Az üvegházhatású gázok kibocsátásának csökkentésének érdekében világszerte előtérbe kerül a globális felmelegedéshez kismértékben hozzájáruló hűtőközegek alkalmazása. Az Európai Unióban a fluortartalmú üvegházhatású gázokkal az 517/2014/EU számú rendelet foglalkozik, mely a rendelet 2006-ban elfogadott előzményénél jóval szigorúbb klímavédelmi célokat fogalmaz meg.

A mesterséges hűtés célja, hogy egy közegtől (hűtött térből) hőelvonás történjen úgy, hogy annak a közegnek/térnek hőmérséklete a környezeti hőmérséklet alá csökkenjen, illetve az elvont hő egy melegebb közeg (a környezet) felé leadásra kerüljön. Ez a termodinamika 2. főtétele alapján spontán módon nem valósulhat meg, munkabefektetésre van szükség.

Ahhoz, hogy a hőelvonást és a hőleadást a legnagyobb hatásossággal lehessen megvalósítani, olyan munkaközegeket alkalmazunk, amelyek a hőelvonás fázisában állandó nyomáson és hőmérsékleten elpárolognak (forrnak), míg a környezet felé történő hőleadáskor szintén állandó nyomáson és hőmérsékleten kondenzálódnak (lecsapódnak). Az ilyen, fázisváltozással járó hőcsere nagy teljesítménysűrűséggel valósul meg, így a hőcserélő felületek mérete is moderált marad.

A hűtőkörfolyamatok munkaközegei, a hűtőközegek, úgy kerülnek megválasztásra, hogy az elpárolgási hőmérsékletük valamely megvalósítható nyomáson a kívánt hűtött közeg hőmérsékleténél alacsonyabb legyen, ezáltal lehetségessé váljon a hűtött közegtől történő hőelvonás, míg a kondenzációs hőmérsékletük egy másik, magasabb nyomáson a berendezést hűtő közeg (környezeti hőmérséklet, hűtővíz) hőmérsékleténél magasabb legyen, így megtörténhet a hőleadás. 

Számokkal illusztrálva: ha egy ~25 °C-os belső teret szeretnénk hűteni, akkor annál alacsonyabbra megválasztott, mondjuk 8 °C-os elpárolgási hőmérsékletre van szükség; ha eközben a szabadban, ahova az elvont hőt le kívánjuk adni, 35 °C van, akkor annál magasabb, például 45 °C-os kondenzációs hőmérsékletet kell biztosítani. Erre a célra egy olyan anyagot kell hűtőközegnek választani, amely nem “igényel” túl alacsony vagy túl magas nyomást: a víz telítési nyomása 10 °C-on 0,01 bar lenne (nem meglepő, hogy ehhez vákuumban kell lenni, hiszen tudjuk hogy a víz forráspontja légköri nyomáson 10 °C-nál jóval magasabb), míg például a szén-dioxidé 45 bar, amely már olyan magas nyomás, amely komoly műszaki kihívást jelent. Ezekhez képest egy kifejezetten erre a hőmérséklettartományra kifejlesztett hűtőközeg, mint például az R32 (amely a  split klímákban napjainkban használatos) nyomása 10 °C-on 11 bar; az ipari hűtéstechnikában alkalmazott R134a nyomása ugyanezen a hőmérsékleten 4,15 bar. De milyen egyéb elvárásokat támasztunk a hűtőközegekkel szemben?

Hűtőközegekkel szemben támasztott követelmények

A hűtőközegekkel szemben számos műszaki, gazdasági és biztonsági követelmény fogalmazható meg, ezek közül néhány kiemelve:

• kémiailag stabil legyen, illetve ne lépjen reakcióba a szerkezeti és egyéb anyagokkal (pl. olaj) a berendezésben,
• ne legyen mérgező, robbanás- és tűzveszélyes,
• a kondenzációs hőmérséklethez tartozó telítési nyomása ne legyen nagy, a kondenzációs és az elpárolgási nyomások viszonya kicsi legyen (így nem kell sok energiát befektetni ahhoz, hogy a közeg nyomását az elpárolgási nyomásról a kondenzációs nyomásra emeljük),
• legyen nagy a párolgáshője annak érdekében, hogy a lehető legkevesebb közeget kelljen a rendszerben keringtetni,
• tegyen eleget a környezetvédelmi elvárásoknak, a légkörbe kerülve ne károsítsa az ózonpajzsot, ne okozzon üvegházhatást.

