KE 5/2010, s. 12: Kylmätekniikka kehittyy kovaa vauhtia

Otsonikato, kasvihuoneilmiö ja energiatehokkuusvaatimukset ohjaavat kylmätekniikan kehitystä.

Kylmätekniikka on ollut melkoisissa muutoksissa jo parin kymmenen vuoden ajan. Pitkään kylmäaineina käytössä olleille ilmakehän otsonikerrosta tuhoaville niin sanotuille CFC-aineille eli freoneille (taulukko 1) jouduttiin käynnistämään vaihtoehtojen haku 1990-luvulla. Näitä 1930-luvulla löydettyjä yhdisteitä oli pidetty vuosia kaikissa suhteissa turvallisina.

Uusia vaihtoehtoja CFC-yhdisteille kehitettiin ja näytti jo siltä, että näistä ns. korvaavista kylmäaineista tietyt vakiintuvat käyttöön. Uutena haasteena kylmäala kohtasi kuitenkin melko pian ilmakehän kasvihuoneilmiön tuomat muutostarpeet. Lisäksi edessä ovat energiatehokkuuden tiukentuvat vaatimukset myös kylmäjärjestelmille.

Kasvihuoneilmiö kuriin

Merkittävimpiä kasvihuonekaasuja päästömääriensä perusteella ovat hiilidioksidi, metaani ja typpioksiduuli (N2O). Vaikka HFC-kylmäaineiden pitoisuus ilmakehässä on erittäin pieni osa edellisten kaasujen määrästä, niiden vaikutus on katsottu kuitenkin merkittäväksi. Syynä on niiden jopa monituhatkertainen tehokkuus auringon säteilyn absorptiossa.

Ilmakehän lämpenemisen vaarat katsottiin niin merkittäväksi, että kansainvälisellä Kiotossa 1997 aikaansaadulla, lopullisesti 2005 hyväksytyllä sopimuksella, pöytäkirjan ratifioineet teollisuusmaat sitoutuvat vähentämään vuosien 2000–2012 kasvihuonekaasupäästönsä alle tietyn prosenttiosuuden vuoden 1990 päästöistä. Ilmakehän lämpenemisen uhkaa pidettiin yhä vakavampana, ja Kioton tavoitteita yritettiin myöhemmin tiukentaa Kööpenhaminassa – valitettavasti vain heikolla menestyksellä.

Fluoria sisältävät F-kaasut eli HFC-yhdisteet ovat osana päästöjen vähentämisohjelmassa voimakkaan absorptiokykynsä takia. Toistaiseksi käytön määriä ei ole rajoitettu, mutta EU:ssa on voimassa ns. F-kaasudirektiivi. Suomessakin F-kaaasuasetusta soveltavan asetuksen 452/2009 perusteella F-kaasuja sisältävien laitteiden asennus ja huolto on sallittu vain luvan saaneille liikkeille ja henkilöille. Laitteet pitää myös tarkastaa ja huoltaa määrävälein vuotojen minimoimiseksi.

Tärkeimmät tällä hetkellä kylmäaineina käytettävät HFC-yhdisteet ja niiden seokset ovat HFC134a, R404A, R407C, R507A, R410A. HFC-kylmäaineiden tulevaisuutta ei varmasti pysty ennustamaan, mutta paineita niiden käytön vähentämiseen on edelleen. Tanska sai EU:lta erivapauden noudattaa EU:n ohjelmaa tiukempaa linjaa. Siellä HFC-aineet on kielletty kaikissa laitoksissa, jotka sisältävät kylmäainetta yli 10 kg.

Yhtenä merkkinä mahdollisesta suunnasta on EU:n autojen ilmastointilaitteita koskeva päätös: vuoden 2015 jälkeen uusissa autoissa sallitaan ainoastaan aineet, joiden kasvihuonevaikutusta kuvaava luku eli GWP on enintään 150. Tämä sulkee pois kaikki tällä hetkellä käytössä olevat yhdisteet, koska niiden GWP-arvot ovat 1500–4000. Paras korvaava ratkaisu on edelleen keskeinen ongelma autoteollisuudelle.

