К сожалению, все 27 жидкостей, признанных NIST лучшими с точки зрения рабочих характеристик, являются, по крайней мере, легковоспламеняющимися, что не допускается нормами безопасности США для большинства конечных пользователей. Некоторые жидкости из списка хладагентов являются легковоспламеняющимися, включая пропан, топливо для уличных грилей.Другими словами, исследование NIST не обнаружило идеального хладагента, который сочетал бы низкий «потенциал глобального потепления» (ПГП) — показатель того, сколько тепла улавливает газ при выбросе в атмосферу — с другими желательными характеристиками и функциями безопасности, такими как быть негорючим и нетоксичным. Результаты появятся в Nature Communications.
«Вывод заключается в том, что не существует идеальной и простой замены нынешним хладагентам», — сказал инженер-химик NIST Марк МакЛинден. «Приступая к исследованию, мы подумали, что обязательно должно быть что-то еще. Оказалось, не так уж много.
Так что это было немного удивительно, немного разочаровало».Чтобы помочь уменьшить глобальное потепление, почти 200 стран, включая США, 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 прекращение производства, признало сложный выбор, который необходимо будет сделать, чтобы выбрать замену. К счастью, теперь доступны новые ценные данные, подтверждающие эти решения.
«Дальнейший путь потребует компромиссов, — продолжил МакЛинден. «Нормы безопасности могут быть пересмотрены, чтобы разрешить использование легковоспламеняющихся хладагентов. Смеси двух или более жидкостей могут дать негорючий хладагент, но с более высоким GWP.
Двуокись углерода негорючая, но потребует полной модернизации оборудования переменного тока».Современные хладагенты — это гидрофторуглероды (ГФУ), которые являются «парниковыми газами» с высокими ПГП. Хотя их вклад в изменение климата в настоящее время невелик, ожидается, что он будет быстро расти вместе с использованием кондиционеров во всем мире. Монреальский протокол, договор, регулирующий вещества, разрушающие защитный озоновый слой Земли, первоначально стимулировал внедрение ГФУ в качестве замены ранее использовавшихся озоноразрушающих соединений.
Регулирующие органы США уже осознают сложность выбора новых хладагентов. Агентство по охране окружающей среды не установило конкретных пределов GWP, а скорее провело сравнительный анализ рисков для каждого хладагента и конечного использования.
Критерии включают атмосферные эффекты и связанные с ними последствия для здоровья и окружающей среды, риски для экосистем, риски для потребителей, воспламеняемость, стоимость и доступность.Чтобы помочь политикам и промышленности США понять ограничения и компромиссы, связанные с поэтапным отказом от ГФУ, NIST предпринял всесторонний четырехлетний поиск лучших однокомпонентных жидкостей для замены с низким ПГП. ПГП определяется как потенциал потепления одного килограмма газа по отношению к одному килограмму углекислого газа.
Исследование NIST было сосредоточено на возможных заменах жидкостей для небольших систем переменного тока, типичных для домов и малых предприятий. Смесь HFC под названием R-410A в настоящее время является самым популярным хладагентом в таких системах. Эти блоки переменного тока герметичны, что означает, что они не должны выбрасывать ГФУ в атмосферу.
Однако системы могут протекать, и когда они обслуживаются или выбрасываются, хладагент может улетучиться и не будет восстановлен и переработан, сказал МакЛинден.В ходе исследования была проверена база данных, содержащая более 60 миллионов химических веществ, свойства которых были оценены исключительно на основе их молекулярной структуры. Это основано на вычислительном методе, ранее разработанном в NIST.Поскольку все современные хладагенты представляют собой небольшие молекулы, поиск в NIST ограничивался молекулами с 18 или менее атомами и только с восемью элементами, которые образуют соединения, достаточно летучие, чтобы служить хладагентами.
В результате этого начального экрана было получено 184 000 молекул, подлежащих дальнейшему рассмотрению.
Скрининг на энергетические свойства, соответствующие жидкостям, используемым в небольших системах переменного тока, и GWP менее 1000 (обычно понимаются как эффекты за 100-летний период времени) дал 138 жидкостей. Затем исследователи смоделировали действие 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 GWP 3, что намного ниже, чем значение R-410A, равное 1924. Потенциальные хладагенты с самым низким ПГП включают аммиак, обычно используемый в крупных промышленных холодильных системах, но токсичный и легковоспламеняющийся, и диметиловый эфир, пропеллент и потенциальное топливо, которое лишь немного менее воспламеняется, чем пропан.
Углекислый газ имеет GWP, равный 1, и он негорючий, но для этого потребуется другой тип холодильного цикла, работающий при очень высоких давлениях. К другим соединениям с низким ПГП относятся гидрофторолефины, которые в настоящее время находятся в центре внимания промышленных исследований, но являются легковоспламеняющимися.Хотя в Соединенных Штатах нет конкретного предела GWP, даты отказа были установлены для некоторых из ГФУ с самым высоким GWP. (Хладагенты с ПГП менее 750 разрешены в Европейском Союзе для небольших систем переменного тока.)Список NIST может предложить новые идеи, поскольку он включает множество хладагентов, которые еще не включены в список приемлемых заменителей EPA.
По словам МакЛиндена, холодильная промышленность активно разрабатывает новые легковоспламеняющиеся жидкости, и результаты настоящего исследования подтверждают этот курс. Заглядывая в будущее, выводы исследования NIST указывают на необходимость признать и найти компромиссы при планировании будущего, сказал он.
Например, как следует изменить правила техники безопасности, чтобы обеспечить безопасное использование легковоспламеняющихся хладагентов? Смеси различных хладагентов могут предложить компромисс между безопасностью и GWP.
Например, легковоспламеняющаяся жидкость с низким ПГП, смешанная с негорючей, но с высоким ПГП, может привести к негорючей жидкости со средним значением ПГП, отметил МакЛинден.