• Ewolucja czynników chłodniczych – od szkodliwych dla środowiska freonów (R12), przez R134a, do nowoczesnego niskoemisyjnego R1234yf i ekologicznego CO₂ (R744).
• CO₂ jako czynnik przyszłości – dwutlenek węgla (R744) jest nietoksyczny, bezpieczny, ma niski wpływ na efekt cieplarniany i charakteryzuje się dobrą wydajnością chłodzenia.
• Volkswagen liderem wdrażania R744 – koncern stopniowo wprowadza czynnik CO₂ do wszystkich modeli elektrycznych, co wymaga modernizacji układów klimatyzacji.
• Wyzwania serwisowe nowych czynników – obsługa układów z R744 wymaga specjalistycznych stacji serwisowych pracujących pod wysokim ciśnieniem, co może stanowić barierę dla niezależnych warsztatów.

Klimatyzacja samochodowa znacząco podnosi komfort użytkowania „czterech kółek”. I to nie tylko w upalne dni. Żeby jednak działała efektywnie, należy o nią odpowiednio dbać. Trzeba bowiem mieć świadomość, że jest to złożony układ, który jest zbudowany z kilku ważnych elementów – kompresora, skraplacza, osuszacza, zaworu rozprężnego, parownika i wentylatora – i tylko poprawne działanie ich wszystkich sprawi, że klimatyzacja będzie w stanie szybko zmieniać temperaturę w kabinie samochodu. Nie można zapomnieć jednak również o czynniku chłodniczym, który odgrywa bardzo ważną rolę w schładzaniu rozgrzanego powietrza. 

Czynnik chłodniczy to substancja, która krąży w układzie klimatyzacji i przejmuje nadmiar ciepła, umożliwiając schłodzenie wnętrza pojazdu. Zmieniając swój stan fizyczny z cieczy w gaz i odwrotnie, czynnik chłodniczy absorbuje ciepło z wnętrza samochodu (w parowniku), a następnie oddaje je na zewnątrz pojazdu (w skraplaczu). Cały proces, nazywany cyklem chłodzenia, opiera się na zmianach ciśnienia i temperatury czynnika chłodzącego. Wybór odpowiedniego czynnika chłodniczego jest więc bardzo ważny z punktu widzenia efektywności działania systemu. Co jednak równie ważne, ma on także przełożenie na przestrzeganie norm środowiskowych, ponieważ niektóre czynniki bardziej wpływają na efekt cieplarniany niż inne. 

Krótka historia czynników chłodniczych

Pierwsze układy klimatyzacji samochodowych były stosunkowo proste, a czynniki chłodnicze, które były w nich stosowane, nie zawsze były bezpieczne dla środowiska. W latach 30. XX w., kiedy zaczęły pojawiać się pierwsze klimatyzacje w samochodach (przede wszystkim w modelach amerykańskich producentów), stosowano różne rozwiązania, w tym np. bazujące na amoniaku czy dwutlenku siarki. Jednak substancje te miały poważne wady – były toksyczne, łatwopalne i stanowiły zagrożenie dla zdrowia ludzi w przypadku awarii systemu.

Pierwsze układy klimatyzacji były też dość dużymi urządzeniami, a przez to mało praktycznymi. Ze względu na ich rozmiary montowano je w bagażnikach i łączono z kabiną pasażerską poprzez dodatkowe systemy wentylacyjne. Klimatyzacje zbliżone do obecnych, czyli montowane pod przednią maską, pojawiły się w drugiej połowie lat 50. minionego stulecia, a prekursorem takiego rozwiązania był koncern General Motors.

Dużym przełomem w rozwoju klimatyzacji samochodowych było wprowadzenie na rynek bardziej bezpiecznego czynnika chłodniczego, jakim był freon (CFC12, znany również jako R12). Freon okazał się niezawodnym rozwiązaniem, które nie miało właściwości toksycznych ani łatwopalnych. Szybko zyskiwał popularność w branży motoryzacyjnej, ponieważ charakteryzował się m.in. stabilnością chemiczną, łatwością w obsłudze, a także stosunkowo niskim kosztem produkcji.