Takaisin luonnollisuuteen

Niin sanotuille luonnollisille kylmäaineille on asetettu suuret odotukset hiilivetyihin pohjautuvien aineiden aiheuttamien ongelmien takia. Luonnollisuudella tarkoitetaan näiden aineiden esiintymistä ympäristössä luonnostaan. Olennaista kuitenkin on, että ko. aineilla ei ole otsoni- eikä kasvihuonevaikutusta. Kylmäaineiksi soveltuvia ovat ammoniakki, hiilidioksidi ja hiilivedyt.

Ammoniakki on ensimmäisiä kylmäaineita ja ollut laajassa käytössä siitä alkaen. Kokemuksia käytöstä siten on pitkään erityisesti suurissa, ns. teollisissa kylmälaitoksissa. Kokemus ja tietämys ammoniakin kohdalla ovat tärkeitä sen myrkyllisyyden takia. Ammoniakki on kuitenkin monilta ominaisuuksiltaan erittäin hyvä kylmäaine. Hyvien ominaisuuksien takia sen käyttö on viime vuosina laajentunut Euroopassa (ei Suomessa) teollisuuden ulkopuolelle, mm. ilmastoinnissa, suurissa lämpöpumpuissa sekä myymälöiden kylmälaitoksissa.

Suomessa ammoniakkia kohtaan tunnetaan teollisten sovellutusten ulkopuolella kuitenkin valitettavasti tiettyä arkuutta. Ammoniakin riskejä voidaan minimoida suljetuilla, kompakteilla ja eristetyillä koneikoilla, joiden täytös on vain muutama kg. Mittatikkuna todettakoon, että suurimmissa teollisuuden kylmälaitoksissa voi olla ammoniakkia luokkaa 10 000 kg.

Hiilidioksidi on myös vanhastaan käytössä ollut kylmäaine, mutta siitä luovuttiin viimeisenä laivoissa 1950-luvulla, syinä silloisten koneikkojen raskaus ja tehottomuus. Uusi nousu alkoi ensimmäisenä autojen ilmastointilaitteiden kehittämisestä Norjassa 1993. Nopeasti käyttöalueet laajenivat pakastamoihin ja myymälöihin.

Yleisin elintarvikeketjuun liittyvä hiilidioksidin käyttökohde tänä päivänä on markettien jäähdytys. Järjestelmiä on Euroopassa rakennettu jo satoja. Osa ratkaisuista perustuu kahteen kylmäaineeseen: hiilidioksidi pakkaspuolen kylmäaineena sekä pluspuolen (lämpötila yli 0 oC) välillisen jäähdytyksen lämmönsiirron väliaineena. Tällöin pääjäähdytyskoneikon kylmäaine on jokin HFC-aine. Viime aikoina ovat myös täysin hiilidioksidiin perustuvat eli ns. transkriitilliset laitteistot yleistyneet muualla Euroopassa.

Suomi on tullut hiilidioksidin käyttöönotossakin junan perävaunussa. Ensimmäiset demokohteet saatiin rakennettua vuonna 2003, hiilidioksidin käyttöä kehittäneen tutkimushankkeen tuloksena. Sen jälkeen edistystä on tapahtunut hitaasti. Yrityksiä ei ole saatu riittävästi kiinnostumaan uusista kehityshankkeista. Vasta nyt noin vuoden aikana asenteet ovat olleet muuttumassa. Uusia myymäläkohteita on rakennettu ja rakenteilla useita.

Voidaan siis sanoa, että tekniikan opettelu on hyvällä alulla. Hiilidioksidi nimittäin poikkeaa ominaisuuksiltaan ”vanhoista” kylmäaineista, erityisesti korkean paineen takia. Muutamien muidenkin erojen takia koko toteutusketjussa suunnittelusta rakentamiseen ja käyttöön on opittava uusia asioita. Varsinkin alkuvaiheessa laitoksen hinta voi olla korkeampi kuin perinteisen järjestelmän. Oppimisen
myötä ja komponenttien valmistusmäärien lisääntyessä hinnat laskevat. Kehitys ainakin muualla Euroopassa on ollut nopeaa.

