Chladiva a historie ochrany ovzduší

Článek uvádí do problematiky legislativního omezování používání některých druhů chladiv. Jsou zde uvedeny nejdůležitější historické dokumenty limitující používání chladiv v chladicích zařízeních, tepelných čerpadlech a dalších přístrojích. Pozornost je věnována definici nejdůležitějších pojmů jako např. GWP, ODP a TEWI včetně jejich výpočtu.

Úvod

Situace kolem používání některých druhů chladiv je stálým předmětem diskuzí. Dynamika legislativního vývoje v EU je daná především cílem EU snížit množství produkce emisí CO₂. Regulace v oblasti chladiv je jen jednou z mnoha dotčených odvětví. Cílem EU je snížit do roku 2020 emise CO₂ o 20 % proti referenčnímu roku 1990 (vychází z Kjótského protokolu).

Regulace v oblasti chladiv je dána mezinárodními dohodami o ochraně ozónové vrstvy (již nelze používat chladiva poškozující ozónovou vrstvu) a Nařízeními Evropského parlamentu a Rady 517/2014 [1] a 842/2006 [2], která stanovují omezování použití chladiv na základě hmotnosti náplně a vypočteného potenciálu globálního oteplování GWP. Zatímco snahy o přechod na chladiva s nulovým potenciálem poškozování ozónové vrstvy byly průmyslem adekvátně přijaty a postupně realizovány, snahy o omezení chladiv na základě postupného zpřísňování maximální hodnoty GWP už nejsou přijímány jednoznačně, neboť úniky chladiv přispívají ke globálnímu oteplování pouze minimálně. Lepším porovnávacím kritériem pro různá zařízení s chladivy je ukazatel TEWI, který vychází z ČSN EN 378 [3] a zohledňuje i vliv provozu zařízení na produkci emisí CO₂. Vztahy pro výpočet TEWI jsou ukázány v poslední části příspěvku. Jeho výpočtem lze přímo odhadnout skutečný příspěvek zařízení s chladivy ke globálnímu oteplování.

Základní definice

Fluorovanými skleníkovými plyny jsou částečně fluorované uhlovodíky, zcela fluorované uhlovodíky, fluorid sírový a další skleníkové plyny s obsahem fluoru.

Částečně fluorované uhlovodíky HFC jsou skupinou látek obsahujících uhlík, vodík a fluor. Odvozují se nahrazením několika atomů vodíku v molekule uhlovodíku atomy fluoru. Jedná se o plynné látky (HFC-134a má za normálních podmínek teplotu varu −26,2 °C) bez barvy a zápachu, které jsou chemicky jen málo reaktivní. Jsou to umělé látky, které v přírodě nevznikají.

Zcela fluorované uhlovodíky PFC (neboli polyfluorované uhlovodíky) – vyznačují se extrémně vysokým GWP (v řádech tisíců). Patří sem málo používaná chladiva jako R14 nebo R116.

Hydrofluro-Olefiny HFO – nová chladiva na bázi nenasycených uhlovodíků alkenů (dříve olefiny) s jednou dvojitou vazbou mezi atomy uhlíku v molekule. Vyznačují se velmi nízkým GWP. Nejznámější je R1234yf. Potenciálně představují náhradu HFC.

GWP (global warming potencial) je ukazatel vlivu daného látky (chladiva) na globální oteplování. Termínem „globální oteplování“ se zde zjednodušeně myslí schopnost zachytit teplo v atmosféře, resp. odrazit zpět k zemskému povrchu (radiační účinnost). Jeho hodnota určuje, kolikrát více daný plyn přispívá ke skleníkovému jevu než plyn CO₂. Hodnota je dána jak radiačními vlastnostmi plynu, tak jeho „životností“ v atmosféře. Ke stanovení se používá vztahu

kde je

TH

délka počítaného časového intervalu [s];

a_x

radiační účinnost látky x [W.m⁻².kg⁻¹];

a_r

radiační účinnost referenční látky (CO₂) [W.m⁻².kg⁻¹];

x(t)

časově závislý rozklad počítané látky [–];

r(t)

časově závislý rozklad referenční látky [–].

Většinou platí, že víceprvkové časově stabilní látky mají hodnotu GWP vyšší než jednosložkové plyny. Pokud je daná látka směsí, pak se její hodnota GWP přepočítává podle vztahu

kde jsou X, Y a N v procentech vyjádřeny hmotnostní podíly dané látky ve směsi.

