c ПГП, равным 675, хотя озабоченность величиной ПГП и уровнем безопасности сохраняется. Для переносных и малых систем, включая тепловые насосы для нагрева воды, привлекательным является горючий природный хладагент пропан (R290) c ПГП, равным 3, хотя его применение требует более строгих мер безопасности.
В автомобильных кондиционерах воздуха все чаще используется A2L-хладагент R1234yf с ПГП, равным 4. Для применения в автобусах и поездах рассматриваются такие альтернативы, как R513A (ПГП=630) и CO2. Для некоторых видов применения признан пригодным хладагент R290. Инновационные хладагенты, такие как R474A, предназначенный специально для электрического транспорта, и R474A, оба с классом опасности A2L и ПГП, равным 3, разрабатываются для удовлетворения особых потребностей данного сектора в обогреве и охлаждении.
R452A с ПГП, равным 1 945, используется для рефрижераторного транспорта и контейнеров. В Японии R455A готовится к применению в холодильных системах рыболовных судов.
Изменения цен и влияние рынка
Рассмотрим колебания цен на ключевые хладагенты, например, изменения цен в Румынии, показанные на рис. 2. Цены на хладагенты с высоким ПГП, такие как R404A (ПГП=3 920) и R410A (ПГП=2 090), демонстрируют возобновление роста из-за регуляторного давления. Высокие цены на ГФО-хладагенты отражают растущую потребность в устойчивых альтернативах.
Рост цен на хладагенты оказывает непропорционально большое влияние на малые предприятия, способствуя принятию стратегий по переходу на альтернативные хладагенты. В Японии стабильность рынка связана с эффективным восстановлением хладагентов в соответствии с законами о переработке. Это контрастирует с большой волатильностью цен, наблюдаемой в Европе и США.
Восстановленные хладагенты стали жизненно важной частью рынка, особенно для сегмента сервисного обслуживания. Например, в Европе цены на альтернативы R22, такие как R417A (ПГП=2 350) и R422D (ПГП=2 730), растут из-за высокого спроса на заменители R22, подчеркивая важность эффективной системы восстановления. Аналогично, в США восстановленный R22 становится дороже, сейчас цена на него в четверо выше, чем на R410A, и вдвое выше, чем на R422D.
Опасения относительно ПФАС
Меняющийся ценовой ландшафт подчеркивает важность мер регулирования и учета рыночной динамики для внедрения хладагентов. Еще один ключевой фактор, определяющий очертания будущего отрасли, – растущее внимание к пер- и полифторалкильным соединениям (ПФАС), которые становятся предметом все более строгого регулирования.
Комитеты по оценке рисков (RAC) и социо-экономическому анализу (SEAC) Европейского химического агентства (ECHA) изучают предложения по выводу ПФАС. Пристальное внимание к ПФАС, к которым относятся некоторые ГФО и смеси ГФО/ГФУ, объясняется их высокой устойчивостью и потенциальной угрозой здоровью. Как ожидается, соответствующие меры регулирования будут приняты во всем мире, что окажет влияние на будущее производства хладагентов. ECHA и пять европейских стран выпустили отчет о прогрессе запрещения ПФАС в ноябре 2024 года.
Производители активизируют исследования, направленные на поиск альтернатив, удовлетворяющих требованиям будущих регламентов по ПФАС. Сотрудничество Евросоюза с лидерами индустрии, как ожидается, ускорит разработку хладагентов, не содержащих ПФАС.
Заключение
Мировая отрасль кондиционирования воздуха и охлаждения переживает переломный момент, столкнувшись с вызовами, связанными с требованиями по сокращению парниковых выбросов при необходимости обеспечивать безопасность и эффективность. Достижение амбициозных целей, установленных международными соглашениями и регламентами, требует, чтобы для отрасли стали приоритетными следующие задачи:
- Разработка и внедрение хладагентов с низким ПГП
- Внедрение эффективной системы сбора и восстановления хладагентов
- Создание механизма управления замкнутым циклом обращения хладагентов
Инновационные технологии, такие как автоматическое обнаружение утечек с использованием Интернета вещей (IoT) и искусственного интеллекта (ИИ), а также хладагенты нового поколения, включая природные вещества и ГФО, предлагают перспективные решения. Совместные усилия промышленности, правительств, исследовательских организаций, а также межгосударственные инициативы жизненно важны в условиях текущего переходного периода. Благодаря твердой приверженности общему делу, демонстрируемой как развитыми, так и развивающимися странами, отрасль достигает двойной цели, обеспечивая экологическую устойчивость и технологический прогресс.
Для решения проблемы глобального потепления многие страны мира намерены достичь углеродной нейтральности к 2050 году. В сегменте хладагентов это означает переход на природные хладагенты и ГФО. Природные хладагенты подходят не для всех областей применения из-за проблем с безопасностью и эффективностью оборудования.
Для областей, где применение природных хладагентов невозможно или нежелательно, разрабатываются ГФО-хладагенты, такие как R1234yf, R1234ze(E), R1233zd(E), R1336mzz(E) с ПГП, равным 18, R1336mzz(Z) с ПГП, равным 2, и A2L-хладагент R1132(E) с ПГП меньше 1.
Однако в некоторых областях необходимая эффективность может быть достигнута при помощи не однокомпонентных, а смесевых хладагентов, тем более, что некоторые чистые ГФО могут быть нестабильны, токсичны или горючи. В этих случаях можно использовать, например, хладагенты R474A and R474B – A2L-смеси R1132(E) и R1234yf.
Как и в случае традиционных хладагентов, для уменьшения воздействия ПФАС на окружающую среду необходимо максимально сократить выбросы ГФО-хладагентов в атмосферу и принять меры по сокращению утечек хладагента в процессе эксплуатации оборудования, и полному извлечению хладагента при выводе оборудования из эксплуатации.
Поскольку время имеет решающее значение, глобальное объединение усилий критически важно для свершения этих преобразований.
По материалам статьи проф. Нобору Кагавы из Университета Васэда для JARN
