Применение пропана в качестве хладагента: экономические и экологические преимущества

Экологическая безопасность и производительность являются важными факторами при использовании энергетических ресурсов. Гидрохлорфторуглероды (HydroChloroFluoroCarbons – HCFC (R123)) и хлорфторуглероды (ChloroFluoroCarbons – CFC (R22)) считаются эффективными хладагентами в работе с холодильными установками и системами кондиционирования. Однако их применение способствует разрушению озонового слоя и усилению парникового эффекта [1]. Это стимулирует поиск альтернативного и экологичного хладагента с высокой энергоэффективностью.

Применение пропана (R290) представляет собой одно из потенциальных решений этой проблемы. Это природный газ, который является возобновляемым источником энергии, имеет хорошие термодинамические свойства и не истончает озоновый слой.

Целью данного исследования является анализ возможностей применения R290 в качестве хладагента с точки зрения экологических и экономических преимуществ, выявление потенциальных рисков и ограничений в его использовании. Статья представляет опыт разных стран по стимулированию перехода промышленности на использование R290 в холодильных установках.

Исторический обзор. В 1987 году, в ответ на увеличение озоновых дыр в атмо- сфере, вызванное выбросами HCFC и CFC, 190 стран подписали Монреальский протокол, который регулирует производство и использование химических веществ, разрушающих озоновый слой. Согласно заключению этого международного соглашения, озоноразрушающими веществами (ОВР) были признаны группы химических соединений, содержащие атомы хлора и брома. R123 и R22 были определены как хладагенты с содержанием ОВР в своем составе [2].

Страны Европейского союза ввели строгие ограничения по фторсодержащим газам и применению HCFC и CFC в холодильных установках. До 2030 года введен запрет на использование R123 и R22 в холодильных установках, морозильных камерах и системах охлаждения в автомобилях. Запрещено производить бытовые холодильники и морозильники с потенциалом глобального потепления (Global Warming Potential – GWP) выше 150.

За счет этого к 2030 году прогнозируется сокращение оборота HCFC на 79% в эквиваленте СО 2 по сравнению со средним уровнем 2009-2012 гг. В герметичных холодильниках (используются в лабораториях, медицинских учреждениях и на производстве для материалов, которые требуют строго контролируемых условий хранения) и морозильниках для коммерческого использования с 2020 года запрещено использование веществ с GWP от 2500.

Пропан является углеводородом и обладает рядом важных характеристик, которые делают его эффективной альтернативой HCFC – и CFC – хладагентам. Химический состав R290 не содержит ОВР, что делает его экологически безопасным аналогом для работы с холодильными установками. Главным экологическим преимуществом пропана является его низкий GWP (рисунок). В то время как многие традиционные HCFC – и CFC – хладагенты имеют GWP до 11 000 единиц, GWP пропана составляет 3 единицы.

Рис. График сравнительных значений GPW традиционных хладагентов и R290

Экономические преимущества пропана, в качестве хладагента, заключаются в снижении операционных расходов и увеличении эффективности системы. Применение R290 в холодильных установках может привести к значительной экономии затрат, благодаря следующим факторам:

Высокий коэффициент производительности (Coefficient of Performance – COP) . Исследования индийской компании Godrej group в 2017 году показали, что термодинамические свойства R290 увеличивают COP системы на 14% и снижают энергопотребление на 17,8%. Эти показатели позволяют уменьшить количество хладагента для заправки холодильной установки на 50%. Расход хладагента на холодильный контур становится 575 гр. [3].

Низкая стоимость. Цена пропана обычно ниже, чем многих современных HCFC – и CFC – хладагентов. Это связано с тем, что R290 является более доступным и менее подверженным регулятивным ограничениям, которые накладываются на R123 и R22 в связи с их воздействием на окружающую среду.

Антикоррозийные свойства. Использование пропана может повысить надежность и срок службы холодильных систем, так как он обладает низкой химической активностью и не вступает в реакцию с большинством материалов, с которыми контактирует [4, 5]. Это делает его менее коррозийно-активным по сравнению с другими веществами, что потенциально снижает затраты на техническое обслуживание и ремонт.

Обзор глобального рынка. Производитель холодильных витрин JBG-2 (Польша) в 2022 году публикует данные, в которых отмечает значительный рост рынка оборудования на хладагенте R290 за последние несколько лет. В 2019 году доля пропановых холодильных шкафов, проданных компанией, составляла всего 43% от холодильного оборудования в JBG-2, а в 2022 году уже 52% [6].

В 2023 году на международной конференции ATMOsphere были представлены данные рыночного исследования, по количеству установленных в магазинах США и Европы холодильных шкафов, использующих пропан в качестве хладагента. По данным ATMOsphere в декабре 2022 года в США насчитывалось 919 000 единиц такого оборудования, а в магазинах Европы количество соответствующих холодильных установок исследование оценило в 2,9 млн единиц.

Перспективы использования пропана особенно актуальны для секторов, где требуется высокая эффективность охлаждения при минимальном экологическом воздействии: пищевая промышленность, тор- говля, общественное питание. В этих отраслях пропан может стать заменой традиционным хладагентам, снижая операционные расходы и углеродный след [7].

Однако, несмотря на множество преимуществ, важно учитывать и риски, связанные с использованием R290. В промышленности, где существуют повышенные требования к безопасности, например в химической или нефтегазовой отраслях, использование пропана может быть ограничено из-за его воспламеняемости. Во многих странах уже разработаны стандарты и руководства по безопасному использованию пропана в холодильных установках.

Стоит отметить, что некоторые страны внедряют масштабные проекты по реализации экологических норм и стандартов, через популяризацию использования экологически чистых технологий. Такие программы могут сопровождаться государственными стимулами, субсидиями или налоговыми льготами для населения и предприятий, которые используют энергоэффективные холодильные системы на пропане (таблица).

Таблица. Опыт разных стран по стимулированию предприятий для перехода на эколо- гичные хладагенты [8]

Изучение опыта различных стран в стимулировании предприятий к переходу на экологически чистые хладагенты показывает значительное влияние государ- ственных стимулов и субсидий на внедрение пропановых холодильных установок. Реализуемые программы способствовали увеличению использования экологически безопасных технологий и снижению углеродных выбросов. Эти примеры подчеркивают, что активная государственная поддержка и финансовые стимулы могут быть ключевыми факторами в продвижении экологически устойчивых практик в про- мышленности.

Вывод

Внедрение пропана в качестве хладагента представляет собой значимый шаг в направлении экологической устойчивости и энергоэффективности в холодильной индустрии. R290, благодаря своим низким показателям GWP и отсутствию вредного влияния на озоновый слой, выступает как экологически ответственная альтернатива традиционным хладагентам. Данное ис- следование демонстрирует, что его использование способствует снижению выбросов парниковых газов и укреплению экологической безопасности.