Основные проблемы при переходе на альтернативные хладагенты

В последнее время вопрос выбора хладагента стал особенно актуален. Законодательные изменения в европейских странах требуют использования новых составов, что вызывает необходимость обновления оборудования и внедрения современных технологий. В то же время в России практически отсутствует производство важных компонентов холодильной техники, таких как компрессоры и элементы автоматики. Это создаёт косвенную зависимость от нормативных требований, принятых в Европе.

Актуальной тенденцией стало применение хладагентов с низким потенциалом глобального потепления. Директива ЕС 517/2014 устанавливает порядок перехода на более экологичные альтернативы. Хотя данная тема уже широко рассматривалась в различных публикациях, на сегодняшний день вопрос замены хладагентов стоит особенно остро.

В 2020 году Россия утвердила поправку к Монреальскому протоколу, согласно которой потребление гидрофторуглеродов (таких как R134a, R404a, R407a, R410a и других) должно быть снижено: на 5 % с 2020 года, на 35 % с 2025 года и на 85 % с 2036 года с учётом их потенциала глобального потепления (ПГП).

Так как производство хладагентов в Российской Федерации практически отсутствует, зависимость от импорта остаётся крайне высокой. В апреле 2021 года был введён контроль за оборотом гидрофторуглеродов — теперь обязательно необходимо получать специальные лицензи для ввоза этих веществ на территорию страны.

Это привело к росту цен и возникновению дефицита на рынке ГФУ уже весной 2021 года.

21 сентября 2021 года в ходе межведомственного совещания в Минприроды России при участии Минпромторга, Федеральной таможенной службы и Росприроднадзора было подтверждено, что установленный лимит на импорт гидрофторуглеродов в Россию был исчерпан. Ожидается, что это обстоятельство станет причиной дальнейшего роста цен на данные хладагенты.

Рассмотрим технические аспекты возникшей ситуации.

Альтернативные хладагенты

Подобно переходу от озоноразрушающих веществ в прошлом, в настоящее время возникает необходимость отказаться от традиционных ГФУ в пользу альтернативных хладагентов, использование которых возможно в обозримой перспективе.

Для решения данной задачи можно выделить две основные группы хладагентов:

1. Природные. К этой категории относятся аммиак (R717), углекислый газ (R744), пропан (R290), изобутан (R600а), пропилен (R1270). Эти вещества практически не оказывают негативного воздействия на климат, однако, несмотря на их эффективность, имеют определённые недостатки, ограничивающие применение.

2. Синтетические. Речь идёт о веществах с пониженным потенциалом глобального потепления: гидрофторуглеродах с низким ПГП, гидрофторолефинах и смесях на их основе. В эту группу входят R32, R1234yf, R1234ze, R1233zd, R454B, R513A, R455A, R448A, R449A, R452B и другие.

В Европейском союзе с 2020 года запрещено использование в новых установках хладагентов с ПГП 2500 и выше, включая широко применяемые R404A и R507. Их эксплуатация в уже существующих системах допускается, но сопровождается жёстким контролем утечек.

С 2022 года в ЕС вступил в силу следующий этап ограничений: запрет на использование хладагентов с ПГП 1500 и выше, таких как R410A и некоторые предложенные заменители. Россия, следуя курсу на гармонизацию технических стандартов с европейскими нормами, также может внедрить аналогичные меры в сфере холодильной и климатической техники.

График сокращения потребления гидрофторуглеродов (ГФУ)

Согласно Монреальскому протоколу, сокращение потребления ГФУ осуществляется поэтапно для четырёх групп стран.

• Группа I — страны, не подпадающие под действие Статьи 5 Монреальского протокола (исключая группу II).
• Группа II — Беларусь, Россия, Казахстан, Таджикистан, Узбекистан.
• Группа III — страны, подпадающие под действие Статьи 5, за исключением стран группы IV.
• Группа IV — Индия, Пакистан, Иран, Ирак, Бахрейн, Кувейт, Оман, Катар, Саудовская Аравия, ОАЭ.

