Не так страшен черт, как его малюют. Часть 2

Холодно, теплее, горячо

Семенов Ю.В., автор книги «Искусство хладотехники».

В первой части исследования [1] мы рассмотрели влияние фреонов и озоноразрушающих веществ (ОРВ) на озоновый слой.

Во второй части исследования мы рассмотрим влияние фреонов и других веществ на так называемое «глобальное потепление» и в связи с этим уделим также внимание международным соглашениям по климату.

 

1.    А был ли мальчик?

Лицом к лицу лица не увидать.

Большое видится на расстоянье.

Сергей Есенин

После подписания Монреальского протокола, призванного решить проблему с разрушением озонового слоя, международные экологические организации переключились на борьбу с «глобальным потеплением».

Главный вопрос начала 21-го века заключался в том, является ли наблюдаемое в 1990-е и последующие годы повышение глобальной температуры уникальным явлением в истории человечества, или были периоды с аналогичными температурами.

В первом докладе Межправительственной группы экспертов по изменению климата (МГЭИК, англ. Intergovernmental Panel on Climate Change, IPCC) [2], опубликованном в 1990 году, была приведена следующая иллюстрация (рис. 1), из которой следовало, что в средневековый теплый период (средневековый климатический оптимум) глобальная температура была выше, чем в 20-м веке. Затем последовал малый ледниковый период, после которого температура начала восстанавливаться.

Рис.1. Изменение глобальной температуры по [2]

Этот теплый период, подтвержденный документально, вызвал во всей Европе заметный рост населения и сельскохозяйственной продукции, способствовал экспансии в мало освоенные северные регионы. Теплый климат позволил викингам заселить Исландию и Гренландию и достичь берегов современной Канады. На этот же период приходится основание и расцвет многих древнерусских городов.

Но затем с иллюстрацией произошли метаморфозы. Сначала от нее отрезали левую часть, и во втором докладе МГЭИК [3] она уже выглядела как на рис.2.

Рис. 2. Изменение глобальной температуры по [3]

А в 2001 году [4] она уже имела абсолютно другой вид (рис. 3).

Те, кто знаком с экологической деятельностью нобелевского лауреата Альберта Гора, наверняка узнают в этом рисунке знаменитую «хоккейную клюшку» М. Манна.

Рис. 3. Изменение глобальной температуры по [3]

В 1998 году в первой статье М. Манна [5] была опубликована такая «клюшка» только для последних шести столетий, в следующем году в статье [6] она распространилась уже на последнее тысячелетие и приобрела знакомый нам вид.

Как оказалось впоследствии, в расчетах М.Манна были допущены принципиальные и грубые ошибки, в результате которых исчез как средневековый теплый период, так и следовавший за ним малый ледниковый период [7].

В 2009 году неизвестные лица распространили в интернете архивный файл, который содержал информацию, похищенную из отделения климатологии университета Восточной Англии. Содержание архива показало, что сторонники теории антропогенного глобального потепления скрывали «неудобную» информацию о климате, удаляли и искажали результаты наблюдений для того, чтобы подтвердить наличие глобального потепления, вызванного человеком. Разразившийся скандал получил громкое название «Климатгейт» [8].

В последнем докладе МГЭИК [9] кривая начинается с 1850 года и явно демонстрирует повышение температуры по сравнению с этим годом, то есть наличие глобального потепления.

Рис. 4. Изменение глобальной температуры по [9]

Вертикальная полоса справа показывает предполагаемую температуру в течение самого теплого многовекового периода по крайней мере за последние 100000 лет. Но текст под рисунком отсылает нас не к средневековому теплому периоду, а к периоду голоцена — межледникового периода, который был около 6500 лет назад.

Далее в [9] делается вывод, что глобальная температура с 1850-1900 годов повысилась примерно на 1,1 °C, и все потепление, наблюдавшееся в период с 1850-1900 по 2010-2019 годы, вызвано человеком.

Хотя, после знакомства с предыдущей «деятельностью» этой солидной организации, возникают очень большие сомнения в объективности как этого вывода, так и другой преподносимой ей информации, касающейся вопросов изменения климата.

Как сказал поэт, лицом к лицу лица не увидать. Находясь внутри процесса, мы не можем достоверно определить, обусловлено ли наблюдаемое в настоящее время повышение температуры естественным периодическим процессом, деятельностью человека или сочетанием первого и второго.

Наши далекие потомки, возможно, поставят окончательную точку в этом споре — большое видится на расстоянье.

Исходя из предположения, что глобальное потепление действительно существует и вызвано только хозяйственной деятельностью человека, оценим влияние на него фреонов и других газов, а также эффективность соглашений по климату и мероприятий, проводимых под эгидой международных экологических организаций.