Zmiany używanych czynników chłodzących

Coraz większa liczba aut z układem klimatyzacji na pokładzie sprawiła, że w kolejnych dekadach zaczęto baczniej przyglądać się temu, jaki wpływ na środowisko naturalne ma czynnik chłodniczy. W latach 90. XX w. okazało się, że czynniki chłodnicze na bazie freonu negatywnie wpływają na warstwę ozonową. Zaczęto więc poszukiwać alternatyw. Freon R12 został wycofany z produkcji, a w jego miejsce wprowadzono bardziej przyjazne dla środowiska rozwiązania.
 
Najpopularniejszym czynnikiem chłodniczym stosowanym w samochodach w latach 90. i na początku XXI w. stał się R134a. Jego największą zaletą była znacznie mniejsza szkodliwość dla warstwy ozonowej w porównaniu z freonami. Mimo to R134a wciąż ma dość duży potencjał do wywoływania efektu cieplarnianego, co z czasem stało się powodem do jego dalszej wymiany.

W odpowiedzi na zaostrzenie norm emisji gazów cieplarnianych przemysł motoryzacyjny zaczął poszukiwać jeszcze bardziej ekologicznych czynników chłodniczych. W 2014 r. Unia Europejska wprowadziła przepisy, które miały na celu stopniowe wycofywanie R134a z rynku, co rozpoczęło się od 2017 r. 

Od 1 stycznia 2017 r. wszystkie nowo rejestrowane na terenie UE samochody musiały być wyposażone w klimatyzację przystosowaną do czynnika chłodniczego, którego współczynnik globalnego ocieplenia (global warming potential – GPW) był niższy niż 150. Siłą rzeczy zaczęto więc stosować nowy czynnik R1234yf, który charakteryzuje się znacznie niższym GWP.

Od kilku lat, z roku na rok, zgodnie z regulacjami dotyczącymi gazów fluorowanych zmniejsza się ilość importowanego do Unii Europejskiej czynnika R134a. Od początku tego roku na rynku dostępne będzie 24% jego pierwotnej ilości. 

A już od 2030 r. ta wartość spadnie do zaledwie 5%. Ograniczona ilość czynnika R134a przekłada się na problemy z jego dostępnością i rosnące ceny. W efekcie pod koniec minionej dekady zauważalny był wzrost szarej strefy handlu czynnikiem R134a i rosnący udział jego nielegalnego importu spoza Unii Europejskiej.
 
Próbą przeciwdziałania temu problemowi było wprowadzenie na rynek czynników R513A i R456A, które miały być substytutami R134a w starszych samochodach. Przykładowo czynnik R513A ma aż o 55% niższą wartość GWP niż R134a. Ponadto nie jest on ani trujący, ani łatwopalny. Z punktu widzenia właścicieli aut bardzo ważną zaletą jest to, że przejście na nowy czynnik nie wymaga większych inwestycji w instalację.

Czynnik chłodniczy na bazie CO₂ – przyszłość klimatyzacji

Możemy  spodziewać się dalszego rozwoju technologii chłodzenia w samochodach, a także pojawienia się nowych, bardziej ekologicznych czynników chłodniczych. Naukowcy i inżynierowie testują nowe substancje, które mają być  eszcze bardziej przyjazne dla środowiska, a jednocześnie będą zapewniać odpowiedni poziom bezpieczeństwa użytkowników pojazdów.

Mimo że wartość GWP czynnika chłodniczego R1234yf wynosi zaledwie 4, można spotkać opinie, że wcale nie jest on w pełni przyjazny dla środowiska. Substancja ta rozkłada się bowiem w powietrzu, tworząc  w połączeniu z wodą wysoce toksyczny kwas trifluorooctowy (trifluoroacetic acid – TFA). I praktycznie nie ulega już degradacji w środowisku. Zamiast tego gromadzi się on od lat masowo w naszych wodach.

