Zastosowanie CO2 w chłodnictwie – jaki ma wpływ na koszty i zużycie energii w przemyśle spożywczym?

Wybór technologii chłodniczej to decyzja na kilkanaście lat, a jej ciężar spada zwykle na dyrektora technicznego, który musi obronić rekomendację przed zarządem. Coraz częściej w tej rozmowie pojawia się pytanie o CO2 w chłodnictwie – czy dwutlenek węgla jako czynnik chłodniczy faktycznie obniża koszty eksploatacyjne, czy tylko dobrze wygląda w raporcie ESG? Ten artykuł porównuje CO2 z freonem i amoniakiem od strony, która interesuje osobę odpowiedzialną za budżet: zużycia energii, kosztów eksploatacji i tego, kiedy inwestycja się zwraca.

Dlaczego dwutlenek węgla wraca do łask w przemysłowych instalacjach chłodniczych?

Na wzrost popularności CO2 składa się kilka sił naraz, a regulacje są tylko jedną z nich.

Pierwsza to prawo. Rozporządzenie (UE) 2024/573 zaostrza politykę wobec fluorowanych gazów cieplarnianych – do 2030 roku ilość HFC wprowadzanych na rynek unijny ma spaść o 95% względem poziomu z 2015 roku, a do 2050 roku F-gazy mają zostać całkowicie wycofane. Dla operatora instalacji freonowej oznacza to rosnące ceny czynnika, malejącą dostępność i coraz węższe pole serwisowe. W imię ochrony środowiska Unię Europejską interesuje przede wszystkim ograniczenie efektu cieplarnianego, a syntetyczne czynniki o wysokim GWP – jako substancje najmocniej obciążające środowisko – w pierwszej kolejności podlegają ograniczeniom. Każda tona takiego czynnika, która trafi do atmosfery, to emisja liczona tysiącami ton CO2.

Druga to energia. Przy wysokich cenach prądu każdy punkt procentowy sprawności instalacji przemysłowej przekłada się na konkretne pieniądze w skali roku. Dobrze zaprojektowany układ na dwutlenku węgla, uzupełniony o odzysk ciepła, potrafi tę sprawność wyraźnie podnieść.

Trzecia to dojrzałość technologii. CO2 nie jest już eksperymentem – w ostatnich latach stał się rozwiązaniem powszechnie stosowanym w supermarketach i centrach dystrybucyjnych w całej Europie. Dostępność urządzeń, części i wykwalifikowanych ekip jest dziś nieporównanie lepsza niż dekadę temu. W naszym przypadku to ponad 1000 zrealizowanych instalacji na CO2 – doświadczenie, które pozwala patrzeć na tę technologię przez pryzmat praktyki, a nie folderu producenta.

Jak działa układ na naturalny czynnik chłodniczy R-744?

CO2 (oznaczany jako R-744) to naturalny czynnik chłodniczy o współczynniku GWP równym 1 – dla porównania, popularne freony mają GWP liczone w tysiącach. Jego właściwości termodynamiczne różnią się jednak zasadniczo od czynników syntetycznych i to one decydują o budowie instalacji przemysłowej.

Najważniejsza różnica dotyczy ciśnienia. CO2 pracuje pod znacznie wyższym ciśnieniem niż freon czy amoniak, co wymaga innych komponentów i innych standardów wykonania instalacji. Ma to jednak dobrą stronę: większa gęstość czynnika pozwala stosować mniejsze sprężarki, a mniejsze średnice ruruciągów rekompensują koszt większej wytrzymałości.

Druga różnica to punkt krytyczny. CO2 osiąga go przy stosunkowo niskiej temperaturze (ok. 31°C), więc przy wyższych temperaturach otoczenia układ przechodzi w tryb pracy transkrytycznej – powyżej punktu krytycznego czynnik nie skrapla się w klasyczny sposób. W chłodniejszym klimacie, takim jak polski, układ przez dużą część roku pracuje w korzystniejszym trybie subkrytycznym, co sprzyja efektywności. To jeden z powodów, dla których dwutlenek węgla dobrze sprawdza się w naszej strefie klimatycznej.

Warto też wiedzieć, że pod względem bezpieczeństwa dwutlenek węgla jest niepalny i – w przeciwieństwie do amoniaku – nietoksyczny. Wymaga jednak zastosowania systemu detekcji, czyli czujników monitorujących stężenie CO₂ w powietrzu, ponieważ w wysokim stężeniu gaz ten wypiera tlen.

Jeżeli szukasz pełniejszego wprowadzenia do samej technologii, opisaliśmy ją w osobnym tekście: Chłodnicze instalacje CO₂ – kompletny przewodnik dla firm.

Czynnik chłodniczy a zużycie energii – co pokazują liczniki?

Nowoczesny układ CO2 potrafi zużywać wyraźnie mniej energii niż stara instalacja freonowa – i mamy na to dane z eksploatacji, nie z estymacji.

