TECHNIEK  
Cool and Comfort 89 – mei 2021

Trends in onderzoek koelinstallaties

De beschikbaarheid van koeling en de nodige technologie hiervoor beschouwen we al decennia als evident. Kijken we even terug, dan zien we dat in de korte periode vanaf de opkomst van de koeltechnologie in het begin van de 19de eeuw tot nu er al verscheidene cruciale ontwikkelingen zijn geweest. Deze ontwikkelingen zijn te categoriseren in twee grote domeinen: energie-efficiëntie en klimaat. Nu we bewuster omgaan met onze omgeving staan we in deze domeinen voor nieuwe uitdagingen. Nieuwe ontwikkelingen in het onderzoek proberen hierop een antwoord te geven.

Energie-efficiëntie

In de begindagen was energie-efficiëntie van ondergeschikt belang. Verhogen van de betrouwbaarheid, de robuustheid en het compacter maken van de installatie was eerst essentieel. De eerste installaties waren voorbehouden voor de vleesverwerkende industrie en de voedingssector. Het is maar later, toen de installaties veiliger werden, dat de productie van koelkasten begon rond 1930.

De gegevens van het International Energy Agency (IEA) voor het jaar 2009 verwerkt door het International Institute of Refrigeration (IIR) toont aan dat nu ongeveer 17,2% van de totale elektriciteitsproductie gebruikt wordt voor koeling. Dit is gelijkaardig aan het aandeel dat gebruikt wordt door gezinnen zoals te zien is in Figuur 1. De koelsector is daarmee nu al een uitermate belangrijke afnemer van elektriciteit. In de toekomst verwachten we daarnaast een gemiddelde groei tussen 2,5 en 5,1 procent per jaar (The Economist Intelligence Unit) afhankelijk van de specifieke deelsector. Kijken we naar de toekomst dan kunnen we energie besparen door verbeteringen aan de individuele installatiecomponenten en op gebied van optimale integratie.

Verbeteringen aan de individuele componenten

Mechanische modulatie

De compressor is het hart van de klassieke dampcompressiekoelmachine. Een efficiëntere omzetting van mechanische energie naar compressie-arbeid resulteert rechtstreeks in energie-efficiëntere systemen.

Wanneer de koelcapaciteit van het systeem sterk moduleert, zullen compressoren die op vaste nominale condities werken een aan-af cyclus volgen. Deze aan-af cyclus is inefficiënt en zorgt voor vroegtijdige slijtage. Dit in tegenstelling tot toerentalgeregelde compressoren aangedreven door een elektrische motor met omvormer. Deze oplossing is daarentegen ook de meest dure. Alternatieven zijn mechanische vormen van modulatie. Recent onderzoek richt zich op nieuwe vormen van volumetrische compressoren die inherent geschikt zijn voor mechanische modulatie. Een voorbeeld is de zogenaamde ‘bowtie-compressor’ ontwikkeld aan de universiteit van Purdue. De compressor bestaat uit een vlindervormige rotor die een oscillerend roterende beweging maakt in een cilindermantel. De slaglengte kan onafhankelijk van het dode volume aangepast worden door de cilindermantel te verschuiven ten opzichte van de oscillerende rotoren. Een alternatief concept gebaseerd op een lineaire motor-zuiger combinatie werd ontwikkeld aan de universiteit Gent. Het innovatieve bestaat erin de timing van inlaat en uitlaatpoorten te koppelen aan een extra roterende beweging tussen zuiger en cilindermantel. De variabele timing maakt capaciteitscontrole mogelijk. Dit laatste concept heeft zich al bewezen in een proof-of-concept en is ook gepatenteerd.

Isotherme compressie

Kijken we naar het thermodynamisch proces van de compressie, dan is gekend dat een isotherme compressie de laagste compressiearbeid heeft voor een gegeven massa en drukverhouding. Een mogelijkheid om een quasi-isothermische compressie te realiseren is door injectie van grote hoeveelheden olie in de compressor. Om een maximale koelcapaciteit te bereiken is het belangrijk om tussen uitlaat verdamper en uitlaat condensor een warmtewisselaar te plaatsen om de onderkoeling na de condensor te vergroten. Theoretisch zou hierbij een efficiëntieverhoging tot 40% mogelijk zijn. De impact is het grootst bij koelmiddelen zoals R404A en kleiner voor CO₂ en ammoniak.