Wśród rozważanych alternatyw pojawiają się m.in. czynniki chłodnicze na bazie naturalnych gazów, takich jak CO₂ (R744). CO₂ jest bezpiecznym i ekologicznym rozwiązaniem, które ma bardzo niski GWP, a dodatkowo charakteryzuje się szerokim zakresem temperatur pracy. Ponadto jest nietoksyczny i bezpieczny dla zdrowia, a także jest gazem szeroko dostępnym. 

Dzięki temu jest to ekonomiczna opcja, zwłaszcza w długoterminowym użytkowaniu. CO₂ charakteryzuje się też dobrą wydajnością chłodzenia, szczególnie w warunkach wysokich temperatur zewnętrznych. Jest także efektywniejszy niż niektóre tradycyjne czynniki chłodnicze w niższych temperaturach.

Branża motoryzacyjna coraz bardziej zainteresowana

Dwutlenek węgla jako czynnik roboczy w układach klimatyzacji nie jest jednak nowym pomysłem. Rozwiązania, w których wykorzystywano ten naturalny gaz w instalacjach  przemysłowych i komercyjnych, pojawiły się już ponad 100  lat  temu. Współcześnie jednak CO₂ dość długo był praktycznie całkowicie pomijany przez branżę motoryzacyjną. Zmieniło się to w ubiegłej dekadzie.

W 2016 r. koncern Daimler-Benz wprowadził czynnik R744 do klimatyzacji w wybranych wersjach luksusowych modeli marki Mercedes-Benz: Klasy E i Klasy S. Choć wydawało się, że może to być początkiem istnej rewolucji w układach klimatyzacji, zaledwie po 4 latach niemiecka firma musiała się wycofać z tego pomysłu. Okazało się bowiem, że pojawiały się problemy ze szczelnością instalacji i już na przełomie lat 2019/2020. Mercedes-Benz był zmuszony powrócić do wcześniej stosowanych czynników chłodniczych zamiast naturalnego CO₂.

Choć pomysł chwilowo upadł, branża motoryzacyjna coraz częściej spogląda w kierunku czynnika R744. CO₂  jest bowiem jednym z najbardziej przyjaznych środowisku czynników chłodniczych. Z uwagi na zerowy wpływ na warstwę ozonową i niską wartość GWP może on stać się  preferowaną opcją w kontekście globalnych regulacji związanych z emisją gazów cieplarnianych.

Kolejnym koncernem motoryzacyjnym, który postanowił sprawdzić w praktyce czynnik R744 w swoich modelach, był Volkswagen. Firma z Wolfsburga od 2021 r. oferowała elektryczne modele z rodziny ID z dostępną za dopłatą pompą ciepła, która miała zapewniać energooszczędne ogrzewanie wnętrza. W modelach tych wykorzystano mniej szkodliwy dla środowiska czynnik chłodzący w miejsce wciąż powszechnie stosowanego czynnika R1234yf.

Ponieważ na tej samej modułowej platformie samochodów elektrycznych Volkswagena (MEB) produkuje się również modele innych marek (m.in. Audi Q4 e-tron, Cupra Born i Tavascan, a nawet Ford Explorer), także one były dostępne z nowym czynnikiem w układach klimatyzacji. W niektórych modelach wspomniana pompa, która może zarówno chłodzić, jak i ogrzewać, dość szybko stała się standardowym elementem wyposażenia. 

MOŻE ZAINTERESUJE CIĘ TAKŻE

Klimatyzacja

Polimeryzacja czynnika chłodniczego R1234yf

Choć polimeryzacja nie jest zjawiskiem powszechnym, branża warsztatowa boryka się z uszkodzeniami urządzeń do serwisowania klimatyzacji oraz układów klimatyzacji w samochodach.

Klimatyzacja

Układy klimatyzacji i chłodzenia w pojazdach elektrycznych i hybrydowych

Pojazdy elektryczne i hybrydowe stawiają przed warsztatami samochodowymi nowe wyzwania, szczególnie w zakresie układów klimatyzacji i zarządzania temperaturą. 

