Изменения в мировом производстве хлорфторуглеводородов: влияние на атмосферу и климат

Полный текст

В течение последних лет в мире ведется учет объемов производства, продаж и использования ХФУ. Эти данные на добровольной основе предоставляются ведущими мировыми производителями химической продукции. Вначале такую деятельность координировала Ассоциация химических производителей (СМА), в настоящее время статистическая информация по ХФУ обобщается и регулярно публикуется в рамках Программы по изучению влияния альтернативных ХФУ на окружающую среду (AFEAS). На сегодняшний день в Программе принимают участие 14 крупнейших химических транснациональных корпораций из Европы, США и Японии, имеющих свои филиалы в Австралии, Южной и Северной Америке. На заводы этих компаний приходится основная доля в общем объеме мирового производства ХФУ: до 1987 г. она оценивалась в 85% объема мирового производства веществ класса CFC (полностью замещенные ХФУ), а также HCFC-22[*] (представитель класса HCFC - гидратированных ХФУ). В дальнейшем эта доля снизилась (из-за более скорого вывода из эксплуатации в западных странах веществ класса CFC) и в 1997 г. составила около 40% для веществ класса CFC и 90% для HCFC-22 [3]. Остальную часть этих веществ вырабатывают в России, Китае и Индии, причем если в России объемы их выпуска постоянно снижаются (CFC - со 110 тыс. т в 1990 г. до 17 тыс. т в 1996 г.), то Китай увеличил их производство за тот же период вдвое, а Индия - втрое [2]. Что касается новых озонобезопасных веществ - HCFC-141 b и -142b, а также HFC- 134а (представитель класса HFC - полностью свободных от хлора ХФУ), то их производство практически целиком находится в западном мире и его объем полностью описывается данными AFEAS [3].

 

Рис. 1. Объем мирового производства ХФУ и его распределение по классам: I - CFC; 2 - HCFC; 3 – HFC

 

Объем мирового производства ХФУ в 1976-1997 гг. с учетом той его доли, которая не представлена в данных AFEAS [3], приведен на рис. 1, где показано изменение мирового промышленного выпуска веществ - представителей всех классов ХФУ-CFC-11,-12, -113, -114 и -115; HCFC-22, -141b и -142b; HFC- 134а. Как видно из рис. 1, для ХФУ в целом характерен значительный спад производства после вступления в силу Монреальского протокола в 1987 г. За десять лет суммарный объем их выпуска (продаж) снизился в 2,3 раза - от максимального значения в 1,5 млн т в 1988 г. до примерно 650 тыс. т в 1997 г. Это связано с быстрым выводом из употребления веществ класса CFC, для которых снижение производства было еще более резким - с 1,28 млн тв 1988 г. до 140 тыс. т в 1997 г., т. е. почти в 9 раз, при уменьшении их доли в суммарном объеме производства ХФУ до 22%. За тот же период объем производства веществ класса HCFC, разрешенных международными соглашениями для использования вплоть до 2030 г. и являющихся в настоящее время одними из основных веществ, альтернативных выводимым из употребления CFC, увеличился почти вдвое, достигнув в 1997 г. 400 тыс. т, или 63 % объема выпуска всех ХФУ. Объем производства HFC-134a, другого перспективного заменителя хлорсодержащих ХФУ, за короткий период с начала его промышленного производства в 1990 г. достиг в 1997 г. 100 тыс. т, т.е. около 15 % объема выпуска всех ХФУ. Таким образом, общий объем выпуска ХФУ, рассматриваемых в качестве альтернативы веществам, запрещенным к производству, составил в 1997 г. около 500 тыс. т, или около трети от пикового объема выпуска всех ХФУ в 1988 г., в то время как производство веществ класса CFC не превысило 10 % этого объема. Приведенные здесь данные свидетельствуют о том, что более 70% потребности в подобного рода веществах (с учетом ее роста за минувшее десятилетие) удовлетворяется другими путями, например применением углеводородов в качестве компонентов хладагентов или в аэрозолях, использованием углекислого газа или водяного пара при производстве пенополимеров и др.