Hiilivedyt soveltuvat erityisesti pienlaitteisiin

Hiilivedyt ovat useassa suhteessa kylmäaineiksi hyvin soveltuvia. Suuresta joukosta mahdollisia hiilivetyjä käytössä ovat lähinnä propaani ja isobutaani.
Kotitalouden laitteissa, jääkaapeissa ja pakastimissa, hiilivedyt ovat olleet Euroopassa vakioratkaisu jo yli kymmenen vuoden ajan.

Pienlaitteissa ei hiilivetyjen palavuus ole erityinen riski, koska täytösmäärät ovat vain korkeintaan muutama kymmenen grammaa. Myös muissa pienlaitteissa, kuten juomien ja jäätelön myyntikalusteissa, hiilivedyt ovat yleistymässä. Suuremmissa laitteissa täytösmäärät voivat olla jo kymmeniä kiloja ja hiilivetyjen herkkä palavuus on erityisesti otettava huomioon suunnittelussa, rakentamisessa, huollossa ja sijoituksessa.

Kuitenkaan oikeilla ratkaisuilla eivät hiilivedyt ole mikään erityinen vaara. Esimerkiksi nestekaasu on huomattavasti suurempi potentiaalinen riski. EU:n kylmälaitedirektiivi antaa tarkat vaatimukset hiilivetyjen käytölle kylmälaitoksissa.
Tanskassa on jo joukko markettien kylmäjärjestelmiä käytössä, joissa on hiilidioksidi ja hiilivety koneikon väliaineina.

Seuraavaksi energiatehokkuus

Energia on niukkeneva resurssi, mikä nostaa hintaa. Määräystasolla energiatehokkuuden vaatimukset laajenevat ja tiukkenevat. Marketeissa jäähdytys kuluttaa 40–60 % sähköstä. EU:n energiatehokkuusdirektiivi tulee asettamaan suuret haasteet myös marketeille. Markettien kylmäkalusteiden energiakulutusta voidaan pienentää erilaisilla keinoilla (taulukko 3).

Sähkön säästö kalusteissa vaikuttaa kahteen kertaan: suorana säästönä ja vähentämällä jäähdytystarvetta. Kaikki kalusteisiin menevä sähkö nimittäin muuttuu lämmöksi ja on poistettava jäähdytyskoneistolla.

Kylmäaine ja energiatehokkuus ovat kytköksissä. Aineiden välillä on eroja sekä kasvihuonevaikutuksessa että energiatehokkuudessa. Huono energiatehokkuus lisää kasvihuonevaikutusta silloin, kun energia tai osa siitä tuotetaan kasvihuonekaasuja päästävällä tavalla. Vertailu ei ole yksinkertaista, sillä tarkastelu olisi ulotettava järjestelmän koko elinkaarelle, mukaan lukien sen rakentaminen ja purkaminen.

Vertailun helpottamiseksi on kehitetty mittareita, joista tunnetuin on TEWI-indeksi (Total Environmental Warming Impact), mikä kuitenkin sisältää vain laitoksen käytön aikaiset vaikutukset. Kylmäaineen ja järjestelmän valinta sekä suunnittelu ovat siis eräänlaista tasapainoilua ja vaativat hyvää osaamista.

Lämmön talteenoton ongelma on ollut usein kiinteistön kylmä- ja LVI-järjestelmän eri omistuspohja sekä erilaiset vaikeasti integroidut automaatiosysteemit. Kuitenkin huomattava osa kylmälaitoksen lauhdelämmöstä on hyödynnettävissä. Merkkejä positiivisesta kehityksestä kuitenkin on. On rakennettu jo järjestelmiä, joissa jäähdytys ja lämmitys on integroitu kokonaisuudeksi ja hyödynnetään jopa kallioon porattuja reikiä sekä jäähdytyksessä että lämmityksessä.

Teollisuuden jäähdytysjärjestelmissä on myös paljon mahdollisuuksia lämmön talteenottoon. Yksi ilmeisesti lisääntyvä tapa on kytkeä kylmäjärjestelmän lauhdutuspuolelle lämpöpumppu, jolla voidaan nostaa hyödynnettävän lämmön lämpötilatasoa. Parhaimmillaan tällaisen lämpöpumpun takaisinmaksuaika on 3–4 vuotta.