 

2.    Глобальное потепление и парниковый эффект

Из всех факторов, определяющих климат Земли, важнейшим является Солнце. Еще в Древней Греции обратили внимание на то, что климат каждой территории прежде всего определяется средней высотой Солнца днем над горизонтом: на севере оно располагается ниже, на юге — выше. Да и само слово «климат» происходит от греческого klima — наклон Солнца [10].

Считается, что определяющую роль в глобальном потеплении играет усиление так называемого «парникового эффекта», который присутствует в земной атмосфере с незапамятных времен [10].

Парниковый эффект заключается в следующем. Земля получает энергию от Солнца преимущественно в ультрафиолетовой и видимой области спектра, а излучает в космос, главным образом, в инфракрасной области спектра (рис. 5). Присутствующие в атмосфере газы, поглощающие инфракрасное излучение, называются парниковыми газами (ПГ).

Парниковые газы «прозрачны» для видимых лучей, но интенсивно поглощают испускаемые нагретой поверхностью Земли инфракрасные, удерживая тем самым в атмосфере часть тепла. Поглощенная парниковым газом энергия переизлучается в основном вниз к земной поверхности и тем самым приводит к повышению температуры [10].

Благодаря наличию парникового эффекта стало возможно возникновение жизни на Земле. Он обеспечивает нам достаточно комфортное существование и в настоящее время. Согласно расчетам, при отсутствии парникового эффекта среднегодовая глобальная температура составляла бы около –18 °С, то есть примерно на 33 К меньше наблюдаемой сегодня [10].

Если бы человечество и выжило в таких условиях, то холодильная техника ему точно была бы не нужна (J).

 

3.    Основные парниковые газы

Эффективность, с которой газ способствует возникновению парникового эффекта, зависит как от его концентрации в атмосфере, так и от его способности поглощать инфракрасные волны (рис. 5) [11].

Рис. 5. Спектр поглощения радиации основными парниковыми газами [11].

В верхней части рисунка показано, как распределяется по длинам волн спектра (в микрометрах) количество приходящей (солнечной) и уходящей (инфракрасной) радиации.

На средней панели показано, какая часть радиации поглощается и рассеивается в атмосфере на этих волнах, а на нижней представлен вклад основных парниковых газов в это поглощение, а также рэлеевского рассеяния атмосферными аэрозолями.

Водяной пар имеет самый широкий спектр поглощения. Исключение составляет лишь один участок спектра (8‒13 мкм), называемый обычно «окном прозрачности». Здесь уходящая радиация не поглощается водяным паром и может уходить в космос. Окно прозрачности водяного пара практически совпадает с полосой максимального инфракрасного излучения, что позволяет другим парниковым газам также влиять на парниковый эффект.

Поэтому главным критерием значимости любого другого парникового газа является его способность эффективно поглощать инфракрасное излучение внутри «окна прозрачности» или вблизи его границ.

Как видно из рисунка, вторым по значимости парниковым газом является углекислый газ (CO₂) именно из-за того, что его полоса максимальной поглощающей способности расположена вблизи «окна прозрачности» водяного пара.

Озон поглощает как ультрафиолетовое приходящее излучение (в стратосфере), так и уходящее инфракрасное излучение (в тропосфере). Из-за этого тропосферный озон также рассматривают как парниковый газ [10].

 

3.1. Водяной пар

Водяной пар является главным парниковым газом. Он поглощает длинноволновую радиацию почти на всех частотах инфракрасного излучения и делает это намного интенсивнее прочих парниковых газов [10].

В отличие, например, от углекислого газа и метана, имеющих как антропогенные, так и естественные источники, водяной пар формируется в результате естественного круговорота воды в природе, и поэтому его не включают в список антропогенных парниковых газов. То же самое относится и к озону (как парниковому газу) [10].

Считается, что именно водяной пар, находящийся в атмосфере, поддерживает стабильность климата, а ответственность за усиление парникового эффекта ложится главным образом на остальные парниковые газы, имеющие антропогенные источники: углекислый газ (СО₂), метан (СН₄) и закись азота (N₂О) [10].

Расчеты показывают, что водяной пар ответственен чуть более чем за 50 %, облака — примерно за 25 %, а CO₂ — примерно за 20 % общего парникового эффекта [12].

Водяной пар, присутствующий в воздухе, также является причиной положительной обратной связи, увеличивающей парниковый эффект при росте температуры воздуха.

Как известно, давление насыщения (максимально возможное парциальное давление) водяного пара в воздухе зависит только от температуры [13], при повышении которой оно также увеличивается. То есть с увеличением температуры возрастает и способность воздуха к насыщению парами воды.

И если воздух контактирует с открытой поверхностью воды, то при росте температуры воздух будет увеличивать свое влагосодержание.

В метеорологии аналогом влагосодержания служит своя мера для измерения количества воды в столбе атмосферы — общее количество выпадающей в осадок воды (англ. total precipitable water, TPW). Если бы вся вода в этом столбе выпала в виде дождя, то высота слоя воды дала бы нам значение TPW в мм.

