สารทําความเย็นรุ่นต่อไป: สํารวจ CO2 เป็นทางเลือก
การเลือกสารทําความเย็นที่เหมาะสมเป็นสิ่งสําคัญในการออกแบบระบบทําความเย็นเชิงพาณิชย์และอุตสาหกรรม

โดย Matthew Martinez, P.E., วิศวกรโครงการเครื่องกล และ Ben Davis, P.E., วิศวกรโครงการเครื่องกล
วันที่ 21 ตุลาคม 2024

บทนำ

ในปัจจุบันมีการใช้งานสารทำความเย็นในระบบต่างๆ มากมาย โดยสารทำความเย็นช่วยถ่ายเทความร้อนได้อย่างมีประสิทธิภาพในหลากหลายการใช้งาน ทั้งในภาคอุตสาหกรรมและผู้บริโภค เช่น ระบบทำความเย็นและการแลกเปลี่ยนความร้อน ไปจนถึงการผลิตอาหารและยาในโรงงานแปรรูปและห้องเย็น อย่างไรก็ตาม แม้ว่าสารทำความเย็นจะมีความสำคัญ แต่สารเหล่านี้อาจส่งผลกระทบต่อสิ่งแวดล้อมอย่างมาก

วิวัฒนาการของสารทำความเย็น

ในช่วงปลายศตวรรษที่ 19 และต้นศตวรรษที่ 20 สารทำความเย็นยุคแรก เช่น คาร์บอนไดออกไซด์ (CO2/R744) และสารทำความเย็นธรรมชาติอื่นๆ เช่น แอมโมเนียและโพรเพน ถูกพัฒนาขึ้นโดยคำนึงถึงความสะดวกและการใช้งาน ต่อมามีการพัฒนาสารทำความเย็นสังเคราะห์ที่มีประสิทธิภาพและสามารถผลิตได้ในปริมาณมาก ซึ่งเป็นสารทำความเย็นยุคที่สอง แม้จะมีความปลอดภัยต่อมนุษย์มากขึ้น แต่สารเหล่านี้กลับทำลายชั้นโอโซน ทำให้ต้องมีการออก "พิธีสารมอนทรีออล" เพื่อลดการใช้สารทำความเย็นที่มีศักยภาพในการทำลายโอโซน
‍

ปัจจุบัน โลกกำลังก้าวเข้าสู่ยุคเปลี่ยนผ่านของสารทำความเย็นอีกครั้ง โดยสารทำความเย็นยุคที่สามกำลังถูกลดปริมาณลงและแทนที่ด้วยสารทำความเย็นยุคที่สี่ โดยคำนึงถึง ค่า GWP (Global Warming Potential - GWP) อย่างไรก็ตาม สารเหล่านี้มักเป็นสารที่ติดไฟได้เล็กน้อย (A2L) ตามการจำแนกของ ASHRAE และมีราคาสูง ในขณะเดียวกัน CO2 ก็กลับมาเป็นที่สนใจอีกครั้งในฐานะตัวเลือกที่ยั่งยืนและมีต้นทุนต่ำ
‍

CO2 สามารถดึงจากโรงไฟฟ้าที่ใช้เชื้อเพลิงฟอสซิลในการผลิต การใช้ CO2 เป็นสารทําความเย็นอาจเป็นผลพลอยได้ที่ดีที่โรงไฟฟ้าสามารถนำมาลดคาร์บอนเครดิตได้อีกด้วย นอกจากนี้มีการเปิดตัวกฎระเบียบเฉพาะอุตสาหกรรมใหม่ของสํานักงานคุ้มครองสิ่งแวดล้อมแห่งสหรัฐอเมริกา (EPA)ที่มีนโยบายใหม่ที่สําคัญ (SNAP) กำหนดว่า บริษัทและองค์กรต่างๆ ต้องพิจารณาใช้ทางเลือกที่เป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อมเป็นสำคัญ ทั้งในระบบเครื่องปรับอากาศ ระบบทำความเย็นและระบบฮีทปั๊ม ในกรณีของอาคารเก่า ซึ่งจําเป็นต้องมีการปรับปรุงระบบปรับอากาศ อาจเป็นการดีที่จะพิจารณาเปลี่ยนระบบทําความเย็นของโรงงานเก่าเป็น CO2 ในระยะยาวภาคอุตสาหกรรมควรสร้างสมดุลระหว่างแรงจูงใจในการดักจับ CO2 จากโรงไฟฟ้าเชื้อเพลิงฟอสซิลกับความจําเป็นในการลดแรงจูงใจในการใช้เชื้อเพลิงเหล่านั้น อุตสาหกรรมเครื่องทําความเย็นสามารถทําได้โดยแสวงหาแหล่งสารทําความเย็น CO2 จากโครงการ Direct Air Capture (DAC) แม้ว่านั่นอาจเป็นข้อจํากัดด้านต้นทุนที่สําคัญอีกประการหนึ่งสําหรับการนํา CO2 มาใช้เป็นสารทําความเย็น
‍

