Fluorowane gazy cieplarniane - rodzaje i ich wpływ na środowisko

Gazy cieplarniane określane również gazami szklarniowymi (ang. greenhouse gases) to wszystkie gazy przyczyniające się do występowania efektu cieplarnianego. Gazy szklarniowe mają właściwości pochłaniania energii cieplnej (promieniowania podczerwonego) pochodzącej ze słońca i docierającej  wraz z ciepłem słonecznym przez atmosferę. Dlatego im więcej gazów cieplarnianych, które są absorbentem promieniowania podczerwonego (IR),  tym więcej ciepła jest w nich pochłanianego i  zatrzymywanego przed powrotem w kosmos. W celu podtrzymywania cyklu, zabsorbowane ciepło jest uwalniane i emitowane we wszystkich kierunkach w obrębie kuli ziemskiej, doprowadzając do nadmiernego nagrzewania się Ziemi. Ten właśnie niepożądany wzrost ciepła nazywa się efektem cieplarnianym. Powstało wiele prac naukowych i opracowań opisujących wpływ efektu cieplarnianego na globalne ocieplenie. Dlatego rządy większości państw podjęły współpracę na rzecz opracowania działań zmierzających do redukcji emisji gazów cieplarnianych. Pod pojęciem globalnego ocieplenia rozumie się zachodzące zmiany klimatyczne będące następstwem wzrostu średniej temperatury Ziemi.  Szacuje się, że gazy cieplarniane zarówno naturalnie występujące w przyrodzie, jak i również będące wytworem pracy człowieka (fluorowane gazy cieplarniane) podnoszą średnią temperaturę powierzchni ziemi nawet o około trzydzieści stopni Celsjusza.

Do najpopularniejszych gazów cieplarnianych zaliczamy:

• dwutlenek węgla (CO2),
• metan (CH4),
• N2O (podtlenek azotu),
• gazy fluorowane.

Gazy fluorowane znane większości pewnie pod skróconą nazwą F-gazy (ang. F-gases, Fluorinated gases) to gazy będące wytworem pracy ludzkiej, wykorzystywane w produktach codziennego użytku (pianki, dezodoranty, środki owadobójcze), ale przede wszystkim mające zastosowanie przemysłowe, głównie w chłodnictwie.

Co zalicza się do F-gazów?

Do tej grupy gazów zaliczamy:

• Wodorofluorowęglowodory (HFC) – najbardziej rozpowszechniona grupa fluorowanych gazów cieplarnianych, wykorzystywane w wielu branżach, głównie jako czynniki chłodnicze w branży klimatyzacyjnej i pomp ciepła, ale również w branży pożarniczej jako czynnik spieniający do pianek, gaśnic, mający także zastosowanie w rozpuszczalnikach i aerozolach,
• Perfluorowęglowodory (PFC) – to również bardzo interesująca grupa f-gazów wykorzystywana przede wszystkim w branży elektronicznej, m.in. do czyszczenia plazmowego płytek krzemowych, ale również w przemyśle farmaceutycznym i kosmetycznym,
• Sześciofluorek siarki lub heksafluorek siarki (SF6) – ta grupa gazów fluorowanych gazów cieplarnianych ma właściwości izolacyjne, bardzo dobrze gaszą łuki elektryczne  i doskonale sprawdzają się w szczelnych rozdzielnicach wysokiego napięcia.

Wymienione powyżej trzy grupy fluorowanych gazów cieplarnianych legitymują się bardzo wysokim lub względnie wysokim współczynnikiem ocieplenia globalnego, wyrażanym wskaźnikiem GWP (ang. Global Warming Potential) służącym do określenia w jakim stopniu dana substancja (gaz) wpływu na wystąpienie efektu cieplarnianego. Wskaźnik GWP, porównuje ile ciepła absorbuje badany gaz w porównaniu do ilości jaką zatrzymałaby podobna masa dwutlenku węgla w zdefiniowanym przedziale czasowym. Do obliczania GWP przyjmuje się dla dwutlenku węgla CO2 wartość równą 1. Im wyższa wartość wskaźnika GWP tym bardziej niekorzystny wpływ na środowisko i wyższy potencjał do tworzenia globalnego ocieplenia.