На следующем рисунке показано изменение TPW, приземной температуры воздуха T_2m (на высоте 2 м) и температуры поверхности T_S с 1958 по 2021 год по данным [14].

Рис. 6. Изменение TPW, T_2m и T_S [14].

Графики позволяют сделать вывод об одинаковых тенденциях в изменении как TPW, так и температур.

На рис. 7 представлены графики изменения концентрации с 1850 года по настоящее время основных парниковых газов, имеющих антропогенные источники: углекислого газа (CO₂), метана (CH₄) и закиси азота (N₂O) [9]. Рассмотрим эти газы поподробнее.

Рис. 7. Изменение концентрации основных парниковых газов [9].

3.2. Углекислый газ

Учитывая, что вклад CO₂ в парниковый эффект оценивается примерно в 20 %, увеличение концентрации CO₂ может оказывать сильное влияние на глобальное потепление [12].

Исследование кернов, полученных в результате глубокого бурения льда в Антарктиде, позволило получить данные об изменении температуры и содержания CO₂ в воздухе доисторического периода (рис. 8) [15].

Рис. 8. Изменение концентрации СО₂ и температуры [15].

Бросающаяся в глаза корреляция между данными привела в конце 20-го века к выводу о приоритетном влиянии содержания CO₂ в воздухе на его температуру. Хотя любому человеку, знакомому со статистикой, известно, что корреляция не означает однозначной зависимости и даже не позволяет утверждать, что является причиной, а что следствием.

Даже получение соответствия статистической модели не означает, что мы правильно понимаем процесс, вызывающий изменение, или даже что модель построена правильно [16].

В Киотском протоколе именно CO₂ стоит на первом месте в списке парниковых газов, подлежащих регулированию, то есть ограничению и сокращению эмиссии.

Но если исходить только из корреляции между эмиссией CO₂ и другими статистическими данными, то может быть предложен радикальный способ сокращения эмиссии CO₂, который вытекает из рис. 9 [17]. Но вряд ли с ним согласится подавляющее большинство населения Земли, может быть за исключением лиц, причисляющих себя к так называемому «золотому миллиарду».

Рис. 9. Изменение населения Земли и эмиссии СО₂ [17].

 

3.3. Метан

Все источники метана (СН₄) обычно делят на две большие группы: естественные и антропогенные. К первым относят потоки с поверхности заболоченных территорий, пресноводных водоемов, океанической поверхности, а также метан, образующийся в колониях термитов и выделяемый при сжигании огромных объемов биомассы в результате пожаров.

В число антропогенных источников входят потоки, попадающие в атмосферу при добыче ископаемого топлива, с мусорных свалок и сжигании бытовых отходов, очистке сточных вод, расширении сельскохозяйственных угодий (в том числе рисовых плантаций), при разведении крупного рогатого скота [11].

Молекула СН₄ эффективнее поглощает инфракрасное излучение, чем молекула СО₂ (см. таблицу 1). С начала индустриальной эпохи (около 1750 г.) содержание в атмосфере метана увеличилось более чем в два раза. При сохранении существующей тенденции уже в недалеком будущем вклад метана в усиление парникового эффекта может быть еще более весомым, учитывая огромное количество метана, который может выделиться, если начнется таяние вечной мерзлоты [11].

По радиационному форсингу (см. ниже) метан занимает второе место после СО₂, поэтому снижение антропогенных выбросов метана рассматривается в настоящее время как наиболее эффективный способ борьбы с глобальным потеплением [11].

 

3.4. Закись азота

N₂O поступает в атмосферу как из естественных (около 60 %), так и из антропогенных (приблизительно 40 %) источников, включая океаны, почву, сжигание биомассы, использование удобрений и различные промышленные процессы [10].

Концентрация оксида азота в атмосфере неуклонно возрастает с начала индустриального периода. Кроме того, в настоящее время N₂O стал основным озоноразрушающим газом [1].

Сравнение различных парниковых газов (ПГ) по влиянию на атмосферу специалисты в настоящее время производят по так называемому «радиационному форсингу».

 

4.    Радиационный форсинг

Для описания текущего радиационного состояния атмосферы специалисты по климату используют разность потоков коротковолнового (нисходящего) и длинноволнового (восходящего) излучения на уровне тропопаузы (границы раздела между тропосферой и стратосферой).

Радиационным форсингом (англ. radiative forcing) называют изменение этой разности вследствие изменения внешнего фактора, например, из-за увеличения концентрации парникового газа. Его величина (Вт/м²) вычисляется с помощью сложных математических моделей, позволяющих рассчитать как концентрации парниковых газов в атмосфере, так и поглощение длинноволнового излучения каждым из газов. Положительный радиационный форсинг свидетельствует о нагреве атмосферы, а отрицательный — о ее выхолаживании.

