Chladiaci systém na báze CO2 – udržateľná budúcnosť nielen hokejových hál
V júni 2019 uverejnil Medzinárodný olympijský výbor (MOV) tlačovú správu, v ktorej oznámil rozhodnutie čínskych organizátorov ZOH 2022 v Pekingu inštalovať na niekoľkých športoviskách chladiaci systém fungujúci na báze CO2. Rýchlokorčuliarsky ovál, aréna pre krasokorčuľovanie a šortrek a niekoľko tréningových hál sú prvé v celej Číne, ktoré vyrábajú ľad týmto spôsobom.
MOV uvádza, že tento spôsob výroby ľadu dokáže prispieť k redukcii uhlíkových emisií v rozsahu, aký za jeden rok vyprodukuje 3900 áut. Inými slovami, výroba ľadu v týchto športoviskách dokáže za rok znížiť emisie uhlíka o 26 miliónov kilogramov. Podľa vyjadrenia MOV podobná ročná redukcia emisií sa dá dosiahnuť výsadbou 1,2 milióna stromov.
Dlhá cesta k ekologickému chladeniu
Aj keď sa systém chladenia na báze CO2 zdá byť revolučným, jeho história siaha až na začiatok 20. storočia, keď sa vyvíjal spoločne s ostatnými spôsobmi chladenia a výroby ľadu. Na jeho vývoj sa však paradoxne zanevrelo a namiesto toho sa uprednostnili iné systémy, fungujúce na báze toxickejších a nebezpečnejších chladiacich zmesí.
Ide predovšetkým o systémy chladenia na báze chlor-fluorovaných uhľovodíkov (CFC) a hydrochlor-fluorovaných uhľovodíkov (HCFC). Tie sa stali veľmi populárnymi a bežne sa používali v chladničkách a mrazničkách. Ich najznámejšou podskupinou sú tzv. freóny. V 80. rokoch 20. storočia sa však zistilo, že freóny sú hlavnou príčinou vzniku ozónových dier. K ich vysokému potenciálu poškodzovania ozónovej vrstvy (ODP) sa pridáva aj vysoký potenciál globálneho otepľovania (GWP), ktorý sa u týchto chladív pohybuje rádovo v tisíckach. To znamená, že ich GWP je niekoľko tisícnásobne vyšší ako v prípade CO2.
Práve z týchto dôvodov došlo postupne k ich zákazu a nahrádzaniu inými, menej nebezpečnými látkami. Najskôr sa používali hydro-fluoro uhľovodíky (HFC), ktoré však boli v roku 2016 v rámci Kigalského dodatku k Montrealskému protokolu o látkach, ktoré poškodzujú ozónovú vrstvu tiež vyradené z používania, keďže napriek nulovému ODP mali mimoriadne vysoký GWP (14 800). Ich používanie tak postupne nahradzujú prírodné chladivá na báze hydrouhľovodíkov (napr. etán, propán, etylén, propylén, izobután a pod.), ktoré majú nulový ODP a neporovnateľne nižší GWP (napr. 6 v prípade etánu).
Populárny amoniak má zásadné nevýhody
Ako účinný a spoľahlivý spôsob chladenia sa ukázal systém využívajúci amoniak (chladivo R717), ktorý patrí tiež k prírodným chladivám a má dokonca nulový ODP aj GWP. Amoniak sa začal vo veľkom používať predovšetkým v priemyselných chladiacich systémoch, vrátane hokejových hál. Pri výrobe ľadu na športoviskách je jeho používanie dominantné až dodnes. Okrem vysokej účinnosti v širokom teplotnom spektre je jeho výhodou nízka cena.
Amoniak má však zásadné nevýhody v podobe toxicity, zápachu a určitej miery horľavosti. Je ľahší ako vzduch a pri jeho vdychovaní poškodzuje sliznicu (preto sa nepoužíva v chladničkách a mrazničkách). Jeho aplikácia tak musí podliehať prísnym reguláciám a bezpečnostným kontrolám, obzvlášť pri jeho používaní v husto obývaných oblastiach, čo do určitej miery sťažuje prevádzku systémov využívajúcich amoniak.
Práve z týchto dôvodov sa hľadali spôsoby chladenia, ktoré by dokázali vykazovať rovnaké ekologicky priaznivé parametre a zároveň umožňovali ich bezpečné použitie a prevádzku.
Na scénu sa dostal oxid uhličitý
K slovu sa tak postupne dostal opomínaný oxid (kysličník) uhličitý (CO2), ktorý má podobne ako amoniak nulový potenciál poškodzovania ozónovej vrstvy. Ako jedno z mála chladív má aj ultranízky potenciál globálneho otepľovania (GWP rovný 1), vďaka čomu sa stal akceptovanou novou alternatívou. V porovnaní s amoniakom navyše nie je toxický ani horľavý a vykazuje minimálne riziko úniku. Pri použití s väčšinou materiálov tiež nespôsobuje koróziu.
