Исследователи из Национального института стандартов и технологий (NIST) только что завершили многолетнее исследование, чтобы определить «лучших» кандидатов для будущего использования в качестве хладагентов для кондиционирования воздуха, которые окажут наименьшее воздействие на климат.
К сожалению, все 27 жидкостей, признанных NIST лучшими с точки зрения эксплуатационных характеристик, по меньшей мере легко воспламеняются, что не допускается нормами безопасности США для большинства видов конечного использования. Некоторые жидкости из списка хладагентов легко воспламеняются, в том числе пропан, топливо для уличных грилей.
Другими словами, исследование NIST не обнаружило идеального хладагента, который бы сочетал в себе низкий «потенциал глобального потепления» (ПГП) - меру того, сколько тепла улавливает газ при выбросе в атмосферу - с другими желаемыми характеристиками и безопасностью. такими свойствами, как негорючесть и нетоксичность. Результаты опубликованы в Nature Communications.
«Вывод состоит в том, что не существует идеальной и простой замены существующим хладагентам», - сказал инженер-химик NIST Марк Маклинден. «Приступая к исследованию, мы думали, что должно быть что-то еще. Как оказалось, не так уж и много. Так что это было немного удивительно, немного разочаровывает».
Чтобы помочь уменьшить глобальное потепление, почти 200 стран, включая Соединенные Штаты, в октябре 2016 года согласились внести поправки в Монреальский протокол, чтобы к середине века отказаться от хладагентов, используемых в большинстве систем кондиционирования воздуха (AC). Частичное поэтапное сокращение, а не полное поэтапное прекращение, признало сложный выбор, который необходимо будет сделать для выбора замены. К счастью, теперь доступны новые ценные данные, которые могут поддержать эти решения.
"Путь вперед будет включать компромиссы," продолжил Маклинден. «Кодексы безопасности могут быть пересмотрены, чтобы разрешить использование легковоспламеняющихся хладагентов. Смеси двух или более жидкостей могут давать негорючий хладагент, но с более высоким ПГП. Углекислый газ негорюч, но для этого потребуется полная переработка оборудования кондиционирования воздуха».
Современными хладагентами являются гидрофторуглероды (ГФУ), которые представляют собой «парниковые газы» с высоким ПГП. Хотя их вклад в изменение климата в настоящее время невелик, ожидается, что он будет быстро увеличиваться вместе с использованием кондиционеров во всем мире. Монреальский протокол, договор, который регулирует вещества, разрушающие защитный озоновый слой Земли, изначально способствовал внедрению ГФУ в качестве замены использовавшихся ранее озоноразрушающих соединений.
США регулирующие органы уже осознают сложность выбора новых хладагентов. Агентство по охране окружающей среды не установило конкретных пределов ПГП, а провело сравнительный анализ рисков для каждого хладагента и конечного использования. Критерии включают атмосферные эффекты и связанные с ними воздействия на здоровье и окружающую среду, риски для экосистемы, риски для потребителей, воспламеняемость, стоимость и доступность.
Чтобы помочь политикам и промышленности США понять ограничения и компромиссы, связанные с поэтапным отказом от ГФУ, NIST провел всесторонний четырехлетний поиск лучших однокомпонентных жидкостей-заменителей с низким ПГП. ПГП определяется как потенциал нагревания одного килограмма газа по отношению к одному килограмму углекислого газа.
Исследование NIST было сосредоточено на возможной замене жидкостей для небольших систем кондиционирования воздуха, типичных для домов и малых предприятий. Смесь ГФУ под названием R-410A в настоящее время является самым популярным хладагентом в таких системах. Эти кондиционеры герметичны, что означает, что они не должны выбрасывать ГФУ в атмосферу. Однако системы могут протекать, и когда они обслуживаются или выбрасываются, хладагент может вытечь, и его нельзя будет восстановить или переработать, сказал Маклинден.
В ходе исследования была изучена база данных, содержащая более 60 миллионов химических веществ, свойства которых оценивались исключительно на основе их молекулярной структуры. Это основано на вычислительном методе, ранее разработанном в NIST.
Поскольку все современные хладагенты являются небольшими молекулами, поиск NIST был ограничен молекулами с 18 или менее атомами и только восемью элементами, которые образуют соединения, достаточно летучие, чтобы служить хладагентами. Этот первоначальный скрининг привел к дальнейшему рассмотрению 184 000 молекул.
Скрининг энергетических свойств, соответствующих жидкостям, пригодным для использования в небольших системах кондиционирования воздуха, и ПГП менее 1000 (обычно понимается как воздействие за 100-летний период времени) дал 138 жидкостей. Затем исследователи смоделировали работу этих 138 соединений в кондиционерах. Соавтор из Католического университета Америки в Вашингтоне, округ Колумбия, помог разработать имитационную модель и оценить результаты. Дальнейшая проверка для исключения химически нестабильных или очень токсичных соединений или соединений с низкой энергоэффективностью привела к окончательному списку из 27 жидкостей с низким ПГП.
Пропан имеет ПГП 3, что намного ниже, чем значение 1924 R-410A. Потенциальные хладагенты с самым низким ПГП включают аммиак, который обычно используется в крупных промышленных холодильных системах, но токсичен и легко воспламеняется, а также диметилэфир, пропеллент и потенциальное топливо, которое лишь немного менее воспламеняется, чем пропан. Углекислый газ имеет ПГП, равный 1, и не воспламеняется, но для него потребуется другой тип холодильного цикла, работающий при очень высоком давлении. Другие соединения с низким ПГП включают гидрофторолефины, которые в настоящее время находятся в центре внимания отраслевых исследований, но легко воспламеняются.
Несмотря на то, что в Соединенных Штатах нет конкретного предела ПГП, для некоторых ГФУ с самым высоким ПГП были установлены даты поэтапного отказа. (Хладагенты с ПГП менее 750 разрешены в Европейском Союзе для небольших систем кондиционирования воздуха.)
Список NIST может предложить новые идеи, поскольку он включает много хладагентов, которые еще не включены в список допустимых заменителей Агентства по охране окружающей среды. По словам Маклиндена, холодильная промышленность активно разрабатывает новые легковоспламеняющиеся жидкости, и результаты настоящего исследования подтверждают этот курс. Заглядывая вперед, выводы исследования NIST указывают на необходимость признать и найти компромиссы при планировании на будущее, сказал он.
Например, как следует изменить коды безопасности, чтобы обеспечить безопасное использование легковоспламеняющихся хладагентов? Смеси различных хладагентов могут предложить компромисс между безопасностью и ПГП. Например, легковоспламеняющаяся жидкость с низким ПГП, смешанная с негорючей жидкостью с высоким ПГП, может привести к получению негорючей жидкости с умеренным значением ПГП, отметил Маклинден..