Z uwagi na bardzo gwałtowny wzrost produkcji i zużycia fluorowanych gazów cieplarnianych wpływających na postępujące zmiany klimatyczne wprowadzono szereg ograniczeń na gruncie ustawodawstwa europejskiego, które zostały później przeniesione na grunt krajowy.

Najważniejszym europejskim aktem prawnym regulującym kwestię gazów cieplarnianych jest Rozporządzenie Parlamentu Europejskiego i Rady (UE) NR 517/2014 określające ramy czasowe, w których powinno nastąpić odejście od F-gazów charakteryzujących się wysokim współczynnikiem GWP. W Polsce kwestie dotyczące redukcji emisji fluorowanych gazów cieplarnianych reguluje Ustawa z dnia 15 maja 2015 r. o substancjach zubożających warstwę ozonową oraz o niektórych fluorowanych gazach cieplarnianych (Dz. U. z 2017 r. poz. 1951).

Drugim wskaźnikiem określającym wpływ danego czynnika chłodniczego na środowisko naturalne jest ODP (ang. Ozone Depletion Potential), czyli potencjał niszczenia warstwy ozonowej. Współczynnik ODP określa ilościową ocenę wpływu danego czynnika chłodniczego (substancji) na warstwę ozonową. Podobnie jak w przypadku wskaźnika GWP, tutaj również zastosowano odniesienie, tym razem do czynnika R11, dla którego ODP wynosi 1. Szczegółowe wartości współczynników ODP dla poszczególnych gazów zostały określone w Protokole Montrealskim wprowadzonym w 1987 roku z późniejszymi poprawkami i uzupełnieniami.

W kontekście szeroko pojętej tematyki pomp ciepła i klimatyzatorów warto skupić się i dokonać szerszej analizy pierwszej grupy fluorowanych gazów cieplarnianych, tj. wodorofluorowęglowodorów (HFC), które są wykorzystywane do produkcji czynników chłodniczych w odniesieniu do regulacji zawartych w rozporządzeniu Parlamentu Europejskiego i Rady UE nr 517/2014 i ustawie z 15.05.2015 r., która przenosi te wytyczne na nasz krajowy grunt.

Czym jest czynnik chłodniczy?

Czynnik chłodniczy można porównać do paliwa krążącego w układzie zasilania, bez niego pompa ciepła czy klimatyzator nie będzie mógł pracować. Czynnik chłodniczy to związek chemiczny lub mieszanina kilku związków, który krąży w układzie chłodzenia i ulega sprężaniu i rozprężaniu, by móc oddawać ciepło z otoczenia w przypadku pomp ciepła albo chłód w klimatyzatorach (schemat działania pompy ciepła omówiono szerzej w osobnym artykule).

Czynniki chłodnicze stosowane w pompach ciepła i klimatyzatorach można podzielić na:

• syntetyczne (fluorowane gazy cieplarniane, podlegające ustawie f-gazowej, np. R410a, R32): będą wytworem człowieka, które nie występują naturalnie w przyrodzie, zostały opracowane, aby ograniczyć potencjalną palność i wybuchowość, ale kosztem wpływu na środowisko naturalne
• naturalne (nie są fluorowanymi gazami cieplarnianymi, nie podlegają ustawie f-gazowej, np. propan R290): występujące naturalnie w przyrodzie, wyparte kilkadziesiąt lat temu przez czynniki syntetyczne (inne gazy naturalne to izobutan, butan, etan i etylen), ze względu na potencjalną wybuchowość i palność, w ostatnich latach obserwuje się wielki powrót do ich stosowania, z uwagi na szeroko pojętą ochronę środowiska naturalnego i kwestię przeciwdziałania globalnemu ociepleniu, nazywane są często czynnikami przyszłości.