W jednej z naszych realizacji, modernizacji hali handlowej o powierzchni chłodzonej ok. 2 200 m², zamieniliśmy układ freonowy na instalację na dwutlenek węgla przy zachowaniu ciągłej pracy obiektu. Porównanie miesięcznego zużycia energii przed i po pokazało redukcję rzędu 35-45% w większości miesięcy. W ujęciu rocznym dało to ponad 430 tys. zł oszczędności na samej energii elektrycznej (przy założeniu 1 zł/kWh). Co istotne dla osoby, która wcześniej liczyła ROI: realne zużycie okazało się o 10,5% niższe niż prognoza projektowa – system pracuje bardziej efektywnie niż zakładaliśmy.

Skąd biorą się te oszczędności? W dużej mierze z rozwiązań, które w nowoczesnym układzie CO2 pracują razem:

• ejektory (cieczowe i gazowe) – odzyskują część energii sprężania i poprawiają efektywność, zwłaszcza w pracy transkrytycznej; wdrożyliśmy je jako jedni z pierwszych w Polsce,
• tryb częściowo zalanych parowników – podnosi temperaturę odparowania bez utraty wysokiej wydajności chłodniczej, lepiej wykorzystując powierzchnię wymiany ciepła,
• regulacja prędkości wentylatorów i sterowanie dopasowane do stref.

W drugiej realizacji, zintegrowanym systemie dla centrum logistyczno-magazynowego o powierzchni ok. 19 200 m² z czterema strefami temperaturowymi (od -24°C do ponad +16°C), według szacunków sama praca ejektorów cieczowych i gazowych odpowiada za 8-10% oszczędności energii. Roczne zużycie energii elektrycznej przez chłodnictwo i instalacje odzysku ciepła wyniosło tam ok. 870 000 kWh – o 10% mniej niż zakładano na etapie przetargu.

To dobrze pokazuje szerszą prawidłowość: zużycie energii zależy nie tylko od czynnika, ale od tego, jak zaprojektowano całą instalację.

O tym, co konkretnie potrafi zwiększyć rachunki, pisaliśmy w artykule 10 problemów instalacji chłodniczych, które zwiększają zużycie energii.

Odzysk ciepła – drugi rachunek, o którym łatwo zapomnieć

Ciepło odpadowe z pracy sprężarek to darmowa energia, którą w układzie CO2 można wykorzystać, zamiast wypuścić w atmosferę. To często pomijany element rachunku, a potrafi wywrócić kalkulację opłacalności.

W modernizacji hali handlowej odzysk ciepła zasilił przygotowanie ciepłej wody użytkowej i wspomaganie ogrzewania obiektu. W ciągu roku wykorzystano ok. 47 600 kWh energii cieplnej, co przełożyło się na blisko 19,5 tys. zł oszczędności na gazie ziemnym. Sama instalacja odzysku zwróciła się w ok. 3,5 roku.

W centrum logistycznym poszliśmy dalej: agregat CO2 jest jedynym źródłem ciepła całego budynku. Ciepło odpadowe zasila tam ciepłą wodę użytkową, ogrzewanie podłogowe biur, nagrzewnice central wentylacyjnych, aparaty grzewczo-wentylacyjne w magazynie oraz rozmrażanie chłodnic. Ten sam agregat przygotowuje też wodę lodową na potrzeby chłodzenia powierzchni biurowych. Jedno urządzenie, które chłodzi i ogrzewa – a przy okazji eliminuje potrzebę budowy odrębnego źródła ciepła.

CO2, freon i amoniak – porównanie technologii

Nie ma jednego zwycięzcy – każdy czynnik chłodniczy ma pole, w którym wypada najlepiej. Poniższa tabela zestawia trzy najczęściej rozważane technologie w chłodnictwie przemysłowym.

W praktyce technologie te bywają łączone. W chłodnictwie przemysłowym o bardzo dużych mocach spotyka się systemy kaskadowe, w których amoniak obsługuje stopień wysoki, a CO2 – niski. Takie układy kaskadowe łączą wysoką efektywność amoniaku z bezpieczeństwem dwutlenku węgla w przestrzeniach dostępnych dla ludzi. W związku z tym istnieją obiekty, w których optymalnym rozwiązaniem jest nie jeden czynnik, lecz ich połączenie. To pokazuje, że współczesna technika chłodnicza rzadko sprowadza się do wyboru jednego czynnika – liczy się dobór do konkretnego obiektu oraz do wymogów danego układu chłodniczego.

CAPEX kontra OPEX – kiedy dwutlenek węgla się zwraca?

Instalacja na CO2 bywa droższa niż freonowa, ale niższe koszty energii i serwisu obniżają całkowity koszt posiadania. Patrzenie wyłącznie na nakład inwestycyjny to najczęstszy błąd w tej kalkulacji.