Az egyre erősödő klímavédelmi intézkedések, rendelkezések hatására az utolsó pontban leírt szempontok hangsúlyosabbá váltak a hűtőközegek kiválasztásánál. A két leggyakrabban alkalmazott mérőszám a hűtőközegek környezetvédelmi szempontból történő értékelésénél az ODP (Ozone Depletion Potential, ózonlebontási potenciál) illetve a GWP (Global Warming Potential, globális felmelegedési potenciál).

Az ODP-érték azt mutatja meg, hogy az anyag egy referenciaközeghez (az R11 jelű fluorozott szénhidrogénhez) viszonyítva milyen mértékben bontja az ózonréteget. A referenciaközeg ODP-értéke 1. A klímavédelmi szempontok előtérbe kerülésének és a hűtőközegek fejlődésének köszönhetően ma már csak 0 ODP-értékű, vagyis az ózonpajzsot bontani nem képes hűtőközeg töltetek alkalmazhatók. Az ózont lebontó anyagok visszaszorítása érdekében került kidolgozásra az ENSZ Környezetvédelmi Programja által a Montréali Jegyzőkönyv 1989-ben.

Azt, hogy egyes közegek milyen mértékben járulhatnak hozzá a globális felmelegedéshez, a GWP-érték adja meg, mely szintén egy referenciaértékhez viszonyít (1-es GWP-értékű a szén-dioxid). A GWP-értéket azt adja meg, hogy egy üvegházhatású gáz egy kilogrammjának mekkora a felmelegedési potenciálja egy kilogramm CO2 potenciáljához viszonyítva. A magas GWP-értékű közegek visszaszorítását célozta meg a Kiotói Jegyzőkönyv, amely 2005-ben lépett érvénybe. Hogyan változtak a hűtéstechnikában alkalmazott közegek a klímavédelem priorizálásával?

A hűtőközegek fejlődése

A kezdetekben alkalmazott hűtőközegek, mint a kén-dioxid, etil-klorid vagy metil-klorid, erősen mérgezők voltak. A szivárgásokból adódó balesetek később ezen közegek hűtőközegként való alkalmazásának tiltását eredményezték, így felmerült az igény egyéb, kedvezőbb tulajdonságú (nem toxikus és nem éghető) anyagok kifejlesztésére.

Az első elektromos háztartási hűtőszekrény, a General Electric “Monitor Top”. Becenevét az azonos nevű amerikai polgárháborús hajóról kapta, a gép tetején elhelyezkedő kompresszor formája hasonlít a hajó ágyútornyára. Hűtőközege kén-dioxid volt (Forrás)

Az első fluortartalmú hűtőközeg az R11 jelű fluor-diklórmetán volt, mely az úgynevezett CFC-k családjába tartozik (Chlorofluorocarbons, magyarul klórozott-fluorozott szénhidrogének). Történelmileg ehhez az időszakhoz köthetők a különböző halogénezett szénhidrogének (az úgynevezett HCFC-k, mint például az R-22), illetve az ilyen anyagokból álló keverékek. Ezeknek a közegeknek rendkívül magas az ózonlebontási potenciáljuk (az ODP definiálásakor a referencia az R11), ezért folyamatosan kivonásra kerültek, így ma már nem lehetséges ilyen közegek töltése meglévő vagy új rendszerekbe.