V porovnaní s amoniakom pracujú chladiace systémy na báze CO2 (chladivo R744) pri podstatne vyšších tlakoch, čo si vyžaduje príslušné technické vybavenie a zaškolený personál. Ich prvé verzie tiež neboli tak efektívne pri vyšších teplotách okolitého prostredia. Tento nedostatok by však už mal byť odstránený a jeho najnovšie verzie vykazujú porovnateľnú mieru spoľahlivosti.
Prečo hokejové haly postupne inklinujú k R744?
Chladiace systémy využívajúce amoniak a CO2 sú tak v mnohých ohľadoch porovnateľné. Zásadný argument, prečo prevádzkovatelia hokejových hál postupne inklinujú k chladivu R744, je však energetická efektivita, ktorú možno dosiahnuť pri celkovej prevádzke zimného štadióna.
Podľa magazínu Machine Design (pozri tu https://www.machinedesign.com/mechanical-motion-systems/article/21835854/why-ice-rinks-choose-carbon-dioxide-for-climate-control) spotrebuje priemerná hokejová hala vo Švédsku 1 milión kWh elektrickej energie a tepla za rok, z čoho 40 % spotrebuje práve chladiaci systém. Na porovnanie - jedna chladnička spotrebuje za rok 9596 kWh energie. Za predpokladu, že by bola v prevádzke 24 hodín denne, 7 dní v týždni, bolo by potrebných 42 chladničiek, aby sa vyrovnali chladiacemu systému na zimnom štadióne.
Jeden zo zimných štadiónov vo Švédsku nainštaloval chladiaci systém fungujúci na 100 % s využitím CO2. Vďaka spätnému využitiu odpadového tepla, ktoré systém produkuje, sa však prevádzkovateľom podarilo zredukovať spotrebu energie o 50 % až 60 %.
Magazín porovnáva systémy na báze amoniaku a CO2 z hľadiska odpadového tepla, ktoré dokážu uvoľňovať. Porovnanie prebiehalo pri kondenzačnej teplote 35 °C pre amoniak a tlaku 80 barov alebo 1160 psi pre CO2.
Graf ukazuje, že chladiaci systém na báze CO2 je lepšou alternatívou pre zimné štadióny z hľadiska spätného využitia tepla, keďže je z neho k dispozícii oveľa viac tepla pri vyšších teplotách. Napríklad pri teplote 35 °C sa dá zo systému na báze amoniaku spätne spotrebovať iba 20 % tepla. V prípade systému na báze CO2 je však možné pri rovnakej teplote spätne využiť až 60 % tepla.
Zdroj: Machine Design
Tieto argumenty potvrdzuje aj štúdia Jörgena Rogstama z Kráľovského technologického inštitútu v Štokholme. Podľa nej je priamy CO2 systém chladenia najefektívnejší s najnižšou spotrebou energie. V porovnaní s inými systémami má tiež vyšší potenciál úspory energie vďaka spätnému využitiu odpadového tepla (pozri https://www.researchgate.net/publication/287392551_Carbon_dioxide_in_ice_rink_refrigeration).
Priekopníkom je Kanada
K podobným zisteniam dospeli aj v Kanade, kde bol nainštalovaný vôbec prvý 100 % CO2 chladiaci systém v hokejovej hale na svete (Marcel Dutil Arena v Quebeku). V roku 2013 bola vykonaná rozsiahla porovnávacia štúdia chladiacich systémov v hokejových halách v Quebeku. V rámci štúdie sa porovnalo 12 typických chladiacich systémov, ktoré sú dostupné na trhu. Zistilo sa, že práve systém na báze CO2 (chladiva R744) je energeticky najefektívnejší (pozri https://www.nrcan.gc.ca/sites/www.nrcan.gc.ca/files/energy/pdf/comparative-study-arenas_EN.pdf).
V roku 2015 sa v Quebeku realizovala rekonštrukcia haly Dollard-des-Ormeaux Civic Center. Jej prevádzka tiež poukázala na výhody systému CO2 v porovnaní s amoniakom. Vzhľadom na to, že CO2 systém funguje pri vysokých tlakoch a tým aj teplotách, je možné odpadové teplo spätne využiť vo vysokoteplotnom vodnom okruhu (71 °C až 82 °C). CO2 môže tiež cirkulovať priamo v budove, na rozdiel od amoniaku, ktorý je príliš toxický. Vysoký prevádzkový tlak CO2 systému tiež znamená, že sa dokáže ľahko distribuovať.
Všetky tieto parametre umožnili spätné využitie zvyškového tepla na vykurovanie tribún, šatní hráčov, priestorov korčuliarskych hál a plavárne, i na ohrev teplej vody v celej budove, vrátane bazéna.
Hokejové MS 2022 na „zelenom“ ľade
V roku 2022 bude hostiteľom hokejových MS fínske mesto Tampere, kde sa buduje nová aréna pre 15-tisíc divákov. Organizátori uvádzajú, že pôjde o historicky prvé dejisko šampionátu s udržateľným certifikátom. K tomuto atribútu prispelo aj použitie chladiaceho systému na báze CO2, ktorý by mal prispieť k ekologickej a energeticky efektívnej prevádzke haly.
