CO2 jako ekologiczny czynnik ziębniczy dla układów klimatyzacji w samochodach
Urządzenia klimatyzacyjne, które w początkowym okresie rozwoju były instalowane wyłącznie w budynkach, w ostatnich dziesięcioleciach znalazły zastosowanie również w pojazdach samochodowych.
Montowanie układów klimatyzacyjnych w samochodach w pierwszej kolejności dotyczyło rynku Ameryki Północnej, a następnie nastąpiła szybka penetracja rynku krajów Unii Europejskiej, Japonii i wielu rejonów Azji. Tendencja szybkiego wzrostu ilości montowanych układów klimatyzacyjnych w samochodach dotyczy również dynamicznego polskiego rynku motoryzacyjnego.
Instalacje klimatyzacyjne samochodowe (zwane często MAC – Mobile Air Conditioning) do początku lat dziewięćdziesiątych były produkowane z zastosowaniem CFC R12 jako czynnika ziębniczego i następnie stopniowo zostały zastąpione układami z HFC R134a.
Obecnie szacuje się, że 25% do nawet 40% emisji związków z grupy fluorowanych węglowodorów jest powodowane emisją czynnika R134a z układów klimatyzacyjnych pojazdów samochodowych, co skłania do podjęcia działań w celu wyeliminowania R134a w pierwszej kolejności z tej grupy zastosowań [8].
Prowadzone prace badawcze wskazują, że racjonalnym nowym czynnikiem ziębniczym, który spełniałby kryteria ekologiczne może być dwutlenek węgla. Zastosowanie tego ziębnika wymaga jednak istotnej zmiany instalacji stosowanych obecnie w samochodach i oprzyrządowania warsztatów naprawczych. Ocena ekologiczna zastosowania nowego płynu jako czynnika ziębniczego nie może jedynie polegać na ocenie jego bezpośredniego wpływu na środowisko, ale musi także uwzględniać oddziaływanie pośrednie wynikające ze zużycia paliwa do napędu samochodu wyposażonego w dany układ klimatyzacyjny.
Systemy klimatyzacji stosowane w pojazdach samochodowych budowane są jako sprężarkowe urządzenia ziębnicze, w których powietrze klimatyzacyjne jest oziębiane bezpośrednio w parowaczu, który zazwyczaj jest zlokalizowany w kabinie samochodu. Skraplacz jest chłodzony powietrzem zewnętrznym i typowo jest montowany w samochodzie przed chłodnicą płynu chłodzącego silnik napędowy. Sprężarka ziębnicza jest najczęściej typu dławnicowego w celu umożliwienia jej napędu z silnika napędowego poprzez układ kół pasowych. Poszczególne elementy systemu ziębniczo klimatyzacyjnego są mocowane do różnych elementów nadwozia (parowacz, skraplacz, osprzęt) oraz silnika (sprężarka), co powoduje ich wzajemne przemieszczanie się i drgania z różną amplitudą i częstotliwością. W efekcie takiego rozmieszczenia poszczególnych elementów układu ziębniczego konieczne jest stosowanie pomiędzy nimi odcinków przewodów elastycznych. Schematycznie urządzenie klimatyzacyjne samochodu osobowego pokazano na rysunku 1 [5].
Oszacowanie udziału samochodów wyposażonych w układy klimatyzacyjne w samochodach nowo produkowanych możliwe jest poprzez zestawienie produkcji nowych samochodów i wielkości produkcji systemów klimatyzacyjnych. Zestawienie globalnej produkcji samochodów i układów klimatyzacyjnych [7] [2] wraz z danymi dla Polski [9] pokazano w tabeli 1. Zaokrąglenia udziału procentowego w poszczególnych rejonach wynikają z próby uwzględnienia eksportu/importu samochodowych urządzeń klimatyzacyjnych.
Z przedstawionych danych wynika, że w Ameryce Północnej i Europie Zachodniej nasycenie instalacjami klimatyzacyjnymi w nowych samochodach wynosi 75 do 98%. Dla Polski można przyjąć, że wielkość ta odpowiada średniej dla Europy Centralnej i Wschodniej i wynosi 40%.
Z punktu widzenia oddziaływania na środowisko przyrodnicze instalacji klimatyzacyjnych funkcjonujących w pojazdach samochodowych istotne jest określenie sumarycznej liczby eksploatowanych obecnie na świecie urządzeń. Szacunkowe dane zebrano dla poszczególnych rejonów świata [7] [2] i Polski [9] w tabeli 2.
Z zebranych w tabeli 2 danych wynika, że obecnie w skali globalnej jest w eksploatacji 390 do 430 milionów samochodowych urządzeń klimatyzacyjnych. Według oszacowania wykonanego przez Międzynarodowy Instytut Chłodnictwa w roku 2000 [2] ilość instalacji klimatyzacyjnych w samochodach osobowych i małych samochodach transportowych wynosiła 380 milionów. Szacowana obecnie w Polsce na 2,6 miliona sztuk ilość samochodowych instalacji klimatyzacyjnych stanowi ponad 70% całkowitej ilości tych urządzeń w Europie Centralnej i Wschodniej oraz odpowiednio 0,4% w odniesieniu do Europy Zachodniej.