Antero Aittomäki
professori
Tampereen teknillinen yliopisto
antero.aittomaki(at)tut.fi

*****************************

Irti otsonihaitallisista aineista

Myöhemmin havainnoistaan Nobel-palkitut amerikkalaiset kemistit Sherwood Rowland ja Mario J. Molina esittivät 1974 hypoteesinsa, jonka mukaan jo aiemmin havaittu otsonin vähentyminen etelänavan yläpuolella johtui suurelta osin CFC-yhdisteistä. Syntipukiksi he esittivät näiden aineiden helpon hajoamisen ja niiden sisältämän kloorin vapautumisen ilmakehän yläosissa eli stratosfäärissä.

Kloori vaikuttaa katalyytin tavoin siirtäen otsonin synnyn ja hajoamisen tasapainoa pienempään otsonipitoisuuteen päin. Otsonikerroksen heikentymisen pahin seuraus on ilmakehän läpi pääsevän lyhytaaltoisen ultraviolettisäteilyn lisääntyminen. Otsonihan absorboi tätä voimakkaasti ja toimii näin suojana haitalliselle säteilylle.

Tämä Rowland-Molina-hypoteesi haluttiin melko pitkään asettaa kiistanalaiseksi, erityisesti ko. yhdisteitä valmistavan kemian teollisuuden taholta. Mittausten lisääntyessä oli kuitenkin kaikkien vähitellen tunnustettava teorian paikkansa pitävyys. Vastaavan tapainen, tosin heikompi ”otsoniaukko” havaittiin myöhemmin myös pohjoisnavan ympäristössä. Asia katsottiin kansainvälisestikin sen verran vakavaksi, että käynnistettiin ensimmäinen tuotannon ja käytön vähentämistä tavoitteleva ohjelma ns. Montreal-pöytäkirjalla 1987.

YK:n puitteissa aloitettiin myös laaja CFC-osa UNEP-ohjelmassa (ympäristön suojeluohjelma). Vähennysaikataulu tarkennettiin myöhemmin sopimuksin kolmasti. EU sitoutui omiin kansainvälistä ohjelmaa nopeampiin vähennystavoitteisiin.
Aiemmin yleisesti kylmäaineina käytetyt R11, R12 ja R502 olivat vain muutamia näistä otsonihaitallisista aineista (taulukko 2). Näitä klooria sisältäviä yhdisteitä käytettiin laajalti mm. aerosolien ponneaineina sekä liuottimina. Vielä haitallisempia vähennysohjelman piiriin otettuja olivat bromia sisältävät yhdisteet, joita käytettiin suuria määriä mm. viljelyn torjunta-aineina.

Kylmäainekäyttöön ”löydettiin pelastukseksi” edelleen klooria, mutta myös vetyä sisältävät HCFC-yhdisteet, joista tärkein oli R22, sinänsä vanha kylmäaine. Lisäksi kehitettiin joukko useamman yhdisteen sekoittamiseen perustuvia aineita, ns. seoskylmäaineita. Ajatus näiden vetyä sisältävien yhdisteiden pienemmästä haitasta pohjautui niiden nopeampaan hajoamiseen ilmakehässä molekyylin sisältämän suhteellisen heikon vetysidoksen takia. Tarkempien tutkimusten tuloksena kuitenkin myös HCFC-yhdisteet oli vähitellen todettava otsonihaitallisiksi.
EU:ssa otsonihaitallisten CFC-yhdisteiden käyttö loppui vuonna 2000.

HCFC-yhdisteiden käyttö päättyy kokonaan 2014. HCFC-kylmäaineita korvaamaan on pyritty löytämään joukko yhdisteitä, jotka eivät sisällä lainkaan klooria. Nämäkin ovat pääasiassa seoksia, joiden osina on HFC-yhdisteitä – siis vain hiiltä, vetyä ja fluoria sisältäviä. Näitä fluoripitoisia yhdisteitä kutsutaan yleisemmin F-kaasuiksi.
Otsonihaitallisten kaasujen vähentämisohjelma on esimerkki tehokkaasta ja menestyksellisestä kansainvälisestä yhteistyöstä, jonka tuloksena otsonikerroksen odotetaan vähitellen toipuvan. Tosin täydellinen palautuminen kestää kymmeniä vuosia, koska haitalliset aineet poistuvat stratosfääristä hitaasti.

Antero Aittomäki