7.3 Холодильні агенти і охорона навколишнього середовища

Енергетика й виробництво холоду нерозривно пов’язані між собою. Штучне охолодження може відбуватися тільки з витратою енергії, найчастіше електричної. Споживана потужність сучасних холодильних машин коливається від декількох десятків ватів до тисяч кіловатів, залежно від холодопродуктивності машин. Так, годинна холодопродуктивність великих холодильних установок становить від сотень тисяч до кількох мільйонів кілоджоулів. Ці установки забезпечують якісне зберігання в холодильних камерах величезної кількості харчових продуктів. Відповідно й витрати електроенергії значні. Щоб зменшити споживання електроенергії в минулому сторіччі людство прагнуло створювати більш досконале холодильне обладнання, що відрізнялося більш високою енергетичною ефективністю, при цьому не замислюючись про екологічні аспекти експлуатації холодильної техніки. У результаті, з 30-х років XX століття й дотепер, у побутових та промислових холодильних установках, а також, кондиціюванні повітря, знайшли широке застосування фреонові парокомпресійні холодильні машини. Ця обставина обумовлена рядом позитивних властивостей цих машинам, і насамперед, відносно високою ефективністю, простотою елементної бази й т. і .

Однак, емісія фреонів, які застосовувалися у цих машинах в якості робочого тіла, на рубежі XXI століття привела до загострення глобальних проблем, що вимагають термінового вирішення: зменшення озонового шару Землі й посилення “парникового ефекту” і т. і. У ре- зультаті, в 1980-х – 1990-х роках, міжнародним співтовариством було прийнято кілька міжнародних законопроектів, які значною мірою посилили вимоги до сучасних систем, що генерують холод, та були спрямовані на стабілізацію й поліпшення екологічної ситуації у зв’язку з небезпекою руйнування озонового шару та глобальним потеплінням.

Так, у 1987 році всіма країнами, що виробляють фреони, був підписаний Монреальский протокол по озоноруйнуючим речовинам, відповідно до якого, ряд широко використовуваних фреонів (наприклад, R12, RІЗ, R502 і т.д.), що належать до класу хлорфторвуглеродів, повинні бути виключені з прак тичної діяльності. Спочатку, для заміни в холодильній техніці зазначених холодоагентів, основний акцент був зроблений на розробку й застосування нових альтернативних робочих речовин. Однак, проблема виявилася значно складнішою, ніж вона була на час введення обмеження на виробництво й застосування хлорфтор- вуглеродів з метою збереження озонового шару Землі. Виявилося, що значна частина створених за останнє десятиліття альтернаттивних холодоагентів, рішенням Кіотського протоколу (Японія, 1997), поряд із С0₂, що є основним винуватцем глобального потепління, були віднесені до категорії парникових газів. Так, внесок у парниковий ефект 1 кг холодоагенту R134а еквівалентний викиду в атмосферу 1300 кг СО₂ .

Для порівняння впливу різних холодоагентів на парниковий ефект уведений такий показник, як коефіцієнт глобального підігріву атмосфери за 100-літній період GWP (Global Warning Potential), а з погляду руйнування озонового шару – коефіцієнт можливості виснаження шару озону ODP (Ozone Depletion Potential). Значення цих коефіцієнтів для R11 прийняті за 1.

Крім прямої емісії (витоку) холодоагентів з холодильних установок, варто мати на увазі також і кількість СО₂, що виділяється при виробництві енергії для приводу холодильного устаткування. Це привело до необхідності введення у холодильну справу поняття повного еквівалента глобального потепління ТЕWІ (Total Equivalent Warning Impact), який комплексно враховує енергетичні й екологічні фактори використання холодильної техніки і розраховується по формулі: TEWI = =GWP×M + ×B, де М – повна маса холодоагенту викинутого із установки в атмосферу, кг, - частка СО₂, яка викидається в атмосферу при виробництві 1 кВт-рік єлектроенергії, В – сумарна кількість електроенергії, яку використовує установка за весь період її роботи, кВт-рік. У зв’язку із цим, на сьогодні до перспективного холодильного устаткування ставлять дві основні вимоги: висока енергетична ефективність і екологічна чистота. Саме виходячи із цих вимог і буде йти розвиток холодильної промисловості в XXI столітті.