Po stronie CAPEX dwutlenek węgla wypada zwykle drożej od freonu – komponenty muszą wytrzymać wysokie ciśnienie, a wykonanie wymaga większej precyzji, ale to tylko część rachunku. Po stronie OPEX układ CO2 punktuje na kilku polach naraz: niższe zużycie energii, tańszy i stabilnie dostępny czynnik oraz brak rosnących opłat, które obciążają freon. Rozporządzenie F-gazowe wprowadza między innymi opłatę za kontyngenty HFC (rzędu 3 EUR za tonę ekwiwalentu CO2), a ceny samego czynnika rosną wraz z kurczeniem się podaży. W dalszej perspektywie użytkowania instalacja freonowa staje się więc coraz droższa w utrzymaniu.

Odzysk ciepła potrafi zmienić tę kalkulację jeszcze bardziej. W centrum logistycznym rezygnacja z klasycznego źródła ciepła na rzecz odzysku z agregatu CO2 dała ok. 150 tys. zł oszczędności rocznie w porównaniu z zasilaniem z sieci ciepłowniczej. Do tego doszła oszczędność na samej inwestycji – budowa węzła cieplnego z przyłączem to koszt rzędu 450 tys. zł, którego tu w ogóle nie poniesiono, bo ciepło pochodzi z instalacji chłodniczej. Dodatkowo obiekt wyposażono w instalację fotowoltaiczną, która pokrywa średnio ok. 24% rocznego zapotrzebowania chłodnictwa na energię elektryczną, a w słoneczne dni potrafi zejść z poborem z sieci niemal do zera.

Kiedy CO2 ma sens, a kiedy lepszy jest inny czynnik?

CO2 sprawdza się w mniejszych i średnich instalacjach przemysłowych, np. dla przemysłu spożywczego; amoniak – w bardzo dużym przemyśle; freon jest stopniowo wypierany.

Dwutlenek węgla sprawdza się najlepiej tam, gdzie występuje jednoczesne zapotrzebowanie na mrożenie i ciepło. To profil typowego supermarketu, hali cash & carry czy centrum logistycznego dla branży spożywczej. Połączenie niskiego GWP, zgodności z regulacjami i odzysku ciepła daje tu wymierny, pozytywny wpływ na koszty i na wskaźniki ESG. Ze względu na te cechy CO2 zyskuje coraz szersze zastosowanie w polskim handlu.

Amoniak pozostaje mocnym wyborem w wielkoskalowym chłodnictwie przemysłowym – chłodniach składowych i zakładach o bardzo dużym zapotrzebowaniu na moc chłodniczą, gdzie jego wysoka efektywność ma największe znaczenie. Ograniczeniem jest bezpieczeństwo: toksyczność i palność, które wymuszają strefowanie, detekcję i ścisłe procedury (m.in. konieczność dozoru 24/7), co nie zawsze da się pogodzić z obiektem dostępnym dla klientów.

Freon w nowych instalacjach traci sens ekonomiczny. Nie oznacza to konieczności natychmiastowego demontażu – regulacje dotyczą wprowadzania nowych urządzeń do obrotu, a nie serwisu już pracujących układów. Ale każda nowa instalacja freonowa oznacza wybór technologii, w której w kolejnych latach czynnik będzie drożał, a serwis – coraz trudniejszy do zapewnienia. Dochodzą do tego rosnące opłaty środowiskowe: kary za nieszczelność zbiorników mogą sięgać nawet kilkunastu tysięcy złotych.

Jeżeli rozważasz wymianę bez przerywania pracy obiektu, praktyczne wskazówki zebraliśmy w artykule Wymiana instalacji chłodniczej w działającym obiekcie – jak to zrobić?.

Podsumowanie

Przy rosnących cenach energii i zaostrzających się regulacjach dwutlenek węgla jest dziś przyszłościowym wyborem dla większości obiektów w handlu i przemyśle spożywczym. Niższe zużycie energii, tani i dostępny czynnik, odzysk ciepła obniżający OPEX oraz zgodność z prawem to argumenty, które bronią się na poziomie zarządu – o ile instalacja jest dobrze zaprojektowana pod konkretny obiekt. Bo to projekt, a nie sam czynnik, decyduje o tym, ile realnie zaoszczędzisz.

Dobór technologii warto oprzeć na audycie technicznym, który zestawi zużycie starej i nowej instalacji oraz policzy zwrot z inwestycji dla Twojego obiektu. Jako firma bez umów wyłączności z dostawcami rekomendujemy rozwiązanie optymalne dla klienta, a nie dla jednego producenta.

Umów bezpłatną konsultację z ekspertem NARS – pomożemy ocenić, która technologia chłodnicza ma sens dla Twojego obiektu i ile możesz na niej zaoszczędzić.