Этапы сокращения потребления

• Этап "Заморозка"
  • Группа III — 2024 год (на уровне 100 % от базового).
  • Группа IV — 2028 год (на уровне 100 % от базового).
• 1-й этап
  • Группа I — 2019 год: сокращение до 90 %.
  • Группа II — 2020 год: сокращение до 95 %.
  • Группа III — 2029 год: сокращение до 90 %.
  • Группа IV — 2032 год: сокращение до 90 %.
• 2-й этап
  • Группа I — 2024 год: сокращение до 60 %.
  • Группа II — 2025 год: сокращение до 65 %.
  • Группа III — 2035 год: сокращение до 70 %.
  • Группа IV — 2037 год: сокращение до 80 %.
• 3-й этап
  • Группа I — 2029 год: сокращение до 30 %.
  • Группа II — 2029 год: сокращение до 30 %.
  • Группа III — 2040 год: сокращение до 50 %.
  • Группа IV — 2042 год: сокращение до 70 %.
• 4-й этап
  • Группа I — 2034 год: сокращение до 20 %.
  • Группа II — 2034 год: сокращение до 20 %.
• 5-й этап
  • Группа I — 2036 год: сокращение до 15 %.
  • Группа II — 2036 год: сокращение до 15 %.
  • Группа III — 2045 год: сокращение до 20 %.
  • Группа IV — 2047 год: сокращение до 15 %.

Базовые уровни потребления

• Группа I — средний объём потребления ГФУ за 2011–2013 годы + 15 % от базового объёма потребления ГХФУ.
• Группа II — средний объём потребления ГФУ за 2011–2013 годы + 25 % от базового объёма потребления ГХФУ.
• Группа III — средний объём потребления ГФУ за 2020–2022 годы + 65 % от базового объёма потребления ГХФУ.
• Группа IV — средний объём потребления ГФУ за 2024–2026 годы + 65 % от базового объёма потребления ГХФУ.

Для Российской Федерации установлен базовый уровень потребления ГФУ — 48 729 257 тонн CO₂-эквивалента.

Рассмотрим особенности использования природных хладагентов.

Аммиак (R717). Является одним из самых старых хладагентов и отличается высокой эффективностью. Однако он токсичен и при определённой концентрации способен образовывать взрывоопасные и пожароопасные смеси. Кроме того, аммиак агрессивен к ряду материалов. Все холодильные установки, работающие на нем, подлежат обязательному контролю со стороны государственных органов. В России существует система подготовки специалистов для работы с этим хладагентом, а также нормативная база, проверенная практикой.

Диоксид углерода (CO₂, R744). Как и аммиак, является одним из первых хладагентов, применявшихся ещё до массового распространения синтетических веществ. К его недостаткам относятся высокое рабочее давление и негативное воздействие на организм человека. В отличие от аммиака, утечка CO₂ не имеет запаха и не может быть обнаружена без специальных средств автоматизации. Работа с этим хладагентом требует подготовки персонала в области промышленной безопасности.

Пропан (R290). По своим свойствам и эффективности близок к хладагенту R22. Является горючим веществом, в связи с чем существуют ограничения по максимальному объёму заправки в систему.

Изобутан (R600a). Используется в основном в герметичных системах с малым объёмом заправки, поэтому его горючесть не представляет существенной угрозы.

Пропилен (R1270). По характеристикам близок к пропану, включая как положительные, так и отрицательные свойства.

Также стоит упомянуть диметиловый эфир и смеси на его основе, исследования по которым активно велись в России, особенно в контексте их применения в транспортных холодильных установках.

Синтетические хладагенты обладают как достоинствами, так и недостатками.

Одним из наиболее перспективных гидрофторуглеродов является R32. Как и большинство чистых гидрофторолефинов, он характеризуется низкой токсичностью и трудной воспламеняемостью.

Синтетические хладагенты лишены запаха и имеют большую плотность, чем воздух, из-за чего утечки не фиксируются органами чувств. При их вдыхании возможно вытеснение кислорода, что может вызвать удушье.

Новые смесевые хладагенты обычно содержат в своём составе гидрофторолефины, что обеспечивает пониженный потенциал глобального потепления. Некоторые из них близки по характеристикам к таким широко используемым хладагентам, как R404A и R507A.

При выборе альтернативного хладагента необходимо разграничить два основных направления:

1. Замена вещества в уже существующем оборудовании.
2. Разработка нового оборудования, изначально рассчитанного на использование новых хладагентов.

