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 układzieCO₂ 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.