Syntetyczny czynnik chłodniczy R410a

Czynnik chłodniczy R410a jest mieszaniną dwóch gazów R32 (difluorometan- CH2F2) i R125 (pentafluoroetan CF3CHF2) w równych proporcjach po 50%. Wykorzystywany jest powszechnie w urządzeniach chłodniczych i klimatyzatorach typu split oraz pompach ciepła. Największą zaletą czynnika R410a jest jego niepalność. Charakteryzują się dobrym termoprzewodnictwem. Największą jego wadą jest wysoka wartość współczynnika GWP (współczynnika ocieplenia globalnego) wynosząca 2088, która przesądziła, że stał się on czynnikiem chłodniczym mało przyjaznym dla środowiska. W rozporządzeniu UE 517/2014 dla układów klimatyzacyjnych, które zawierają fluorowane gazy cieplarniane o GWP równym 750 lub większym, a takim jest czynnik chłodniczy R410 wprowadzono od 1 stycznia 2025 roku całkowity zakaz wprowadzania do obrotu. ODP, czyli wpływ czynnika 410a na niszczenie warstwy ozonowej wynosi 0, jest więc czynnikiem bezpiecznym, nie tworzącym dziury ozonowej.

Syntetyczny czynnik chłodniczy R32

Czynnik chłodniczy R32 (difluorometan CH2F2) jest jednorodnym czynnikiem chłodniczym HFC. Z sukcesem zastępuje czynnik R410a, którego był składnikiem. Charakteryzuje się niskim stopniem palności, gorszą niż R410a, który był niepalny. Jego przewagą jest relatywnie niski współczynnik GWP (wpływ na globalne ocieplenie) wynoszący 675. Dzięki niskiemu wskaźnikowi GWP wpływ czynnika R32 na globalne ocieplenie jest o około 32% niższe od czynnika R410a. Zalicza się do grupy czynników ekologicznych. Bardzo dużą zaletą jest jego jednorodność, dzięki czemu możliwe jest dopełnianie czynnika R32 zarówno w stanie ciekłym jak i gazowym bez konieczności opróżniana całego układu chłodniczego. Według badań jednego z wiodących producentów klimatyzacji i pomp ciepła zastosowanie czynnika R32 pozwala na zwiększenie efektywności pracy urządzeń nawet do 10% w porównaniu z zastosowanie czynnika R410a. Czynnika R32 wchodzi mniej niż R410a co jest kolejnym atutem, np. w sytuacji niekontrolowanego wycieku i późniejszych kosztów związanych z jego nabiciem. Podobnie jak w przypadku czynnika R410a, czynnik chłodniczy R32 cechuje się wskaźnikiem ODP = 0, co oznacza, że nie niszczy warstwy ozonowej.

Naturalny czynnik chłodniczy R290

Czynnik chłodniczy R290, czyli po prostu propan należy do grupy czynników naturalnych niebędących wytworem pracy ludzkiej. Oczywiście wyróżnia go zerowy potencjał do niszczenia warstwy ozonowej ODP = 0, ale jego główną zaletą jest bardzo niski współczynnik GWP wynoszący 3! Oznacza to, że nie ma praktycznie potencjału do tworzenia  efektu cieplarnianego, a co za tym idzie ma w zasadzie znikomy wpływ na globalne ocieplenie. Bardzo często określany jest czynnikiem przyszłości. Dla porównania GWP dla czynnika R410a = 2088, natomiast dla czynnika R32 GWP = 675. Dla przykładu emisja 1 kg czynnika R410a z punktu widzenia ekologii jest równoznaczna z wypuszczeniem do atmosfery 2088 kg dwutlenku węgla, natomiast w odniesieniu do czynnika chłodniczego R32 uwolnienie 1 kg czynnika jest jednoznaczne ekologicznie z uwolnieniem do atmosfery 675 kg dwutlenku węgla. Dla propanu odpowiednio 1 kg uwolniony do atmosfery można przyrównać do wyzwolenia 3 kg dwutlenku węgla. Producenci pomp ciepła już dawno dostrzegli te zalety i z powodzeniem wprowadzili do swojej oferty jednostki monoblokowe zasilane propanem. 

Czynnik R290 nie podlega ustawie f-gazowej, a także pompy ciepła pracujące na propanie nie muszą być zgłaszane do Centralnego Rejestru Operatorów (takiemu zgłoszeniu podlegają czynniki chłodnicze zawierające związku chlory i fluoru), gdyż nie oddziałują negatywnie na środowisko.  Propan ma bardzo dobre właściwości termoprzewodzące. Niewątpliwie jego największą wadą jest palność, która była przez szereg lat wyłącznym kryterium, które już na starcie wykluczało R290 z zastosowań w układach chłodzenia. Dopiero w ostatnich latach, gdzie nasiliła się troska o środowisko naturalne producenci pomp ciepła i klimatyzacji wrócili do tego starego, naturalnego i przyjaznego środowisku czynnika. 