 

Рис. 2. Объемы мирового производства хладагентов и их компонентов и его распределение по классам: 1 - CFC; 2 - HCFC; 3 - HFC

 

Теперь посмотрим, какие перемены произошли на рынке хладагентов и их компонентов. Как видно из рис. 2, на котором представлены объемы их производства в 1976-1997 г., изменения здесь носили менее радикальный характер. Во второй половине 1980-х и начале 1990-х гг. суммарный выпуск веществ классов СРС, HCFC и HFC для нужд холодильной промышленности продолжал колебаться на достаточно высоком уровне - 500- 600 тыс. т в год и лишь начиная с 1994 г. начал заметно снижаться, достигнув к 1997 г. значения 430 тыс. т, или 73 % максимального объема производства в 1993 г., который составил 590 тыс. т. При этом продолжалось вытеснение из этой сферы веществ класса CFC, чья доля в объеме производства хладагентов снизилась с 60-65 % в 1970-1980-х гг. до 20 % в 1997 г. Для веществ класса HCFC и HFC характерна обратная динамика - объемы использования таких веществ в качестве хладагентов и их компонентов значительно увеличились и в абсолютном, и в относительном выражении, достигнув в 1997 г. соответственно значений 260 тыc. т (около 60 % всех хладагентов) и 90 тыс. т (примерно 20 %).

Эти изменения привели к тому, что холодильная промышленность в последнее десятилетие стала основным потребителем хлорфторуглеводородных соединений. Действительно, если в 1970-1980-х гг. в качестве хладагентов использовалось 30-35 % всех ХФУ, то к середине 1990-х гг. эта доля увеличилась до 65 %, причем данная тенденция характерна и для соединений класса CFC: за этот же период доля веществ класса CFC, применяемых в холодильных установках, кондиционерах и тепловых насосах, возросла с 20 до 60 %. Что касается веществ класса HCFC, то в качестве хладагентов в 1997 г. использовано около 65 % их суммарного объема против 95 % в 1970-е гг. Это связано с частичным переходом полимерной промышленности на HCFC-141 b и -142b в качестве вспенивающих агентов. Из веществ класса HFC до 90 % нашли применение в качестве хладагентов.

В целом новыми данными по производству ХФУ различных видов подтверждаются основные выводы ранней работы [1] авторов настоящей статьи. В частности, в прогнозе будущих объемов производства и эмиссии ХФУ верно были выбраны альтернативные вещества - HCFC-141b, -142b и -124 как промежуточная замена веществ класса CFC, а также HFC-134a как перспективный компонент озонобезопасных хладагентов. К сожалению, в обзоре [3] отсутствуют данные по другим веществам (HCFC-123 и HFC-32, -125, -143а и -152а), выбранным в нашем прогнозе [1] в качестве будущих заменителей веществ класса CFC. Однако увеличивающиеся объемы продаж смесей SUVA (Du Pont), KLEA (ICI), Forane (Elf Atochem) и ряда продуктов других производителей на основе этих веществ, а также строительство заводов по их производству говорят в пользу такого выбора. Также оказалось справедливым утверждение о возрастающей роли холодильной промышленности в использовании ХФУ.

Есть еще один способ оценить эффективность перехода на новые соединения и его влияние на состояние окружающей среды. Надежным инструментом для этого служит мониторинг атмосферных концентраций различных хлорфторсодержащих углеводородов. В настоящее время действуют две программы контроля за составом атмосферного воздуха:

• глобальный эксперимент по изучению атмосферных газов ALE/GAGE/ AGAGE, проводимый с 1978 г. на пяти метеорологических станциях по всему миру [6];
• измерения концентраций малых компонентов атмосферы на сети станций Лаборатории мониторинга и диагностирования климата Национальной администрации США по океану и атмосфере NOAA/CMDL, функционирующей начиная с 1977 г. [5].