ODP (ozone depletion potencial) je relativní číslo udávající potenciál k poškozování ozónové vrstvy vzhledem k referenčnímu chladivu CCl₃F - R11 (ODP látky R11 = 1), použití látek s ODP > 0 je regulováno (patří mezi tzv. regulované látky). Chladivo R11 patří mezi tzv. tvrdé čili plně halogenované uhlovodíky (především s obsahem chloru), jejichž používání je v současnosti zakázáno Montrealským protokolem.

Historie

K omezování používání některých chladiv vedly nejprve důvody ochrany ozónové vrstvy a posléze i omezování používání skleníkových plynů. Mezi nejvýznamnější dokumenty k této problematice patří následující:

Vídeňská úmluva [4] − Úmluva o ochraně ozónové vrstvy (Convention for the Protection of the Ozone Layer / The Vienna Convention)

Vídeňská úmluva je prvním závazkem států přijmout právní opatření k ochraně ozónové vrstvy a spolupracovat při jejich provádění. Úmluva byla podepsána v rámci Programu OSN pro životní prostředí (UNEP) dne 22. března 1985. V platnost vstoupila dne 22. září 1988. Tehdejší ČSFR přistoupila k Úmluvě v roce 1990. Závazně je v naší legislativě platná od 1. ledna 1991.

Montrealský protokol [5] − Protokol o látkách, které porušují ozónovou vrstvu (Montreal Protocol of Substances that Deplete the Ozone Layer / The Montreal Protocol)

Je prováděcím protokolem Vídeňské úmluvy. Byl přijat 16. září 1987. Hlavním principem Montrealského protokolu je postupné, etapovitě regulované omezování spotřeby (rozumí se výroby a dovozu) stanovených regulovaných látek. Protokol umožňuje učinit taková opatření, která zmírní negativní dopady této regulace do ekonomiky jednotlivých států. Závazná pravidla pro snižování spotřeby chladiv podle Montrealského protokolu se týkají chladiv R11, R12, R113, R114, R115 a halonů (obsahují bróm) R12B1, R13B1, R114B2. Všechna uvedená chladiva jsou plně halogenované uhlovodíky – tzv. tvrdé freony. Vzhledem ke zhoršování stavu ozónové vrstvy byly k Montrealskému protokolu přijaty zpřísňující dodatky − Londýnský dodatek, Kodaňský dodatek.

Londýnský dodatek − Změny a dodatek k Montrealskému protokolu (Amendment to the Montreal Protocol − The London Amendment)

Dokument byl přijat dne 29. června 1990 a rozšířil skupinu regulovaných plně halogenovaných chlorfluoruhlovodíků (CFC) z 5 na 15 látek a stanovil termín jejich úplného vyloučení z používání v roce 2000. Používání zde znamená užívání ve výrobním procesu. Obecně se netýká provozu starých zařízení se zmíněnými plyny. Mnohé průmyslově vyspělé státy jdou ve svých omezeních nad rámec těchto úmluv.

Kodaňský dodatek (1992) − Dodatek k Montrealskému protokolu o látkách, které porušují ozónovou vrstvu (Amendment to the Montreal Protocol on Substances that Depletethe Ozone Layer / The Copenhagen Amendment)

Z dodatku vyplývá ukončení výroby a užití halonů u nových zařízení dnem 1. 1. 1994, plně halogenovaných uhlovodíků k 1. 2. 1996 a počátek postupného útlumu látek z tzv. přílohy C od 1. 1. 1996 s úplným zákazem po roce 2030. Útlum je pouze ve vyspělých zemích a týká se HCFC látek, což jsou tzv. měkké freony, které na rozdíl od tvrdých freonů nejsou plně halogenovány.

Montrealský dodatek (1997) – Dodatek k Montrealskému protokolu, který rozšiřuje změny z Kodaňského dodatku i na rozvojové země.

Pekingský dodatek (1999) – Dodatek k Montrealskému protokolu, který rozšiřuje možnosti kontroly výroby a obchodu s HCFC látkami.

Celkově podepsalo Montrealský protokol 197 zemí světa, čímž se stal nejúspěšnějším ekologickým protokolem v historii. K Protokolu jsou od začátku připojeny i Čína a USA. Díky úspěchu je protokol neustále doplňován a obnovován. Poslední (zatím ještě neschválený) dodatek byl předložen společně USA, Mexikem a Kanadou (tzv. Severoamerický dodatek). Dodatek má za cíl rozšířit regulované látky i o HFC (fluorované uhlovodíky).