CO2 มี GWP เท่ากับ 1 นอกจากนี้ยังมีศักยภาพในการทําลายโอโซนเป็น 0 ซึ่งหมายความว่าจะไม่สลายชั้นโอโซน  เนื่องจาก CO2 นั้นมีอยู่ทั่วไปในชั้นบรรยากาศและมีการใช้เชื้อเพลิงฟอสซิลอย่างแพร่หลาย ดังนั้นปริมาณของ CO2 ในชั้นบรรยากาศจึงมีอยู่มากมาย
‍

ยกตัวอย่างเช่น เมื่อพิจารณาระบบทําความเย็นที่มีสารทําความเย็น 10,000 ปอนด์ ในกรณีที่เกิดการรั่วไหลอย่างรุนแรง ระบบที่ใช้ CO2 จะส่งผลกระทบต่อ GWP เท่ากับ CO2 10,000 ปอนด์ (CO2eq) อย่างไรก็ตาม สําหรับระบบที่ใช้สารทําความเย็นที่เพิ่งเลิกใช้เมื่อเร็วๆ นี้ เช่น R-507 ระบบ 10,000 ปอนด์เดียวกันนี้จะส่งผลให้เกิดผลกระทบ GWP ที่ 39.9 ล้านปอนด์ CO2eq หรือคาร์บอนฟุตพริ้นท์ต่อปีที่เทียบเท่ากับพลเมืองสหรัฐฯ โดยเฉลี่ยมากกว่า 1,000 คน
‍

ผลกระทบของ CO2 ทางสังคมและความปลอดภัย

ในงานด้านอุตสาหกรรมและเชิงพาณิชย์ ความปลอดภัยของผู้ใช้เป็นมากกว่าข้อกําหนดที่ต้องปฏิบัติตาม มันยังเป็นส่วนสําคัญที่ทำให้โครงการต่างๆ ประสบความสําเร็จและแสดงถึงชื่อเสียงของ บริษัท และความเป็นอยู่ที่ดีของพนักงาน CO2 ไม่ติดไฟและไม่เป็นสารพิษ ดังนั้นจึงสามารถลดความเสี่ยงด้านความปลอดภัยได้ การออกแบบหรือปรับปรุงระบบเดิมที่มีอยู่ให้เปลี่ยนมาใช้ CO2 เป็นการออกแบบที่คํานึงถึงความปลอดภัยเป็นอันดับแรก รวมถึงการลดความเสี่ยงและอันตรายที่อาจเกิดขึ้นจากการรั่วไหลของสารทำความเย็นได้
‍

สิ่งสําคัญคือต้องพึงระวังไว้ คือ CO2 ทํางานภายใต้แรงดันที่สูงขึ้นเมื่อเทียบกับสารทําความเย็นอื่นๆ ดังนั้นระบบที่ใช้ CO2 ต้องใช้ท่อที่หนากว่า ส่วนประกอบที่แข็งแรงกว่า และอุปกรณ์โดยรวมที่ทนทานกว่า สิ่งนี้เน้นย้ําถึงความสําคัญของการเป็นพันธมิตรกับทีมออกแบบและวิศวกรรมที่คุ้นเคยกับการออกแบบเฉพาะและข้อกําหนดของระบบสําหรับระบบ CO2
‍