К сожалению, данные этих исследований не охватывают всех интересующих нас веществ, однако в них есть информация об основных озоноразрушающих и парниковых газах, которыми являются CFC-11, -12 и -113, HCFC-22, -141b и -142b, а также HFC-134a. По изменениям концентраций этих веществ в атмосфере можно судить о динамике их эмиссии и соответственно производства и использования.

На рис. 3 представлены данные [5, 6] об изменении среднеглобальных атмосферных концентраций основных ХФУ, выраженных в объемных частях на триллион (1 трлн ¹ = 10 ⁷ об.%). Среднюю по земному шару концентрацию каждого компонента авторы рассчитывали по станционным данным в предположении только меридионального распределения концентраций.

 

Рис. 3 (а, б). Изменения атмосферных концентраций основных ХФУ: 1 - CFC-12; 2 - CFC-11; 3 - HCFC-22; 4 - CFC- / 13; 5 - IICFC- 142b; 6 — HCFC-141b; 7 — HFC-134a. Точками обозначены данные инструментальных наблюдений [5, 6], линиями — результаты расчетов авторов

 

Как видно из рис. 3, а, в 1990-х гг. впервые за все время производства и использования веществ класса CFC прекратился рост их содержания в атмосфере. Так, к 1997 г. концентрация CFC-12 стабилизировалась на уровне 530 трлн^-1, a CFC- 11 и -113 даже несколько снизилась: с 265 трлн^-1 в 1992 г. до 259 трлн^-1 и с 85 трлн в 1995 г. до 84 трлн¹ соответственно. Из-за высокой химической стабильности рассматриваемых веществ (а время их жизни в атмосфере составляет десятки и даже сотни лет), как было показано в работе [1], их концентрации в воздухе планеты будут оставаться значительными в течение всего следующего столетия даже при полном прекращении производства в его начале.

Наблюдается устойчивый рост концентраций в атмосфере альтернативных веществ классов HCFC и НЕС: для HCFC- 22 и -142b - практически линейный со скоростью примерно 5 и 1 трлн^-1 в год соответственно, а для HCFC-141b и HFC-134a (рис. 3, б) - экспоненциальный с темпами роста 45 и 85% в год соответственно. Согласно прогнозам авторов данной статьи [1], атмосферные концентрации веществ классов HCFC и HFC в следующем столетии, несмотря на ожидаемый рост их производства, так и не превысят максимальных значений, достигнутых для веществ класса CFC в конце 1990-х гг.

Результаты расчетов атмосферных концентраций перечисленных ХФУ, проведенных авторами по данным об их производстве, также представлены на рис. 3 и хорошо соответствуют результатам инструментальных наблюдений.

Попробуем оценить влияние наблюдаемых изменений на глобальный климат. В работе [1] нами были выполнены подобные вычисления для периода 1980- 2100 гг. с учетом того, что тепловая нагрузка на атмосферу из-за увеличения содержания в ней парниковых газов (ХФУ) прямо пропорциональна изменению их концентраций, а чувствительность глобального климата к изменению радиационного баланса атмосферы равна 0,45 °С/(Вт* м^-2). Теперь с помощью аналогичной методики мы сравним два десятилетия - “домонреальское” 1977- 1987 гг. и “послемонреальское” 1988— 1998 гг. Данные по изменениям концентраций ХФУ различных видов и соответствующих тепловых потоков приведены в таблице.

 

Таблица

ХФУ	R, (мВт/м2)/ трлн-1	Изменение атмосферных концентраций ХФУ АС и соответствующие вклады в изменения теплового радиационного баланса AQ и средне глобальной температуры At
		1977-1987 гг.			1988-1998 гг.
		АС, трлн-1	АО, Вт/м2	At, °C	АС, трлн-1	AQ, Вт/м2	At, °C
CFC-11	0,22	85	0,019	0,008	21	0,005	0,002
CFC-12	0,28	175	0,049	0,022	88	0,025	0,011
CFC-113	0,28	38	0,011	0,005	25	0,007	0,003
Все вещества класса С FC			0,069	0,035		0,037	0,016
HCFC-22	0,19	40	0,008	0,003	59	0,011	0,005
HCFC-141b	0,14	0	0,000	0,000	9	0,001	0,001
HCFC-142b	0,18	0	0,000	0,000	10	0,002	0,001
Все вещества класса Н С FС			0,008	0,003		0,014	0,007
HFC-134a	0,17	0	0,000	0,000	8	0,001	0,001
Все ХФУ			0,077	0,039		0,052	0,023
Примечание. R - коэффициент пропорциональности, связывающий изменения АС и AQ и зависящий от спектральных свойств газа [1].

