Alternatiivsed külmaained

Madala GWP-ga külmutusagenside (alternatiivid) valdkonnas on toimunud kiired arengud, mis on peamiselt tingitud seadusandlusest vähendamaks kõrge GWP-ga (GWP – Global-warming potential) HFC-de kasutamist.

Alternatiivid jagunevad kahte gruppi:

Looduslikud külmaained – süsivesinikud (HC), R-744 (CO₂) ja R-717 (ammoniaak). Uued tehnoloogiad parandavad nende külmutusagenside efektiivsust, vähendavad kulusid või lahendavad ohutusega seotud küsimusi. Alternatiividel põhinevate seadmete arv on viimastel aastatel hüppeliselt kasvanud. Näiteks R-744 on hetkel kättesaadavatest alternatiividest kõige tõhusam ja tasuvam kui 5 aastat tagasi.
Uued külmaained, mis ei olnud varasemalt äriotstarbeks kättesaadavad. Siia alla kuuluvad ka uued HFO vedelikud (tuntud kui küllastumata HFC) ja HFO/HFC segud, mis võeti kasutusele umbes 5 aastat tagasi. Tänaseks on saadaval mitmed puhtad ained ja arvukalt segusid.

Järgneva 5 kuni 10 aasta jooksul jätkub madala GWP külmutusagensiga seadmete tehniline areng. Katsetamise järgus on kokku 70 erinevat külmutusagensi, mis ootavad avaldamist ISO 817 või ASHRAE 34 standardis. Osaline nimekiri katsejärgus külmutusagensidest, mille koostis on seni avaldamata (sulgudes on ohutusklass):

ARC-1 (A1) ja LPR1A (A2L) asendamaks HCFC-123;
BRB36 (A1) asendamaks HFC-134a;
ARM-32c (A1), D542HT (A1), DR-91 (A1), DR-93 (A1), N-20b (A1) ja DR-3 (A2L) asendamaks HCFC-22, HFC-407C;
ARM-20b (A2L) asendamaks HCFC-22, HFC-404A, HFC-407C;
ARM-32b (A1), ARM-35 (A1), D42Yb (A1), D42Yz (A1), ARM-20a (A2L), HDR110 (A2L) ja ARM-25a (A2) asendamaks HFC-404A;
ARM-71a (A2L), DR-55 (A2L) ja HPR2A (A2L) asendamaks HFC-410A.

Lisainfot erinevatest külmutusagensidest leiab Ühinenud Rahvaste Organisatsiooni 2022. aasta aruandest (PDF).

Süsinikdioksiid (CO₂)

Süsinikdioksiidi (CO₂) kasutamine külmutusseadmetes ulatub 19. sajandisse. CO₂ on värvitu gaas, mis veeldub kõrge rõhu all, kergelt hapuka lõhna ja maitsega. CO₂ ei kahanda osoonikihti (ODP=0) (ODP – ozone depleting potential)ja globaalset soojenemist põhjustav potentsiaal on tühiselt väike (GWP=1), kui seda kasutatakse külmutusagensina suletud süsteemis. CO₂ on keemiliselt inertne, õhust raskem, kättesaadav ja seda ei ole tarvis ümber töödelda või viia jäätmete vastuvõttu ning CO₂ ei ole tuleohtlik. Inimese tervisele on CO₂ kahjulik vaid väga suurte kontsentratsioonide korral.

Süsinikdioksiidi peamised tehnilised erinevused võrreldes HFC-ga

Külmasüsteemi kõik komponendid peavad sobima, et töötada kõrgetel rõhkudel.
CO₂-l on väiksem praktiline piirkogus.
CO₂ on lämmatava toimega ja seepärast tuleb paigaldada lekke tuvastussüsteem, kui seade asub suletud hõivatud ruumis (nt külmladu). Täiendavad juhised leiab EN 378 standardist.
CO₂-e suure jahutusvõime tõttu peab kompressori tootlikkus ja torude läbimõõt olema väiksem. Näiteks, CO₂ kompressori tootlikkus moodustab 1/5 HFC-404A kompressori omast.