Естественный радиационный форсинг, обусловленный парниковыми газами, имеющими естественные источники, оценивается примерно в 155 Вт/м² (рис. 10) [18].

Рис. 10. Естественный радиационный форсинг по [18].

На водяной пар приходится более половины общего радиационного форсинга (плюс еще 15 % на облака), в то время как на другие газы (включая присутствующий в природе углекислый газ) приходится только 30% [18].

Дополнительный форсинг, обусловленный антропогенными парниковыми газами, нарушает баланс приходящего и уходящего излучения и приводит к росту температуры. Его сейчас рассматривают как основную причину «глобального потепления».

В 2004 году глобальные показатели всех долгоживущих ПГ, включая углекислый газ, метан, закись азота, CFC-фреоны (ХФУ) и десять второстепенных галогенных газов, были сведены в простой индекс — «годовой индекс парниковых газов» (AGGI), путем суммирования их значений [19]. За точку отсчета был принят базовый для Киотского протокола 1990 год, для которого AGGI равен 1.

На рис. 11 показано изменение радиационного форсинга для этих парниковых газов с 1979 по 2023 год (левая шкала) [20]. Правая шкала отражает значение AGGI.

Рис. 11. Радиационный форсинг и AGGI [20].

Как видно из рисунка, суммарный радиационный форсинг парниковых газов составляет в 2023 году около 3,5 Вт/м². Индекс AGGI в 2023 году составил 1,515, что говорит о том, что форсинг в 2023 году увеличился более чем в 1,5 раза по сравнению с базовым 1990 годом (2,3 Вт/м²).

На рис. 12 приведено распределение парниковых газов по их влиянию на радиационный форсинг на 2023 год [20], из которого ясно видно, что основными парниковыми газами являются CO₂, CH₄, N₂O и CFC-фреоны (R12 и т.п.). HCFC- фреоны (R22 и т.п.) и HFC-фреоны (R134a и т.п.) «нервно курят в сторонке».

Рис. 12. Вклад парниковых газов в радиационный форсинг [20].

 

5.    Потенциал глобального потепления (GWP)

Но для того, чтобы оценить и сравнить воздействие на глобальное потепление различных парниковых газов, присутствующих в атмосфере, нет необходимости использовать новомодные критерии, доступные только специалистам по климату.

Достаточно воспользоваться давно известной и официально публикуемой характеристикой — потенциалом глобального потепления (ПГП, англ. GWP). Наряду с озоноразрушающим потенциалом (англ. ODP) этот критерий давно применяется для оценки воздействия фреонов на климат [21].

Методика его оценки во многом схожа с вычислением озоноразрушающего потенциала (ODP), но имеет одно отличие. Если ODP оценивает эффект выброса газа за весь период его действия, то GWP — за предварительно оговоренный промежуток времени (20, 100 и 500 лет). Тем самым действие парниковых газов с различным временем жизни приводится к «одному знаменателю», что позволяет корректно сравнивать их воздействие.

В качестве эталонного газа при расчетах потенциала глобального потепления выбран углекислый газ, его принят GWP равным 1.

GWP соизмеряет воздействие на атмосферу равных масс парниковых газов и CO₂. При учете суммарных выбросов парниковых газов учет ведется по эквивалентному выбросу CO₂, в котором выбросы остальных газов имеют дополнительный «вес», равный их GWP.

На рис. 13 для парниковых газов, в том числе фреонов, присутствующих в атмосфере в достаточном количестве, приведены данные по изменению их концентрации с конца 1970-х годов по 2024 год [20].

Рис. 13. Концентрация антропогенных веществ, присутствующих в атмосфере [20]

Концентрация веществ измеряется в ppt (parts per trillion, 10^-12, одна часть на триллион)

В статье [1] автором была предложена методика оценки влияния присутствующих в атмосфере озоноразрушающих веществ на озоновый слой по их концентрации и ODP.

Аналогично мы можем определить вклад в глобальное потепление каждого из присутствующих на рис. 13 веществ, зная их GWP и концентрацию в атмосфере. И сравнить этот вклад с основными парниковыми газами.

В таблице 1 приведены данные по общему влиянию на глобальное потепление, равному произведению GWP на концентрацию в ppt, на 2022 год. Концентрация и GWP веществ взяты из официальных данных WMO [20].