Od początku lat dziewięćdziesiątych CFC R12 został powszechnie zastąpiony w układach klimatyzacyjnych pojazdów samochodowych zębnikiem HFC R134a. Szacuje się [8][4][10], że emisja R134a z instalacji samochodowych odpowiada równoważnej emisji 121 do 160 kg CO2 rocznie na każdą instalację.
Prace studialne prowadzone przez Komisję Europejską [4] przewidują, że o ile nie zostaną podjęte działania ograniczające emisje związków fluorowanych z instalacji klimatyzacyjnych pojazdów samochodowych, to w roku 2010 równoważna emisja dwutlenku węgla wynikająca z emisji ziębnika z tych instalacji w Unii Europejskiej może wynieść 18,4 do 37,8 Mt CO2/rok, a w roku 2020 odpowiednio 28,2 do 58,1 Mt CO2/rok.
Szacuje się, że działanie klimatyzacji w samochodzie w przeciętnych warunkach krajów Unii Europejskiej powoduje wzrost zużycie paliwa napędowego o około 5% [6][4]. Ze względu na zróżnicowanie klimatyczne występują regionalnie inne, średnie intensywności eksploatacji klimatyzacji i w konsekwencji dla krajów wspólnoty położonych w Europie Północnej wzrost ten szacuje się na 3,2%, dla rejonu Europy Środkowej, do której można zaliczyć Polskę wynosi on 4,2%, a dla Europy Południowej 6,2%.
Ostatnie badanie prowadzone w Stanach Zjednoczonych wykazały [1][4], że wzrost emisji równoważnej CO2 w wyniku wzrostu zużycia paliwa wynikającego z działania układów klimatyzacji w samochodach wynosi 6%. Wynik ten nie może być jednak bezpośrednio przeniesiony do warunków krajów Unii Europejskiej ze względu na różnice klimatyczne i zróżnicowanie samochodów i typów instalacji stosowanych w obu tych regionach.
Całkowite emisje równoważne CO2 w krajach Unii Europejskiej (EU-15) wynikające ze zużycia paliwa przez wszystkie zarejestrowane samochody szacuje się na około 430 Mt CO2 w roku 2010 i 415 Mt CO2 w roku 2020. Przewidywane zmniejszenie emisji odzwierciedla wzrost efektywności energetycznej samochodów. Przy udziale samochodów wyposażonych w klimatyzacje w krajach Unii Europejskiej (EU-15) na poziomie 70% w roku 2010 i 95% w roku 2020 szacuje się, że dodatkowa emisja w wyniku wzrostu zużycia paliwa w samochodach spowodowanego działaniem instalacji klimatyzacyjnych wyniesie rocznie od 12,0 do 24,0 Mt CO2 w roku 2010 i odpowiednio 15,8 do 31,5 Mt CO2 w roku 2020.
Całkowita równoważna emisja CO2 jest efektem sumarycznym wynikającym z emisji ziębnika z samochodowej instalacji klimatyzacyjnej oraz wynikającej ze wzrostu zużycia paliwa w samochodzie w wyniku eksploatacji klimatyzacji. Szacunkowe zestawienie pokazano w tabeli 4.
Emisja równoważna wynikająca z eksploatacji systemów klimatyzacyjnych w samochodach będzie stanowić w roku 2010 ponad 10 % całkowitej emisji wynikającej z eksploatacji samochodów i może znacząco wzrosnąć w dalszych latach o ile nie zostaną podjęte działania zmierzające do ograniczenia szkodliwego oddziaływania układów klimatyzacji samochodowej.
Przyjmując średnie roczne przebiegi samochodów w Unii Europejskiej całkowita równoważna dodatkowa emisja CO2 wynikająca z eksploatacji instalacji klimatyzacyjnej odniesiona do jednego kilometra przebiegu pojazdu będzie wynosić od 16 do 28 gCO2/km w roku 2010 oraz od 19 do 32 gCO2/km w roku 2020 [4]. Porównanie wielkości równoważnej emisji wynikającej z funkcjonowania układów klimatyzacyjnych z zamierzoną przez producentów samochodów w Unii Europejskiej, Japonii i Korei redukcją równoważnej emisji dla nowo produkowanych samochodów o 25% do wartości 140 gCO2/km (odpowiadające zużyciu paliwa około 5,5 l/100km) pokazuje, że uzyskanie tych celów bez poprawy funkcjonowania układów klimatyzacyjnych będzie bardzo trudne lub wręcz niemożliwe.