O jeho inštaláciu sa postarala fínska spoločnosť Suomen Tekojää Oy, ktorá má bohaté skúsenosti s chladiacimi systémami. Celkovo ich inštalovala viac ako 700 (z toho sú desiatky CO2 technológií) po celej Škandinávii, Európe ale tiež v Rusku. Jednu z technológií inštalovala aj vo Wukesong aréne v Pekingu, ktorá má byť dejiskom hokejového turnaja počas ZOH 2022.
Vďaka spolupráci Slovenského olympijského a športového výboru s fínskym NOV sa nám podarilo skontaktovať so zástupcom tejto spoločnosti Timom Mansikkaviitom. Ako nám vysvetlil, v prípade CO2 chladiacich systémov je potrebné rozlišovať dva typy – priamy a nepriamy.
Priamy systém distribuuje vysokotlakovú CO2 kvapalinu priamo do chladiaceho potrubia na ľadovej ploche. Nepriamy systém využíva CO2 iba na výrobu chladu, ale na jeho distribúciu do chladiaceho potrubia sa používa iná zmes, väčšinou v podobe glykolu alebo soľného roztoku.
Na základe ich skúseností je priamy systém o niečo efektívnejší, ale tiež drahší. Nepriamy systém sa dobre hodí aj na renovácie zimných štadiónov, keďže môže využiť už nainštalované chladiace potrubie na hracej ploche. Tým sa dokáže znížiť aj výsledná cena jeho inštalácie.
Náklady na inštaláciu priameho CO2 chladiaceho systému sa pohybujú na úrovni 380.000 eur (290.000 eur za chladiacu jednotku a 90.000 eur za inštaláciu nového medeného chladiaceho potrubia na ľadovej ploche). Cena nepriameho systému je 275.000 eur (220.000 eur chladiaca jednotka a 55.000 eur inštalácia nového plastového chladiaceho potrubia na ľadovej ploche).
Timo Mansikkaviito potvrdil, že moderné, riadne nainštalované CO2 systémy už dokážu dobre fungovať aj v teplých klimatických podmienkach a ich efektivita je porovnateľná so systémami na báze amoniaku. Zároveň potvrdil jeho vynikajúce vlastnosti z hľadiska spätného využitia odpadového tepla. V prípade prechodu zo starého systému chladenia na CO2 systém vyžaduje technológia priameho systému rovnaké množstvo priestoru, takže je relatívne ľahko vymeniteľná. Priestorové požiadavky nepriameho CO2 systému sú dokonca o polovicu menšie.
Zimné štadióny môžu prispieť k naplneniu uhlíkovo neutrálnych cieľov EÚ
Európska únia (EÚ) na sklonku minulého roka schválila záväzok znížiť svoje uhlíkové emisie do roku 2030 o 55 % (v porovnaní s rokom 1990). Tento zámer je ešte prísnejší a ambicióznejší, ako pôvodne zvažované 40-percentné zníženie emisií. V roku 2050 chce pritom EÚ dosiahnuť úplnú uhlíkovú neutralitu a urobiť tak z Európy prvý kontinent sveta, ktorý bude fungovať na tejto báze. Naplnenie tohto záväzku si pochopiteľne vyžaduje realizáciu celého radu opatrení naprieč všetkými sektormi hospodárstva. Ekologická a energeticky efektívna výstavba a prevádzka budov zohráva v tejto súvislosti tiež svoju dôležitú úlohu.
To sa týka aj športovísk. Medzi nimi práve zimné štadióny majú k dispozícii technológiu, ktorou sa k týmto uhlíkovo neutrálnym cieľom EÚ môžu pomôcť priblížiť.
Pochopiteľne, táto výzva stojí aj pred sektorom športu na Slovensku. V prípade, že by sa zimné štadióny u nás podarilo budovať a modernizovať s chladiacimi systémami na báze CO2, vrátane spätného využitia odpadového tepla, tento krok by sa mohol považovať za zaujímavý prínos slovenského športu k dekarbonizácii.
Príležitosťou na otestovanie tejto technológie u nás môže byť projekt športového centra v bratislavskom Ružinove, ktoré má vzniknúť rekonštrukciou zimného štadióna V. Dzurillu. Jeho súčasťou má byť aj nový 50-metrový bazén, ktorého vykurovanie počíta s využitím odpadového tepla z výroby ľadu. V prípade inštalácie priameho CO2 chladiaceho systému by bolo možné dosiahnuť environmentálne prijateľnú a energeticky efektívnu prevádzku celého objektu.
Na Slovensku máme v súčasnosti iba niekoľko desiatok zimných štadiónov. Ak však vezmeme do úvahy argument MOV z úvodu tohto príspevku, tento relatívne malý počet športovísk by sa pri využití nového systému chladenia dokázal svojím dekarbonizačným potenciálom vyrovnať vysadeniu desiatok miliónov stromov. Tento argument nepochybne stojí za zváženie a môže byť inšpiráciou pre Fond na podporu športu spolufinancovať takéto projekty a vypísať špeciálnu výzvu práve na tento účel.