Таблица 1. Взвешенное по ODP влияние ОРВ на разрушение озона

№ п.п.	Вещество	Концентрация	GWP 100 по WMO (2022)	GWP*ppt	% от Σ по поз. 1-15
1	R11	224.0 ppt	6410	1.44·106	0.25
2	R12	497.2 ppt	12500	6.22·106	1.10
3	CFC-113	68.9 ppt	6530	4.50·105	0.08
4	R22	247.8 ppt	1910	4.73·105	0.08
5	HCFC-141b	24.5 ppt	808	1.98·104	0.00
6	HCFC-142b	21.7 ppt	2190	4.75·104	0.01
7	HFC-134a	113.0 ppt	1470	1.66·105	0.03
8	HFC-152a	7.1 ppt	153	1.09·103	0.00
9	CCl4	77.6 ppt	2150	1.67·105	0.03
10	CH3Cl	549.4 ppt	6	3.30·103	0.00
11	CH3Br	6.68 ppt	2	13.4	0.00
12	SF6	10.3 ppt	24700	2.54·105	0.05
13	CO2	412.5 ppm	1	4.13·108	73.22
14	CH4	1879 ppb	27	5.07·107	9.01
15	N2O	333 ppb	273	9.09·107	16.14

Так как концентрация основных парниковых газов значительно превышает концентрацию остальных веществ, она измеряется в ppb (parts per billion, 10^-9, одна часть на миллиард) и ppm (parts per million, 10^-6, одна часть на миллион).

С учетом GWP и текущей концентрации в атмосфере вклад CO₂ составляет 73 %, N₂O — 16 %, CH₄ — 9 %, CFC-фреоны — 1,5 %, а остальных (Other)— менее 0,5 %.

На рис. 14 это соотношение представлено в наглядном виде.

 

Рис. 14. Распределение по взвешенному GWP веществ из таблицы 1

Как мы видим, вклад фреонов в глобальное потепление несоизмерим с влиянием основных парниковых газов. Учет GWP и концентрации перераспределяет роли основных парниковых газов — на второе место после CO₂ выходит N₂O.

 

6.    Общее эквивалентное воздействие на потепление (TEWI)

Фреоны могут попасть в атмосферу преимущественно двумя путями: при использовании в качестве аэрозолей и при утечках из холодильных установок и кондиционеров.

Но даже исправно работающая холодильная установка потребляет электроэнергию, при выработке которой выделяется определенное количество CO₂ и других парниковых газов.

Потребляют электроэнергию и те холодильные установки, которые работают на «натуральных» или новейших хладагентах, обладающих близким к нулю GWP.

И, как показывают расчеты, наибольшее влияние на глобальное потепление оказывает именно выработка электроэнергии для питания компрессорного и иного холодильного оборудования, а не утечки хладагента.

Методика расчета общих выбросов парниковых газов применительно к холодильной технике и кондиционированию воздуха была предложена давным-давно, но о ней сейчас предпочитают не вспоминать по причинам, о которых мы узнаем ниже.

Общее эквивалентное воздействие на потепление или сокращенно TEWI (от англ. Total Equivalent Warming Impact) — это показатель воздействия холодильного оборудования на глобальное потепление, основанный на общем объеме выбросов парниковых газов в процессе эксплуатации оборудования и утилизации рабочих жидкостей по истечении срока службы [21].

TEWI учитывает как прямые неорганизованные выбросы (утечки), так и косвенные выбросы, возникающие в результате потребления энергии при эксплуатации оборудования.

TEWI измеряется в единицах массы эквивалента CO₂ и состоит из двух компонентов:

—      Выбросы хладагента в течение срока службы оборудования, включая невозмещенные потери при окончательной утилизации.

—      Воздействие выбросов CO₂ при использовании ископаемого топлива, используемого для выработки энергии для работы оборудования в течение всего срока его службы.

В самом простом случае TEWI вычисляется следующим образом [21]:

где М — прямая эмиссия парникового газа в атмосферу, кг;

GWP — потенциал глобального потепления применяемого хладагента;

α — количество углекислого газа, выделяемое при производстве 1 кВт·час электроэнергии, кг/(кВт·час);

B — общее количество электроэнергии, потребленной холодильной установкой за время ее работы, кВт·час;

Прямая эмиссия М складывается из суммы утечек хладагента в атмосферу за время работы и потерь хладагента при утилизации холодильной установки или ретрофите.

Параметр α зависит от вида первичного источника энергии, используемого для выработки электроэнергии, и ориентировочно равен: 1,0 — для угля, 0,8 — для мазута, 0,5 — для газа, для гидро- и атомных электростанций принимается α = 0 [21]. Хотя существуют и более точные оценки [22].

Рис. 15. Эмиссия CO₂ при использовании различных источников энергии [22]

При выработке электроэнергии за счет сжигания ископаемого топлива второе слагаемое в формуле становится преобладающим и может достигать 0,95-0,98 от TEWI [22].

Параметр α может быть определен для конкретной страны или даже региона. Так, только в Испании этот параметр может различаться почти в 3 раза (от 0,331 до 0,932 кгCO₂ /(кВт·час)) [23].

Для энергетики параметр α — это не что иное, как углеродоемкость, которая показывает сколько грамм CO₂ выделяется при производстве 1 кВт·час электроэнергии [24]. Углеродоемкость зависит от сочетания первичных источников энергии, используемых для производства электроэнергии в данной стране или регионе.

На рис. 16 показана динамика углеродоемкости с 2010 по 2016 год в различных странах [24].