В первом случае особое внимание следует уделять:

• сохранению или приближению холодопроизводительности установки, что зависит от таких параметров, как скрытая теплота парообразования, объемная производительность, теплота конденсации и другие;
• совместимости нового хладагента с используемыми материалами;
• требованиям безопасности, обеспечивающим возможность эксплуатации оборудования без серьёзных изменений.

При выборе хладагента для нового оборудования необходимо учитывать срок его эксплуатации и жизненный цикл. Например, использование R448A, R449A, R452A и подобных веществ нецелесообразно в долгосрочной перспективе, так как они, вероятно, будут постепенно выведены из оборота из-за сравнительно высокого потенциала глобального потепления (ПГП).

Какие хладагенты могут рассматриваться в качестве альтернатив?

Важно понимать, что большинство предлагаемых альтернатив либо сопровождаются требованиями к повышенному уровню безопасности (воспламеняемости, высокому давлению, токсичности), либо создают эксплуатационные сложности.

Особое внимание стоит уделить смесевым хладагентам. Так, использование азеотропов, например R513A, вызывает меньше проблем. А применение зеотропов, таких как R450A, может вызывать сложности как в эксплуатации, так и при проектировании систем — в частности, в затопленных схемах, двухступенчатых циклах и при температурных режимах, близких к пороговым значениям кипения.

Использование природных хладагентов, таких как аммиак, CO₂, пропан, требует пересмотра проектных решений как в части обеспечения безопасности, так и в плане повышения эффективности.

Например, при применении базового транскритического цикла с CO₂ (R744) в рамках привычных расчетных параметров невозможно достичь эффективности, сопоставимой с той, что обеспечивают традиционные R404A и R507.

Для повышения эффективности при применении CO₂ необходимы дополнительные инженерные решения. Среди них — системы параллельного сжатия, эжекторы, рекуперационные контуры, алгоритмы плавающего давления конденсации и многое другое. Однако такие решения требуют более высокой квалификации специалистов и технического уровня проектирования.

Применение пропана в качестве хладагента в коммерческих холодильных установках ограничено допустимым объемом заправки. Такое требование вынуждает производителей разрабатывать системы с несколькими независимыми контурами. Это, в свою очередь, приводит к необходимости увеличения температурных напоров в теплообменных аппаратах, что снижает общую эффективность работы холодильной установки.

Для таких хладагентов, как аммиак (R717), углекислый газ (R744) и пропан (R290), необходимо строго соблюдать повышенные требования безопасности. Это требует дополнительного обучения обслуживающего персонала и прежде всего строгого следования установленным правилам эксплуатации.

На сегодняшний день единственным хладагентом в Российской Федерации, для которого разработаны и эффективно применяются правила безопасной эксплуатации, а также существует устоявшаяся система подготовки специалистов, является аммиак. «Правила устройства и безопасной эксплуатации аммиачных холодильных установок» основаны на многолетнем опыте разработки и применения этого вещества в странах бывшего СССР. Специалисты, занимающиеся проектированием, монтажом и эксплуатацией аммиачных установок, обязаны проходить аттестацию и регулярные проверки знаний указанных правил, а также других нормативных актов, касающихся промышленной безопасности, сосудов, работающих под давлением, технологических трубопроводов и других элементов холодильного оборудования.

Основными ограничениями при использовании непредельных углеводородов, гидрофторолефинов и смесей на их основе являются высокая стоимость и частичная горючесть, несмотря на более низкое по сравнению с гидрофторуглеродами воздействие на окружающую среду.

В заключение стоит отметить, что целесообразно обратить внимание на более активное применение природных хладагентов и смесей на их основе. Вероятность запрета на использование таких веществ крайне низка. При этом они обладают меньшей стоимостью и обеспечивают высокую эффективность при правильном проектировании оборудования. Важным преимуществом является и то, что подобные вещества производятся в России. Это позволяет значительно снизить зависимость от импортных поставок.

К факторам, затрудняющим применение природных хладагентов, относятся вопросы обеспечения безопасности и необходимость внедрения новых проектных решений. Однако эти сложности могут способствовать развитию холодильной отрасли в техническом плане.