Porównanie czynników R134a i R1234yf

Volkswagen idzie jednak dalej i od tego roku we wszystkich modelach z napędem elektrycznym stopniowo będzie przechodził na czynnik R744. Oczekuje się, że ta transformacja potrwa do końca 2030 r. Wygląda więc na to, że krok, który wykonał Volkswagen, w perspektywie średnio- i długoterminowej będą musieli wykonać też inni producenci samochodów.

Obecnie czynnik R744 można spotkać w wybranych nowych i bardziej zaawansowanych technologicznie modelach. Starsze samochody nie są przystosowane do używania CO₂, co wiązałoby się z koniecznością kosztownej modernizacji układu klimatyzacji.

Co z serwisem klimy z czynnikiem R744?

Trzeba jednak mieć świadomość, że czynnik R-744 wymaga systemów zaprojektowanych do pracy pod bardzo wysokim ciśnieniem, co stawia dodatkowe wymagania zarówno w zakresie konstrukcji systemów klimatyzacyjnych, jak i bezpieczeństwa. Układy muszą być odpowiednio uszczelnione, żeby uniknąć wycieków czynnika. 

To istotna kwestia nie tylko w przypadku naprawy (na skutek usterki technicznej elementu klimatyzacji lub w ramach szkody powypadkowej), ale także podczas standardowego serwisu klimatyzacji w samochodzie z systemem R744. Volkswagen np. przewiduje regularną konserwację systemów klimatyzacji w swoich modelach elektrycznych – obowiązkowo co 4 lata w tzw. zimnych krajach, a nawet co 2 lata w państwach z ciepłym czy gorącym klimatem.

Konserwacja klimatyzacji nie oznacza tylko wymiany filtra przeciwpyłkowego. Przede wszystkim należy sprawdzić poziom napełnienia układu i uzupełnienie czynnika w razie potrzeby. W pojazdach elektrycznych sprężarka klimatyzacji lub pompy ciepła z „wewnętrznym” napędem elektrycznym jest mniej podatna na utratę czynnika chłodniczego niż sprężarka silniku spalinowym z „zewnętrznym” napędem pasowym. Jednak pompy ciepła nie są całkowicie wolne od wycieku czynnika chłodniczego. Układ klimatyzacji w modelu ID.3 jest wypełniony zaledwie 420 g CO₂. Gdy ilość ta zmniejszy się do 290 g, w samochodzie włączy się powiadomienie, że klimatyzacja nie działa prawidłowo.

Największym problemem związanym z serwisowaniem klimatyzacji z czynnikiem R744 jest wciąż ograniczona oferta stacji dotycząca obsługi tego typu klimatyzacji. A co za tym  idzie – stosunkowo wysoka cena tych urządzeń. Dla niezależnych warsztatów samochodowych, które zajmują się serwisem układów klimatyzacji, to z pewnością spory kłopot. Pewną nadzieją na poprawę w tym obszarze są pojawiające się nowe produkty na rynku. 

Podczas zeszłorocznej edycji targów Automechanika kilka firm zaprezentowało stacje obsługi klimatyzacji R744. Teraz pozostaje nam czekać, aż produkty te zadebiutują na rynku, i mieć nadzieję, że przyczynią się do obniżenia cen za tego typu urządzenia. Wybór odpowiedniego czynnika chłodniczego do klimatyzacji samochodowej to nie tylko kwestia efektywności chłodzenia, ale również, a może przede wszystkim jego wpływu a środowisko. Dlatego też Unia Europejska zdecydowała o stopniowym wycofywaniu z rynku czynnika  R134a. Z perspektywy ekologii i przyszłości systemów klimatyzacyjnych czynniki R1234yf i R744 są dużo bardziej obiecującymi opcjami, a ich rozwój w branży motoryzacyjnej wydaje się nieunikniony. 

Źródło: Materiały redakcyjne