Рис. 16. Динамика углеродоемкости в различных странах [24]

В России углеродоемкость на 2016 год составляет менее 400 г CO₂ /(кВт·час), что является совсем неплохим показателем: ее опережают только страны ЕС и только за счет того, что во Франции более 70 % электроэнергии генерируется на атомных станциях [24].

Если учитывать углеродоемкость, то одинаковые холодильные установки, работающие на одном и том же хладагенте будут могут иметь большую разницу в TEWI, и по-разному воздействовать на глобальное потепление, если углеродоемкость в местах их установки сильно различается.

Для бытовых и легких коммерческих применений, независимо от региона сбыта, косвенный эффект представляет собой основной вклад в глобальное потепление, начиная от 95% до практически 100% от общего размера TEWI [22].

Оценка TEWI для разных проектных решений позволяет сделать вывод в целесообразности замены традиционного фреона на хладагент с низким GWP в холодильной установке, работающей в заданном регионе [25]. Эффект от замены может оказаться близким к нулю.

В качестве примера рассмотрим ситуацию с заменой R410A на R1234yf в тепловом насосе вода-воздух мощностью 30 кВт [25]. При разнице в GWP в 500 раз (2088 против 4), TEWI уменьшился только на 8 % с 43351 до 40027. При этом прямая эмиссия для R410A составила 9,42 %, а для R1234yf — 0, 02 % от TEWI. То есть при применении R1234yf практически весь вклад в глобальное потепление — это косвенный вклад от выработки потребляемой электроэнергии.

Этот и другие примеры показывают, что TEWI является более корректным параметром при выборе хладагента, чем GWP, так как применение в холодильной или климатической установке хладагента с близким к нулю GWP отнюдь не означает, что никакого влияния на климат эта установка на оказывает.

 

7.    А король-то голый!

Киотский протокол был призван ограничить выбросы перечисленных в нем парниковых газов: углекислого газа, метана, закиси азота, гидрофторуглеродов (HFC-фреонов), перфторуглеродов (PFC) и гексафторида серы.

Первые три позиции в списке — это основные парниковые газы, с ними все понятно. Обратим внимание на последний газ в списке — гексафторид серы (SF₆).

Этот газ обладает самым большим GWP из всех парниковых газов (таблица 2) — GWP100 = 24700, это в 2 раза больше у фреона R12, почти в 4 раза больше, чем у фреона R11, в 13 раз больше, чем у фреона R22 и в 17 раз больше, чем у фреона R134а.

При этом его время жизни в атмосфере составляет порядка 1000 лет, то есть он постепенно накапливается в атмосфере и никуда оттуда не исчезает.

Таблица 2. Экологические характеристики ПГ по WMO [20]

Газ	Концентрация в атмосфере	GWP 100 по WMO (2022)	Время жизни, лет WMO (2022)
CO2	412.5 ppm	1	-
CH4	1879 ppb	27	12
N2O	333.0 ppb	273	108
HFC-134a	113.0 ppt	1470	13,5
HFC-152a	7.1 ppt	153	1,5
SF6	10.3 ppt	24700	850-1280

 

Казалось бы, этому газу должно быть уделено особое внимание, но посмотрим на рис. 17, на котором показана динамика изменения концентрации SF₆ с года подписания Киотского протокола по 2023 год (по данным [26]).

Рис. 17. Изменение концентрации SF₆ по данным [26]

Концентрация с 1997 года увеличилась почти на 200 % и продолжает возрастать. Основным применением SF₆ является электротехника, где он является «незаменимым специалистом» по электроизоляции в высоковольтном оборудовании, поэтому он имеет еще одно название — элегаз.

Хотя существуют газы, по техническим характеристиками ему на уступающие [27], элегаз продолжает широко использоваться в электротехнике, якобы из-за отсутствия альтернативы, и никакие протоколы и поправки ему пока не страшны. Где бы найти таких покровителей и для R22?

Кстати, с момента подписания Киотского протокола концентрация в атмосфере основных парниковых газов по данным [26] также увеличилась (рис. 18), хотя и не так сильно, как элегаза.

Рис. 18. Изменение концентрации основных парниковых газов по данным [26]

 

8.    Фол последней надежды

Как показывают объективные данные [20, 26], ни Киотский протокол, ни Парижское соглашение пока не привели к каким-нибудь ощутимым результатам в борьбе с глобальным потеплением: концентрации основных парниковых газов и SF₆ продолжают увеличиваться, глобальная температура растет.

Осталось уповать только на Монреальский протокол. Так появилась Кигалийская поправка к Монреальскому протоколу, включившая ранее «озонобезопасные» HFC-фреоны в протокол.

Формальной причиной для их включения в протокол является их высокий GWP, якобы способствующий глобальному потеплению. По мнению авторов Кигалийской поправки, меры по постепенному снижению применения HFC-фреонов, предусмотренные поправкой, должны обеспечить замедление роста глобальной температуры.