Aktualnie czynnik chłodniczy R290 z powodzeniem jest wykorzystywany w pompach ciepła monoblok i klimatyzatorach przenośnych, gdzie jest fabrycznie napełniony i nie wymaga ingerencji w postaci dopełniania. Należy podkreślić, że nawet w urządzeniach o dużych mocach, na przykład w pompach ciepła powyżej 20 kW ilość zastosowanego propanu R290 nie przekracza nawet 2,5 kg, gdzie popularne butle turystyczne zawierają 3 kg propanu. W przypadku mniejszych jednostek zewnętrznych monoblokowych pomp ciepła mówimy o ilościach propanu rzędu od 0,5 kg do 1,5 kg. Pompy ciepła monoblok zasilane czynnikiem R290 są w pełni bezpieczne z racji zastosowania hermetycznego układu (fabrycznie napełnione urządzenie), które zlokalizowane jest poza budynkiem i nie ingeruje się w żadnym stopniu w układ chłodniczy, dokonuje się wyłącznie przyłączy wodnych w układ centralnego ogrzewania. 

W klimatyzatorach przenośnych również z powodzeniem stosowany jest czynnik R290, gdzie instalator nie ingeruje w układ chłodniczy. Klimatyzatory przenośne są urządzeniami hermetycznymi, fabrycznie napełnionymi propanem w ilościach z reguły mniejszych niż 0,4-0,5kg. 

Największym wyzwaniem przed branżą pomp ciepła i klimatyzacji jest przekonanie użytkowników o bezpieczeństwie zastosowania takich urządzeń i wpłynięcie na opracowanie procedur, które pozwolą na wprowadzenie czynnika R290 do rozwiązań typu split wymagających ingerowania w układ chłodniczy (opróżniania i napełniania układu propanem).

Podsumowanie

Najmniejszą grupę oferowanych przez producentów urządzeń stanowią pompy ciepła i klimatyzatory oparte na czynniku R410a, który z uwagi na bardzo wysoki wskaźnik (GWP = 2088) w porównaniu do innych fluorowanych gazów cieplarnianych, np. R32 (GWP = 675) i naturalnego czynnika R290 (GWP = 3) stał się mało atrakcyjnym czynnikiem z dość wysokim wpływem na tworzenie efektu cieplarnianego, który został ujęty w rozporządzeniu UE 517/2014 z perspektywą całkowitego wycofania z obrotu od 1 stycznia 2025 roku.

W tym momencie największą grupę oferowanych pomp ciepła i klimatyzatorów stanowią urządzenia wykorzystujące czynnik chłodniczy R32, oznaczający się relatywnie niskim wskaźnikiem GWP = 675, często określane przed producentów pomp ciepła i klimatyzatorów ekologicznym fluorowanym gazem cieplarnianym. Wynika to z faktu, że ma o około 32% mniejszy wpływ na tworzenie efektu cieplarnianego w porównaniu do wykorzystywanego do tej pory czynnika R410a.

Największe nadzieje pokłada się w propanie, który nie jest fluorowanym gazem cieplarnianym, gdyż jest czynnikiem naturalnym, a przez to cechuje się znikomym wpływem na globalne ocieplenie.  Dzięki GWP = 3 propan, czynnik chłodniczy R290 zyskuje coraz większą popularność u producentów pomp ciepła, którzy wykorzystują go do zasilania hermetycznych, napełnianych fabrycznie urządzeń, bezpiecznych urządzeń typu monoblok. Ma on bardzo dobre właściwości termoprzewodzące, które w połączeniu z jego minimalnym potencjałem do tworzenia efektu cieplarnianego i naturalnym pochodzeniem  (nie jest fluorowanym gazem cieplarnianym) zadecydowały, że stał się perspektywicznym gazem. Bardzo często propan R290 wprost określany jako czynnik przyszłości.