Mit jelent egyébként az R-jelölés a hűtőközegeknél? A nemzetközi jelölés (melyben az R a Refrigerant szóra utal) alapvetően az anyagi összetételt írja le az alábbi megállapodás alapján: jobbról az első szám a fluoratomok számát, a második a hidrogénatomok számánál eggyel nagyobb értéket, jobbról a harmadik szám pedig a szénatomok számánál eggyel kisebb értéket jelöl. Amennyiben van egy (jobbról) negyedik szám, az a szén-szén kettőskötések számát jelöli. Ha adott számú és típusú molekula többféle módon is kapcsolódhat, kisbetűvel különböztetjük meg a különböző hűtőközegeket (pl. R134a). Ettől eltérés, ha 4-es vagy 5-ös számmal kezdődik egy jelölés, mivel ekkor keverékről van szó, amelynél a számok egy adott anyagkombinációt jelölnek, a nagybetű pedig egy arányt (pl. R410A). Szintén eltérés, hogy 6-os számmal kezdődnek az egyéb szerves anyagok (pl. R600a - izobután), 7-essel a szervetlen vegyületek (R717 - ammónia, R744 - szén-dioxid; az utolsó két szám ekkor a moláris tömeg).

A CFC-k kiváltására kifejlesztett, az ózonpajzs lebontására nem alkalmas (klórt nem tartalmazó, zérus ODP-értékű) közegek az úgynevezett HFC-k (Hydrofluorocarbons, magyarul fluorozott szénhidrogének). Bár az ebbe a csoportba tartozó közegek ózonlebontó potenciálja nulla, a globális felmelegedéshez jelentősen hozzájárulhatnak: GWP értékük akár több ezres nagyságrendű is lehet. Néhány ide sorolható, ma is alkalmazott hűtőközeg az R134a, a jelenleg széles körűen alkalmazott, relatíve alacsony GWP értékű R32, a keverék R410A, R407C stb.

A HFC közegek magasabb GWP-értéke miatt jelenleg is folyik olyan hűtőközegek fejlesztése, amelyek a fluorozott szénhidrogének előnyös tulajdonságait megtartva alacsony felmelegedésre gyakorolt hatással alkalmazhatók. Jelenleg egyre szélesebb körben kerülnek felhasználásra a hidrofluor-olefinek (HFO-k). Míg a CFC és HFC közegek a telített szénhidrogének közé sorolhatók, addig HFO-k olefinek (alkének), tehát szén-szén kettős kötést tartalmaznak. A HFO-k a szén-szén kettős kötés miatt viszont reakcióképesek, amely jelentősen csökkenti a GWP-értéküket a HFC-khez képest. Ide sorolhatók az R1234ze vagy az R1234yf jelű anyagok. Nem ritka, hogy a HFO-kat HFC-kkel keverve alkalmazzák, egy ilyen, gyakran alkalmazott keverék az R513A (az R134a és R1234yf keveréke), mely közvetlenül használható a széles körben elterjedt R134a kiváltó közegeként.

Bár a fenti leírás kiemeli a hűtőközegekhez kötődő  környezetvédelmi szempontokat, a munkaközeg kiválasztásában egyéb műszaki és biztonsági kérdések továbbra is kulcsfontosságúak. Bár a HFO közegek kiemelkedően alacsony GWP értékkel rendelkeznek, fontos kiemelni, hogy enyhén gyúlékony anyagokról van szó, illetve hogy a fajlagos hűtőteljesítményük önmagában alacsonyabb, mint azoknak a közegeknek, amelyeket leváltanak - ez a jelenség egyébként nem újkeletű, a már régebben leváltott R22 közegnek is jobb hűtési tulajdonságai voltak (ezáltal kisebb berendezések voltak gyárthatók), mint az R134a-nak vagy az egyéb, R22-t váltó közegeknek. Ezen tulajdonságok miatt jelenleg inkább keverékekben kerülnek alkalmazásra.