Тем самым поправка меняет цель Монреальского протокола: вместо защиты озонового слоя целью становится смягчение глобального изменения климата.

Но, как мы увидели выше, вклад HFC-фреонов в глобальное потепление составляет около 1 % по радиационному форсингу (см. рис. 12), а по GWP и текущей концентрации в атмосфере и того меньше (см. рис. 14).

Возникает резонный вопрос: если в протокол включили, например R134a с GWP = 1470 и временем жизни в атмосфере меньше 14 лет, то почему тогда не включили SF₆, имеющий наибольший GWP (24700) вообще из всех газов и время жизни в атмосфере порядка 1000 лет.

Закись азота (N₂O), являющаяся одновременно ОРВ и ПГ, также до сих пор не регулируется Монреальским протоколом, хотя является в настоящее время основным ОРВ и эффективным ПГ.

Вспомним, что полное название Монреальского протокола — «Монреальский протокол по веществам, разрушающим озоновый слой». Кигалийская поправка включила в сферу действия протокола HFC-фреоны, которые на протяжении более тридцати лет позиционировались как «озонобезопасные» и по сути дела ими являются, так как они имеют равный нулю озоноразрушающий потенциал (ODP=0).

То есть после принятия Кигалийской поправки «Монреальский протокол по веществам, разрушающим озоновый слой» начал регулировать HFC-фреоны, которые озон не разрушают, и, по сути, изменил свое первоначальное назначение.

 

9.    Старый друг лучше новых двух

Существует ли выход из сложившейся патовой ситуации, созданной принятием Кигалийской поправки?

Да существует, и он изложен, например в [28]. Аналогичное решение используется для элегаза (SF₆), который до сих пор широко применяется, несмотря на свой огромный GWP.

Элегаз сохранили в качестве разрешенного к применению вещества из-за отсутствия доступного эквивалентного аналога, но при этом ввели обязательное условие по высокой герметичности газонаполненных высоковольтных аппаратов [28].

Это решение в Европе явилось также условием использования фторсодержащих озоноопасных и парниковых газов в бытовых и торговых агрегатах, для которых на рынке не нашлось эквивалентных альтернатив запрещенным к применению веществам. Юридической основой такого решения является закон о защите прав потребителей [28].

Основой для принятия грамотного решения создавшейся проблемы является новый текст Конституции Российской Федерации, в котором восстановлен приоритет жизни человека [28].

Очевидно, что почти 35-летний период поиска достойных альтернатив фреону R22 не привел к положительному результату, и надежд на появление веществ с аналогичным перечнем свойств практически нет [28]. По этой причине пока еще выпускающийся в России фреон R22, который хорошо изучен и подходит для использования как в климатической, так и в холодильной технике, является достойным выходом из сложившейся патовой ситуации [28].

В соответствии с законом о защите прав потребителей использование R22 при отсутствии эквивалентной альтернативы вполне законно и оправдано заботой о безопасности человека [28].

Приписываемая этому фреону большая роль в разрушении озонового слоя и глобальном потеплении сильно и целенаправленно преувеличена, поскольку первую скрипку здесь играют основные парниковые газы, на которые и должно быть направлено основное внимание борцов с глобальным потеплением.

А так как в качестве основного парникового газа, форсирующего глобальное потепление, рассматривается CO₂, одним из основных путей решения климатических проблем 21-го века является снижение углеродоемкости производства электроэнергии.

 

Выводы

Начавшееся в 90-е годы прошлого века и продолжающееся до настоящего времени повышение глобальной температуры (глобальное потепление) может не являться уникальным явлением в истории человечества и не определяться только антропогенными причинами.

Парниковый эффект присутствует в земной атмосфере с незапамятных времен и обеспечивает нам достаточно комфортное существование и в настоящее время.

Водяной пар является главным парниковым газом и поддерживает стабильность климата. Он также является причиной положительной обратной связи, увеличивающей парниковый эффект при росте температуры воздуха.

Подавляющее влияние на усиление парникового эффекта оказывают основные парниковые газы: углекислый газ (CO₂), метан (CH₄) и закись азота (N₂O). По разным оценкам их вклад составляет от 88 до 98 %. Концентрация этих газов продолжает увеличиваться, несмотря на подписанные международные соглашения.

Влияние остальных парниковых газов, присутствующих в атмосфере, пренебрежимо мало, кроме CFC-фреонов, вклад которых составляет от 1,5 до 9 %.

TEWI является более корректным параметром при выборе хладагента, чем GWP, так как учитывает косвенное влияние выбросов CO₂ при производстве электроэнергии, которые намного превышают прямой эффект от эмиссии хладагента.

Применение в холодильной или климатической установке хладагента с близким к нулю GWP не означает, что никакого влияния на климат эта установка на оказывает. Косвенное влияние при этом определяется углеродоемкостью производства электроэнергии, потребляемой установкой.