Ammoniaak (NH₃)

Ammoniaaki on edukalt kasutatud külmutusagensina tööstuslikes külmutusseadmetes üle 130 aasta. Tegemist on värvitu, teravalõhnalise ja õhust kergema gaasiga, mis veeldub rõhu all. NH₃ ei kahanda osoonikihti (ODP=0) ja puudub globaalse soojenemise potentsiaal (GWP=0). Kõrge rõhu all on ammoniaak süttiv, kuid minimaalne süttimisenergia on 50 korda väiksem võrreldes maagaasiga ja see ei põle ilma leegita. Samuti on ammoniaak mürgine, kuid iseloomuliku terava lõhna pärast on seda võimalik tuvastada madalatel kontsentratsioonidel (alates 3 mg/m³), mis omakorda ei kujuta ohtu tervisele. Külmutusagensina kulutab ammoniaak suurtes tööstuslikes külmasüsteemides vähem energiat kui HFC.

Ammoniaak söövitab vaske, mistõttu on tarvis kasutada külmasüsteemis terastorusid ja telgkompressorit. Lisaks see ei segune tavaliste mineraalõlidega ja seetõttu on täiendavaks nõudeks õli rektifitseerimine. Terastorude, telgkompressori ja õli rektifitseerimise kasutamine külmasüsteemis tõstab esialgset investeerimiskulu, kuid säästa on võimalik energia tarbimise ehk jooksvate kulude pealt.

Ammoniaagi peamised tehnilised erinevused võrreldes HFC-ga

Ammoniaagiga koos kasutatakse tavaliselt telgkompressorit.
Tarvis on kasutada pehmet või roostevaba terast või niklit.
Ammoniaak ei segune mineraalõlidega. Soovitav on paigaldada õli taaskasutamissüsteem, mis kogub ja tagastab õli kanistrisse.
Vajadus surveanumate järgi.
Mõned elektrilised komponendid peavad sobima plahvatusohtlikus keskkonnas kasutamiseks.
Madalatemperatuuriliste rakenduste korral, nagu külmutatud toidu töötlemisel ja ladustamisel, kasutatakse kaheastmelist komprimeerimist, et vältida liialt kõrgeid väljundtemperatuure.
Maksimaalsed külmasüsteemi rõhud kondenseerimisel on 22 bar ja aurustumisel 11.4 bar.
Ammoniaak on mürgine ja omab väga väikest praktilist piirkogust (0,00035 kg/m³). Vaja on lekketuvastussüsteemi.

Süsivesinikud (HC)

Mitmed aastad on külmutusseadmetes olnud kasutusel süsivesinikud: propaan (HC-290), propüleen (HC-1270) ja isobutaan (HC-600a). Süsivesinikud on värvitud ja peaaegu lõhnatud gaasid, mis veelduvad rõhu all. Need ei kahanda osoonikihti (ODP=0) ega oma suurt globaalse soojenemise potentsiaali (GWP<3). Tänu nende erakordsetele termodünaamilistele omadustele on süsivesinikud energiatõhusad külmutusagensid. Süsivesinikud on tuleohtlikud, kuid tänu ohutusnõuetele on külmutusagensi kaod nullilähedased. Süsivesinikud on odavalt saadaval üle kogu maailma ja tavaliselt kasutatakse neid väikeste täitekogustega külmutusseadmetes:

külmkapid;
pudelikülmikud;
soojuspumbad ja kliimaseadmed.