Оскільки ми, як холодильщики, являємо найбільшу загрозу озоновому шару, то поговоримо про нього докладніше.

Парниковий ефект виникає внаслідок того, що деякі гази земної атмосфери затримують інфрачервоне випромінювання, що випускає земна поверхня. Явище парникового ефекту дозволяє підтримувати на поверхні Землі температуру, при якій можливе зародження й розвиток життя. Якби парниковий ефект був відсутній, середня температура поверхні земної кулі була б приблизно на 20 К нижче, ніж вона є [31,32].

Утримання інфрачервоного випромінювання в природі відбувається завдяки водяній парі, яка міститься в повітрі й у хмарах. Однак, не дають розсіюватися даному випромінюванню й інші гази, які є продуктами діяльності людства, зокрема, діоксид вуглецю й холодоагенти категорії ХФВ. У зв’язку з тим, що наявність в атмосфері діоксида вуглецю й ХФВ (у тому числі) збільшує ефективність утримання земного інфрачервоного випромінювання в порівнянні із природною ефективністю, середня температура поверхні Землі підвищується більше, ніж потрібно, зумовлюючи штучний парниковий ефект, що додається до природного.

Хоча концентрація всіх разом узятих ХФВ в атмосфері набагато нижче, ніж концентрація діоксиду вуглецю, їхня ефектив- ність по утриманню інфрачервоного випромінювання в багато тисяч раз вище ефективності діоксиду вуглецю, зокрема, внаслідок їх дуже тривалого періоду життя (60 років для R11, 120 років для R12 і 250 років для R115, що входить до складу R502).

Руйнування стратосферного озону являє собою зовсім інше явище, оскільки воно пов’язане з ультрафіолетовим випромінюванням Сонця. Найбільш віддалений від Землі шар атмосфери - стратосфера, що являє собою кульовий шар товщиною приблизно 35 км, починається на висоті 15 км і закінчується на висоті приблизно 50 км від поверхні Землі. У цьому шарі перебуває озон, що поглинає 99 % ультрафіолетового випромінювання Сонця, що падає на Землю, виконуючи роль захисного екрана для земного життя.

Уперше механізм виснаження захисного шару Землі був описний у 1974 р. американськими вченими Каліфорнійського університету (США) Маріо Моліна й Шепвуд Роуленд. Вони показали, що молекула оксиду хлору й атом хлору — найсильніші каталізатори, що сприяють руйнуванню озону. Шлях молекул хлору в стратосферу триває один-два роки. Досягають стратосфери тільки хімічно стабільні молекули, які не руйнуються під дією сонячних променів, хімічних реакцій і не розчиняються у воді. Саме такими якостями володіють молекули ХФВ. Час їхнього життя - більше ста років. Молекули ХФВ важчі за повітря, і їх вміст у стратосфері вкрай низький: три-п’ять молекул ХФВ на десять мільярдів молекул повітря. Під дією ультрафіолетового випромінювання від молекул ХФВ відривається атом хлору, а радикал, що залишився, легко окислюється, створюючи молекулу оксиду хлору й новий радикал. Атом хлору й молекула оксиду хлору активно включаються в каталітичний цикл руйнування озону. Одна молекула хлору, що досягає атмосфери, здатна зруйнувати (10... 100) тис. молекул озону. До середини 70-х років виробництво фреонів досягло значних обсягів. Зокрема, до 1976 р. обсяг виробництва R12 досяг майже 340 тис. т, з яких близько 27 тис. т призначалися для холодильних систем.

Рішення Монреальского протоколу докорінно змінили підхід до традиційних озоноруйнуючих холодоагентів, і починаючи з 90-х років на одне з перших місць вийшло питання про небезпеку зміни клімату й збереження емісії парникових газів, викликаної застосуванням таких холодоагентів.