Основные пути решения климатических проблем 21-го века — снижение выбросов основных парниковых газов, а не борьба с фреонами, влияние которых на климат минимально.

Существующие исключения, например, применение элегаза (SF₆), позволяют найти выход из сложившейся патовой ситуации, вызванной принятием Кигалийской поправки. Решением может быть возврат к применению R22 в соответствии с законом о защите прав потребителей.

Снижение углеродоемкости производства электроэнергии приводит как к снижению эмиссии основных парниковых газов, прежде всего CO₂, так и к снижению косвенного влияния на климат работающих холодильных установок.

Снижение антропогенных выбросов CH₄ может рассматривается как наиболее эффективный способ борьбы с глобальным потеплением.

Снижение антропогенных выбросов N₂O — эффективный способ борьбы как с глобальным потеплением, так и с разрушением озонового слоя.

 

Литература

1.      Семенов Ю.В. Не так страшен черт, какего малюют. Часть 1: Озон нам друг, но истина дороже. — портал «Холодильная индустрия» (https://holodcatalog.ru/), 2025

2.      The First IPCC Scientific Assessment. — London: IPCC, 1990.

3.      The Second IPCC Scientific Assessment. — London: IPCC, 1996.

4.      IPCC, 2001: Climate Change 2001. Synthesis Report. — London: IPCC, 2001.

5.      Mann M.E., Bradley R.S., Hughes M.K. Global-scale temperature patterns and climate forcing over the past six centuries. Nature; 1998; 392: 779–787.

6.      Mann M.E., Bradley R.S., Hughes MK. Northern Hemisphere temperatures during the last millennium: inferences, uncertainties and limitations. Geophysical Research Letters; 1999; 26: 759–762.

7.      McIntyre S, McKitrick R. Corrections to the Mann et al. (1998) proxy data base and Northern Hemisphere average temperature series. Energy & Environment. 2003; 4:751–771.

8.      Montford A.W. The Hockey Stick Illusion: Climategate and the Corruption in Science. London: Stacey International, 2010.

9.      IPCC, 2023: Climate Change 2023: Synthesis Report. — Geneva: IPCC, 2023.

10.   Кароль И.Л., Киселев А.А. Парадоксы климата. — М.: АСТ-Пресс, 2013.

11.   Киселев А.А., Кароль И.Л. С метаном по жизни. — СПб.: Главная геофизическая обсерватория им. А.И. Воейкова, 2019.

12.   Schmidt G. A., Ruedy R.A., Miller R.L., Lacis A.A. Attribution of the present-day total greenhouse effect. Journal of Geophysical Research, Vol. 115, 2010.

13.   Справочное пособие АВОК «Влажный воздух». — М.: АВОК-ПРЕСС, 2004.

14.   Global total precipitable water variations and trends during 1958-2021 (https://doi.org/10.5194/hess-2023-301)

15.   Temperature Change and Carbon Dioxide Change. — NOAA National Centers for Environmental Information, 2021.

16.   Stratospheric Ozone Depletion and Climate Change. Edited by Rolf Mueller. — London: Royal Society of Chemistry, 2012.

17.   Вишератин К.Н. Парниковые и климатически активные газы в атмосфере Земли и методы измерений (аналитический обзор), 2020.

18.   T869 LECH-e Module1 Textbook 2012. Introduction to climate change in the context of sustainable development, 2012.

19.   https://gml.noaa.gov/aggi/

20.   WMO Greenhouse Gas Bulletin, No. 20 | 28 October. — Geneva: WMO, 2024.

21.   Цветков О.Б. Холодильные агенты. — СПб.: СПбГУНТиПТ, 2004.

22.   Maykot R., Weber G.C., Maciel R.A. Using the TEWI Methodology to Evaluate Alternative Refrigeration Technologies. International Refrigeration and Air Conditioning Conference. Paper 709, 2004.

23.   Intrucciones Hoja Cáclulo TEWI CNI-Instaladores. — Madrid: CNI, 2021.

24.   Углеродоемкость электроэнергии в мире и России. Энергетический бюллетень, выпуск № 72, май 2019.

25.   Makhnatcha P., Khodabandeha R. The role of environmental metrics (GWP, TEWI, LCCP) in the selection of low GWP refrigerant. Energy Procedia 61, 2460 – 2463, 2014.

26.   https://gml.noaa.gov/

27.   Dong W. and other. Introduction to Domestic and International Sulfur Hexafluoride (SF₆) Greenhouse Gas Emission Reduction Technologies for Power Grid Enterprises. E3S Web of Conferences 441, 03012, 2023.

28.  
Мазурин
И. М, Науменко С.Н. Применение европейского опыта при замене гидрофторуглеродов
в климатических установках на отечественном железнодорожном транспорте /Вестник
ВНИИЖТ. Т. 80. № 2. С. 118 – 123, 2021.