Kõige tõenäolisem, et just HC-290 ja HC-600a on alternatiiviks suure GWP-ga HFC-dele väikestes hermeetilistes süsteemides. Vastavalt EN 378 standardile on soovituslikud järgnevad täitekogused:

Süsteemi, mille maksimaalne täitekogus on 0,15 kg või vähem, võib paigaldada mis tahes suurusega ruumi.
Süsteemi, mille maksimaalne täitekogus on üle 0,15 kg, puhul peaks ruumi suurus olema selline, et külmutusagensi äkilise lekke korral ei tõuseks ruumis kontsentratsioon üle praktilise piirkoguse ehk 0,008 kg/m³.

Süsivesinike peamised tehnilised erinevused võrreldes HFC-ga

Tuleb vältida kokkupuudet sädemete ja tulega.
Kasutada ainult ultraheli keevitust, Lokringi ühendusi või sobivaid surveliideseid.
Termostaat peab paiknema eraldatuna, et vältida süttimise ohtu lekke korral.
Keevitamine ei ole lubatud.
Külmutusagensi täitekogus on piiratud.
Mõned elektrilised komponendid peavad sobima tuleohtlikus keskkonnas kasutamiseks.
Isobutaani väikse jahutusvõime tõttu peab kasutatava kompressori tootlikkus olema suurem. Näiteks, isobutaani jahutusvõime on 50% väiksem võrreldes R-134a-ga.
Maksimaalsed külmasüsteemi rõhud kondenseerimisel on HC-290 korral 18.1 bar, HC-1270 21.9 bar ja HC-600a 6.8 bar ning aurustumisel on HC-290 korral 10.4 bar, HC-1270 12.7 bar ja HC-600a 3.3 bar.
Külmutusagensi HFC-404A komponente kasutatakse ka HC-290 ja HC-1270 süsteemides (v.a elektriseadmed).
Kõik elektroonika juhtimiskomponendid peavad olema plahvatuskindlad.

Küllastumata fluorosüsivesinik (HFO)

HFO on küllastumata fluorosüsivesinik, mida iseloomustab väga madal GWP. Sellesse külmutusagenside rühma kuuluvad näiteks R-1234ze ja R-1234yf, mis on sarnaselt R-134a-le mõeldud keskrõhu külmutusseadmetesse, kuid on veidi suurema kriitilise ja keemistemperatuuriga. Seega võivad need leida rakendust soojuspumpades, külmikutes, pudelikülmikutes, õhukuivatites ja CO₂ kaskaadkülmutusseadmetes. HFO sobitub enam levinud materjalidega (vask, teras jne), kuid täpsemat sobivust kasutatava materjaliga tasuks eelnevalt uurida külmutusagensi müüjalt.

HFO peamised tehnilised erinevused võrreldes HFC-ga

Täitekogus on piiratud (R-1234ze ohutusklassiks on A2).
Mõned elektrilised komponendid peavad sobima tuleohtlikus keskkonnas kasutamiseks.
Maksimaalsed külmutussüsteemi rõhud kondenseerimisel on 10.3 bar ja aurustumisel 5.1 bar. Seega külmasüsteemi komponendid saab valida töötamaks madalamatel rõhkudel.
R-1234ze jahutusvõime on 25% madalam võrreldes HFC-134a-ga, aga COP (soojustegur) on üsna sarnane. Seega R-1234ze paigaldatav kompressor oleks sarnase mootori suurusega, kuid tootlikkus 30% suurem võrreldes R-134a-ga, et saavutada sama võimsust. Praegu on saadaval vähe kompressoreid, mis sobituks R-1234ze.

Täiendavat infot alternatiivsete külmutusagenside kohta saab EL-i toel valminud Realalternatives.eu saidilt (ligipääs materjalidele eeldab tasuta kasutajakonto loomist), külmutusagenside asjatundja Ray Gluckmani kodulehelt ja Euroopa Komisjoni alternatiivide veebilehelt.

Teoreetilise abi/toe saamiseks võib pöörduda TTÜ Eesti Mereakadeemia (aleksei.lebedev@ttu.ee) või Eesti Külmaliidu (info@kylmaliit.ee) poole.