Hűtőközegek csoportosítása alkalmazási tartományuk és GWP értékük szerint (a Danfoss Learning ingyenesen elérhető oktatási anyagai alapján)

 Az F-gáz rendelet

Az Európai Parlament és a Tanács 517/2014/EU rendeletének (röviden az F-gáz rendeletnek) célja, hogy a fluortartalmú üvegházhatású gázok kibocsátásának csökkentése révén védje a környezetet. A rendelet szabályokat fogalmaz meg a hűtőközegek tározására, felhasználására, visszanyerésére és ártalmatlanítására, forgalomba hozatalára vonatkozóan, feltételeket állapít meg a fluortartalmú üvegházhatású gázok felhasználásaival kapcsolatban, illetve az ilyen gázokat tartalmazó termékek forgalomba hozatalát illetően. A rendelet 2015. január 1-től hatályon kívül helyezi a 842/2006/EK rendeletet (az első F-gáz rendeletet), mivel módosítja és kiegészíti annak tárgyát.

A rendelet módosítására azért volt szükség, hogy az Európai Unió tagállamai tartani tudják az 2005-ben életbe lépő Kiotói jegyzőkönyvben foglalt kitűzéseket. A rendelet hivatkozik az Európai Bizottság „Az alacsony szén-dioxid-kibocsátású, versenyképes gazdaság 2050-ig történő megvalósításának ütemterve” című közleményére, a rendelkezések az abban foglalt ütemterv figyelembevételével kerültek összeállításra.

A 2005-ös referenciaévben a fluortartalmú üvegházhatású gázok kibocsátásának becsült mennyisége 90 millió tonna CO2-egyenérték volt. 2030-ra a CO2-kibocsátástól eltérő kibocsátásokat a referenciaév szintjéhez képest 60-61 százalékkal kell csökkenteni, amely csökkenés eléréséhez az addig érvényes szabályozás módosítására volt szükség.

A jelenleg érvényes rendelet az alábbi módosításokat tartalmazza a 842/2006/EK rendelethez képest:

1. A szivárgásvizsgálatok gyakoriságát már nem a töltet kilogrammban mért tömege, hanem a töltet tömegének és GWP-értékének szorzataként számított CO2-egyenértéke határozza meg,
2. A GWP-érték számítási metódusa változott, így némely hűtőközeg GWP értéke is változott,
3. Bizonyos ma is járatos közegek új rendszerekben való alkalmazását korlátozni fogja annak GWP értéke alapján, ill. az alkalmazástól függően, illetve bevezet bizonyos forgalombahozatali tilalmakat fluortartalmú üvegházhatású gázokat hasznosító berendezésekre (például a 150-es vagy annál nagyobb GWP-vel rendelkező HFC-ket tartalmazó háztartási hűtőszekrényekre és fagyasztógépekre),
4. Megtiltja a magas GWP értékű közegekkel új rendszerek üzembe helyezését és szerviz célú alkalmazását is (azonban az ilyen típusú visszanyert, ill. regenerált közegek alkalmazását 2030-ig engedélyezi),
5. Bevezeti a kvótarendszert, amely határt szab a hűtőközegek gyártásának/importjának az Európai Unió határain belül. A kvótákra a gyártók és importőrök a forgalmuk alapján pályázhatnak.  A forgalomba hozható hűtőközeg mennyiség fokozatosan csökkentésre kerül a kvóták visszafogásával.

Az alábbi táblázatban látható néhány példa a 3. pontban említett forgalombahozatali tilalmakra:

A jelenleg érvényes F-gáz rendelet által megfogalmazott, hűtőgépekre vonatkozó követelmények. Külön érdekes lehet a háztartási hűtőszekrényekre illetve a “hordozható beltéri légkondicionáló berendezésekre”, avagy mobilklímákra vonatkozó korlátozás. A 150-es GWP érték lényegében kizárja a HFC alkalmazást, így ezeket a berendezéseket ma már valamilyen természetes közeggel, például propánnal (R290) töltik, melynek GWP értéke 3.

Ha tetszett a cikkünk, és szeretnétek értesülni a legújabb bejegyzéseinkről, kövessetek minket facebookon!