Kjótský protokol [6] je protokol k Rámcové úmluvě OSN o klimatických změnách. Průmyslové země se v něm zavázaly snížit emise skleníkových plynů o 5,2 %. Tato redukce se vztahuje na „koš“ šesti plynů, resp. jejich agregované průměrné emise (v jednotkách tzv. uhlíkového ekvivalentu, viz níže) za pětileté období 2008–2012. Kromě oxidu uhličitého (CO₂), metanu (CH₄) a oxidu dusného (N₂O), jejichž emise budou porovnávány k roku 1990, se závazek týká hydrogenovaných fluorovodíků (HFCs), polyfluorovodíků (PFCs) a fluoridu sírového (SF₆), jejichž emise mohou být porovnávány buď s rokem 1990, nebo 1995.

Evropská unie, resp. tehdy ještě patnáctičlenné Evropské společenství (EU15), ratifikovalo Úmluvu jako samostatný subjekt. To umožní 15 původním členským zemím EU splnit závazek redukce emisí kolektivně, i když emise některých zemí EU15 vzrostou za deset let od roku 1990 o 10–20 % (Řecko, Irsko, Portugalsko a Španělsko). Oproti tomu se emise Německa podstatně snížily (útlum ekonomiky a následující modernizace bývalé NDR), což zajišťuje celkový nulový růst emisí EU mezi roky 1990 a 2000.

Celkově kjótský protokol ratifikovalo 187 států. USA Kjótský protokol nikdy nepřijaly a rozvojové státy (myšleno v době vzniku protokolu) jako Čína, Brazílie nebo Indie jím nejsou jakkoli zavázány. Proto má Kjótský protokol na produkci a omezování skleníkových plynů jen malý vliv. Celkové světové emise CO₂ mezi lety 2000–2008 vzrostly o 29 %.

Ukazatel TEWI

Ukazatel TEWI [kg ekv. CO₂] značí celkový potenciál globálního oteplování (total global warming impact). Jedná se o způsob posuzování přímého vlivu emisí chladiva a nepřímého vlivu oxidu uhličitého. Ukazatel v sobě zahrnuje:

• přímý účinek na globální oteplování vlivem úniků chladiva za životnost zařízení, včetně ztrát při konečné likvidaci a zpětné rekuperaci chladiv;
• nepřímý účinek z emisí CO₂ při spalování paliv pro výrobu energie použité k pohonu zařízení během celé životnosti zařízení.

Ukazatel se tedy nevztahuje k samotnému chladivu, ale k účinnosti celého chladicího zařízení s daným chladivem. Problém ukazatele spočívá především ve stanovení důležitých a mnohdy obtížně odhadnutelných podkladů, jako jsou:

• provozní doba;
• životnost zařízení;
• reálná efektivita zařízení (chladicí/topný faktor);
• účinnost zařízení, kterého je součástí (např. provozní účinnost celé klimatizace).

Pro výpočet TEWI zařízení s chladivem podle ČSN EN 378-1 lze použít následující vztah:

kde je

GWP

potenciál globálního oteplování použitého chladiva [–];

L_rok

únik netěsnostmi [kg/rok];

n

provozní doba zařízení [rok];

m

náplň chladiva [kg];

α_rekuperace

faktor rekuperace (od 0 do 1);

E_rok

spotřeba energie [kWh/rok];

β

emisní faktor CO₂ vztažený na jednotku použité energie [kg/kWh].

Přímé emise (vliv ztrát při rekuperaci + vliv ztrát netěsnostmi) se u chladicích zařízení a tepelných čerpadel vyskytují ve 4 skupinách:

• zvyšující se netěsnosti při běžném provozu;
• netěsnosti vlivem poruchy zařízení při normálním provozu;
• ztráty při servisu a údržbě;
• ztráty na konci životnosti zařízení.

Únik netěsnostmi L_rok v sobě zahrnuje ztráty chladiva netěsnostmi při provozu a únik chladiva při poruše. Jeho velikost značně závisí na typu, stáří, konstrukci, zpracování a provozním prostředí zařízení. Běžné hodnoty průměrné roční ztráty chladiva, z nichž lze L_rok určit jsou podle literatury [7 a 8] v tab. 1.