Prowadzone w ostatnich latach prace naukowo badawcze pozwoliły na wytypowanie trzech alternatywnych ekologicznych związków, które potencjalnie mogą zostać zastosowane w samochodowych instalacjach klimatyzacyjnych jako czynniki ziębnicze:
- węglowodory
- R152a
- CO2
Jako kryterium kompleksowej oceny, z punktu widzenia oddziaływania na środowisko, efektów wdrożenia CO2 jako czynnika ziębniczego do samochodowych systemów klimatyzacyjnych można przyjąć skumulowaną emisję równoważną CO2 (LCCP – Live Cycle Climate Performance) [12], która obejmuje emisje cząstkowe związane z następującymi stadiami produkcji, działania i destrukcji urządzenia klimatyzacyjnego:
I. Emisja przed rozpoczęciem eksploatacji urządzenia klimatyzacyjnego
- emisja równoważna CO2 wynikająca z produkcji urządzenia klimatyzacyjnego
- o emisja w wyniku pozyskania surowców do produkcji
- o emisja wynikająca z energii wykorzystanej przy produkcji urządzania
- emisja równoważna wynikająca z emisji ziębnika do atmosfery w trakcie produkcji urządzenia klimatyzacyjnego
- o emisja około 1% całkowitej ilości ziębnika wykorzystanego w procesie produkcyjnym
II. Emisja w trakcie eksploatacji
- emisja wynikająca ze wzrostu zużycia paliwa (4% do 8%) przez samochód w wyniku funkcjonującej klimatyzacji
- emisja wynikająca z ubytków ziębnika z instalacji
- o ubytki eksploatacyjne 57 g/rok
- o ubytki w wyniku zdarzeń losowych (wypadki, uszkodzenia itp.) 1,9% rocznie
- o ubytki w trakcie serwisu urządzenia – 6% z 45g napełnienia rocznie
III. Emisja po zakończeniu eksploatacji urządzenia klimatyzacyjnego - złomowanie instalacji
- emisja ziębnika w trakcie recyklingu (15% ziębnika nie zostaje odzyskane)
- emisja równoważna w trakcie recyklingu i/lub destrukcji ziębnika
- emisja związana z recyklingiem/destrukcją instalacji
Istotnym czynnikiem, który będzie wpływał na rozprzestrzenianie się instalacji z ziębnikiem CO2, będzie wzrost kosztu takich urządzeń w stosunku do obecnie produkowanych instalacji bazujących na ziębniku R134a. Wzrost kosztu wynika z jednej strony z konieczności sfinansowania prac badawczo rozwojowych wydatkowanych na opracowanie nowej technologii, ale również będzie on wynikał z konieczności wykonania instalacji, które będą odporne na ciśnienia, blisko dziesięciokrotnie wyższe niż te występujące w obecnych instalacjach. Część kosztów serwisowych ulegnie jednak zmniejszeniu, gdyż CO2 nie będzie odzyskiwany z instalacji co pozwoli na przyśpieszenie napraw i rezygnację z zakupu urządzeń do odzysku ziębnika.
Szacuje się, że koszt produkcji samochodowego urządzenia klimatyzacyjnego z ziębnikiem CO2 wzrośnie w porównaniu do układów z R134a o 68 do 215 € [4]. Uwzględniając skumulowaną równoważną emisję CO2 wynikającą z zastosowania układu klimatyzacji samochodowej otrzymuje się koszt redukcji emisji równoważnej w wyniku zastąpienia R134a przez CO2 w tych instalacjach na poziomie około 50 €/tCO2.
Wnioski
Obecnie w krajach o wysokim poziomie rozwoju techniki klimatyzacja samochodowa stała się typowym elementem wyposażenia nowo sprzedawanych samochodów. Ponieważ instalacje te wymagają połączeń elastycznych pomiędzy poszczególnymi elementami składowymi oraz są narażone na drgania i wstrząsy, to w trakcie ich eksploatacji wstępują nieuniknione emisje ziębnika. Obecnie szacuje się, że 25% do nawet 40% emisji związków z grupy fluorowanych węglowodorów jest powodowane emisją czynnika R134a z układów klimatyzacyjnych pojazdów samochodowych, co skłania do podjęcia działań w celu wyeliminowania R134a w pierwszej kolejności z tej grupy zastosowań. Niepodjęcie działań ograniczających stosowanie R134a w samochodowych instalacjach klimatyzacyjnych może skutkować wzrostem emisji równoważnej CO2 z tych instalacji w Unii Europejskiej do poziomu 18,4 do 37,8 Mt CO2/rok, a w roku 2020 odpowiednio 28,2 do 58,1 Mt CO2/rok.
Zastosowanie CO2 jako czynnika ziębniczego alternatywnego do R134a wiąże się z koniecznością znacznej modernizacji istniejących instalacji, co spowoduje wzrost kosztów produkcji samochodowego układu klimatyzacyjnego o 68 do 215 €, ale pozwoli na zmniejszenie skumulowanej emisji CO2 w stosunku do układów z R134a o około 50%.
Koszt redukcji emisji równoważnej CO2 w wyniku zastąpienia ziębnika R134a przez ziębnik CO2 w samochodowych instalacjach klimatyzacyjnych szacuje się na poziomie około 50 €/tCO2.