 

Как видно из таблицы, изменение теплового радиационного баланса атмосферы, вызванное увеличением концентраций ХФУ всех видов, за 1988 1998 гг. было в 1,5 раза ниже, чем за 1977-1987 гг. Это вызвано резким снижением темпов роста концентраций CFC-11, -12 и -113 в атмосфере. В результате соответствующий вклад ХФУ в повышение среднеглобальной температуры за 1988-1998 гг. составил 0,023 °C против 0,039 °C в 1977-1987 гг. При этом в “домонреальское” десятилетие соединения класса CFC обеспечили около 90 % этого эффекта, а в последующее их доля составила чуть более 70 %. Столь малые значения температурного роста не должны вводить в заблуждение. По данным инструментальных наблюдений [4], средняя температура на планете повысилась за 1977-1987 гг. на 0,17 °C, а за 1988-1998 гг. - на 0,16 °C. Следует добавить, что, по оценкам климатологов, критической скоростью изменения среднеглобальной температуры считается 0,1 °C в десятилетие, более высокие значения могут превысить адаптационные возможности биосферы планеты. Таким образом, снижение глобального потепления даже на несколько сотых градусов за десятилетие надо признать заметным вкладом “монреальских” соглашений в процесс охраны окружающей природной среды и климата.

В результате проведенного исследования можно сделать следующие выводы.

• Ограничения, накладываемые Монреальским протоколом по озоноразрушающим веществам и дополнениями к нему на рынок хлорфторуглеводородных соединений, привели к значительному спаду производства полностью замещенных ХФУ: CFC-11, -12, -113, -114 и - 115. За период 1988-1997 гг. объем их мирового производства снизился в 9 раз.
• Наметилась устойчивая тенденция к росту использования альтернативных веществ классов HCFC и HFC, представляющих меньшую опасность для озонового слоя Земли. За этот же период объем их производства увеличился в 2,5 раза, составив в 1997 г. около 500 тыс. т, из которых 20 % приходится на полностью свободный от хлора HFC-134a.
• Холодильная техника из-за технических и технологических трудностей перехода на новые озонобезопасные рабочие вещества стала основным потребителем ХФУ, что увеличило долю ее ответственности за формирование парникового эффекта. В 1997 г. в качестве хладагентов и их компонентов использовалось около 60 % CFC, 65 % HCFC и 90 % HFC.
• Перечисленные изменения на рынке ХФУ благоприятно сказались на состоянии окружающей среды. За последнее десятилетие прекратился рост атмосферных концентраций веществ класса CFC, наиболее опасных как для озонового слоя, так и для климата, наметилось их снижение.
• Переход на озонобезопасные вещества заметно снизил угрозу катастрофического глобального потепления. Вклад ХФУ в парниковый эффект за 1988-1998 гг. снизился в 1,5 раза по сравнению с предыдущим десятилетием.

[*]3десь и далее приняты универсальные обозначения ХФУ, непосредственно указывающие на принадлежность вещества к тому или иному классу (например, вместо R22 использовано обозначение HCFC-22).

Об авторах

В. В. Клименко

Московский энергетический институт (технический университет)

Автор, ответственный за переписку.
Email: info@eco-vector.com

Проф., д-р техн, наук

Россия

А. Г. Терешин

Московский энергетический институт (технический университет)

Email: info@eco-vector.com

канд. техн, наук

Россия

Список литературы

Дополнительные файлы