Tab. 1 Průměrné provozní úniky chladiva pro jednotlivé aplikace

Aplikace		Roční ztráta chladiva [%/rok]
Tepelná čerpadla	domácí aplikace	3,5
	jiné	3,8
Chlazení	chlazení v supermarketu	servisované 12, jinak 15
	chladiče	7
	kontejnerové chlazení	2
	transportní	30
Klimatizace	chladiče	7
	střešní jednotky	5
	splitové systémy	4
	nástěnné jednotky	2

Podle [9] se hodnoty faktoru rekuperace α_rekuperace pohybují v rozmezí od 70 % do 95 % v závislosti na množství náplně. Uvádí se, že u systémů s náplní větší než 100 kg chladiva lze uvažovat faktor rekuperace 95 %, u menších systémů se doporučuje počítat s hodnotou 70 %.

Velikost emisního faktoru CO₂ označovaného β lze získat z literatury (např. [9]). Pro elektrickou energii, jako nejčastější typ pohonu chladicích zařízení a tepelných čerpadel je v ČR emisní faktor 0,95 kg/kWh (v celé EU pak 0,46 kg/kWh). Spotřeba elektrické energie závisí na mnoha faktorech, není ji snadné paušalizovat. Pro tepelná čerpadla by pro její odvození bylo možné statisticky použít obecně hodnoty vypočtené z Nařízení Komise 811/ 2013 a 812/2013 pro konkrétní aplikace. Hodnoty energetické spotřeby domácích chladicích zařízení se získají výpočtem podle Nařízení Komise 643/2009. Pro klimatizace a pokojové ventilátory odvozením z Nařízení Komise 206/2012.

Závěr

Chladiva podléhají celosvětovému trendu ochrany životního prostředí. Z hlediska jejich použití v chladicích zařízeních a tepelných čerpadlech panuje téměř celosvětová shoda v zákazu používání těžkých freonů a dalších v mezinárodních dokumentech vyjmenovaných látek poškozujících ozónovou vrstvu. Nad rámec těchto dohod jdou některé průmyslově vyspělé státy v čele s Evropskou unií omezováním používání látek s vysokým GWP ovšem bez ohledu na účinnost nebo bezpečnost zařízení, ve kterých pracují. Daleko vhodnějším nástrojem pro vyhodnocení přínosu konkrétního zařízení ke globálnímu oteplování je pak komplexní ukazatel TEWI, jehož výpočet je naznačen v poslední části příspěvku. Ten dokáže zohlednit, zda vůbec výměna staršího chladiva za nové dává smysl. Nové chladivo sice může mít nižší hodnotu GWP, avšak nemusí umožnit dosáhnout provozní efektivitu zařízení, jako při použití staršího chladiva. Bilance vlivu na emisi CO₂ je předmětem výpočtu TEWI.

Poděkování

Tento příspěvek vznikl za podpory Evropské unie, projektu OP VaVpI č. CZ.1.05/2.1.00/03.0091 – Univerzitní centrum energeticky efektivních budov.

Literatura

• [1] Nařízení Evropského parlamentu a Rady č. 517/2014 o fluorovaných skleníkových plynech a o zrušení nařízení (ES) č. 842/2006. Brusel 2014.
• [2] Nařízení Evropského parlamentu a Rady č. 842/2006 o některých fluorovaných skleníkových plynech. Brusel 2013.
• [3] ČSN EN 378-1 – Chladicí zařízení a tepelná čerpadla – Bezpečnostní a environmentální požadavky – Část 1: Základní požadavky, definice, klasifikace a kritéria volby. ÚNMZ 2014.
• [4] Vídeňská úmluva o ochraně ozónové vrstvy. Organizace Spojených Národů, Vídeň 1985.
• [5] Montrealský protokol o látkách poškozující ozónovou vrstvu. Program OSN pro životní prostředí, Montreal 1987.
• [6] Kjótský Protokol k rámcové úmluvě Organizace spojených národů o změně klimatu. Organizace Spojených Národů, Kjóto 1997.
• [7] Impacts of Leakage from Refrigerants in Heat Pumps. Ministerstvo energetiky & změny klimatu, Londýn 2013.
• [8] Methods of calculating Total Equivalent Warming Impact (TEWI) 2012. Australský institut chlazení, klimatizace a vytápění, Melbourne 2012.
• [9] Příloha pokynů pro vyplnění šablony SEAP – Emisní faktory. Pakt starostů a primátorů, Brusel 2015.