แม้ว่าการลงทุนเริ่มต้นในการนำ CO2 มาใช้เป็นสารทำความเย็นในระบบที่มีอยู่หรือระบบใหม่อาจมีต้นทุนสูง ผู้ที่เริ่มใช้ก่อนสามารถได้รับประโยชน์จากเศรษฐกิจที่เกิดจากการผลิตในปริมาณมาก (Economies of Scale) เมื่อเวลาผ่านไปและเมื่อข้อบังคับต่าง ๆ มีการปรับปรุง การลงทุนเริ่มต้นนี้อาจให้ผลตอบแทนที่คุ้มค่าในระยะยาว นอกจากนี้ CO2 ยังมีคุณสมบัติทางอุณหพลศาสตร์ที่เป็นเอกลักษณ์ ซึ่งอาจนำไปสู่การเพิ่มประสิทธิภาพโดยรวมเมื่อเทียบกับสารทำความเย็นรุ่นที่สี่ที่ใหม่กว่า
‍

CO2 มีความหนืดจลน์ต่ำในสถานะของเหลว แม้ในอุณหภูมิต่ำ ทำให้ลดพลังงานที่จำเป็นในการขับเคลื่อนระบบ นอกจากนี้ CO2 ยังมีค่าการนำความร้อนและพลังงานต่อหน่วยปริมาตรที่สูง ซึ่งหมายความว่าในปริมาตรเดียวกัน CO2 สามารถถ่ายเทความร้อนได้มากกว่าสารทำความเย็นสังเคราะห์แบบดั้งเดิม หรือแม้กระทั่งแอมโมเนีย
‍

สิ่งนี้ทำให้ระบบทำความเย็นที่ใช้ CO2 จำเป็นต้องได้รับการออกแบบให้รองรับแรงดันที่สูงกว่ามาก (สูงถึง 2,000 ปอนด์ต่อตารางนิ้ว ขึ้นอยู่กับประเภทของระบบ) อย่างไรก็ตาม ขนาดโดยรวมของระบบ รวมถึงท่อ การกระจัดของคอมเพรสเซอร์ และวาล์ว สามารถลดลงได้
‍

การใช้งานในปัจจุบันและอนาคต

เนื่องจากความซับซ้อนของระบบและต้นทุนเริ่มต้น การใช้งาน CO2 ในปัจจุบันเหมาะสมที่สุดสำหรับสภาพแวดล้อมที่มีอุณหภูมิต่ำ เช่น การทำความเย็นในร้านค้าปลีก การทำความเย็นในอุตสาหกรรม และการเก็บรักษาความเย็น อุณหภูมิการปล่อยของคอมเพรสเซอร์ที่สูงช่วยให้สามารถนำความร้อนกลับมาใช้ได้ เช่น การทำน้ำร้อน การให้ความร้อนพื้นของห้องแช่แข็ง และระบบทำความร้อน HVAC ของอาคาร ซึ่งคล้ายกับระบบที่ใช้แอมโมเนีย
‍

เมื่อมองไปในอนาคตของการวางแผนสิ่งอำนวยความสะดวกที่ใช้ระบบทำความเย็นด้วย CO2 สิ่งสำคัญคือการลงทุนในการฝึกอบรมและการศึกษาเพื่อพัฒนาทักษะของวิศวกรผู้ออกแบบที่มีหน้าที่ในการออกแบบระบบเหล่านี้ และด้วยความต้องการด้านสถาปัตยกรรมและอุปกรณ์เฉพาะที่แตกต่างจากระบบทำความเย็นแบบดั้งเดิม การร่วมมือกับบริษัทวิศวกรรมและการออกแบบที่มีความเชี่ยวชาญในอุตสาหกรรมนี้จึงเป็นสิ่งสำคัญ
‍

ในท้ายที่สุด แม้ว่าสารทำความเย็นสมัยใหม่จะยังคงเป็นทางเลือกที่ใช้งานได้ CO2 ก็มีศักยภาพที่จะส่งผลกระทบอย่างมากต่อทิศทางในอนาคตของอุตสาหกรรมทำความเย็นในขณะที่มีการพัฒนาอย่างต่อเนื่อง
‍

Reference :
‍https://www.refrigeratedfrozenfood.com/articles/103001-next-generation-refrigerants-exploring-co2-as-an-alternative