Vloeistof-gas expander

De expansieklep in een dampcompressiemachine staat in voor de overgang van hoge druk in de condensor naar de lage druk in de verdamper. In theorie kunnen we deze drukval benutten om arbeid te verrichten. Voor een klassieke subkritische dampcompressiekoelmachine zal de expansie gebeuren van de vloeistoffase naar een twee fasen eindpunt. Expansie onder deze omstandigheden geeft slechts aanleiding tot een kleine specifieke arbeid. De totale energie die kan gerecupereerd worden is dus klein. Niettemin zijn er voor grote koelinstallaties systemen bedacht om deze energie te recupereren. Commerciële voorbeelden zijn er door Carrier en Douglas Energy, beide gebruikten R134a.

Voor transkritische CO₂ koelcycli is de potentiele energierecuperatie groter. Daartegenover staat ook een grotere uitdaging bij het ontwikkelen van de expander. Dit door de grotere drukverschillen en het onbekende gedrag tijdens de transitie van superkritische toestand naar de twee-fase toestand. Verschillende types van expanders werden onderzocht zoals onder andere zuiger, schroef en scroll expanders. De verschillende studies rapporteren een verhoging van de COP tussen 10% en 30%. In praktijk is deze technologie nog niet doorgebroken. Een retrofit applicatie is voorgesteld door Bitzer. Hierbij wordt een tweefase expander in combinatie met een compressor gebruikt om te voorzien in additionele mechanische onderkoeling en dus extra koelcapaciteit.

Optimale integratie

Een betere energie-efficiënte kan daarnaast behaald worden door een doorgedreven optimalisatie op systeemniveau.

Trigeneratie

De meest algehele aanpak beoogt een optimalisatie van zowel elektriciteit, warmte als koudestromen. Trigeneratie is een mooi voorbeeld waarbij deze energievectoren aan elkaar gekoppeld worden in een decentraal systeem. Elektriciteit wordt geproduceerd met een kleine gasturbine of inwendige verbrandingsmotor. Deze kunnen als primaire energiedrager de klassieke fossiele brandstoffen gebruiken maar ook synthetische brandstoffen (“e-fuels”) of brandstoffen op basis van biomassa. De restwarmte die vrijkomt, kan rechtstreeks gebruikt worden voor verwarming maar ook voor koeling via een warmte-aangedreven koelmachine. De twee beproefde technieken hiervoor zijn absorptie en adsorptiekoelmachines. Beide systemen vervangen in essentie de mechanisch aangedreven compressor door een thermische variant. Een trigeneratiesysteem kan een reductie geven van 30% tot 50% van de primaire energiebehoefte tegenover de aparte opwekking van koude, warmte, en elektriciteit. De vraag of dit systeem rendabel is hangt voornamelijk af van de investeringskosten, de brandstofkosten en of de vraag van warmte, koude en elektriciteit voldoende kan afgedekt worden door het systeem. Hierbij rekening houdend dat de beschikbaarheid van warmte steeds groter is dan die van koeling en elektriciteit. Specifiek voor supermarkten (verwarming van de ruimtes, koeling van koelkasten en algemeen elektriciteitsgebruik) projecteert men terugverdientijden van ongeveer 6 jaar rekening houdend met een gas-elektriciteitsprijs ratio van 4.0.

CO₂ koelmachines met warmteterugwinning

De opmars van CO₂-koelmachines is de laatste jaren prominent doordat de klassieke synthetische koelmiddelen onder druk komen te staan door hun impact op het klimaat. Zeker in de levensmiddelensector is er een grote transitie naar deze zogenaamde natuurlijke koelmiddelen. De thermofysische eigenschappen van CO₂ geven aanleiding tot een hoge compressoruitlaattemperatuur en -druk. Als voorbeeld verkrijgt men een uitlaattemperatuur van 55°C voor isentrope compressie tussen -10°C en 20°C bij een oververhitting 10 °C, tegenover een uitlaattemperatuur van 35°C voor R404A. Deze warmte kan gerecupereerd worden voor bijvoorbeeld de verwarming van gebouwen. Het onderzoek spitst zich vooral toe op het optimaliseren van de aansturing. De condensordruk en rotatiesnelheid van de condensorventilator wordt actief geregeld volgens de verwachte verwarmingsvraag. Een slimme regeling maakt het mogelijk om ook tijdens het grootste deel van de winter te voldoen aan de warmtevraag en dit bij een optimale COP. De meeste studies spitsen zich terug toe op de sector van de supermarkten. Hierbij wordt aangetoond dat de warmtevraag bijna volledig kan afgedekt worden.

Thermische opslag

Bij voorgaande concepten van trigeneratie en warmteterugwinning komt het frequent voor dat de vraag en beschikbaarheid van warmte in tijd niet overeenkomt. Het koppelen van een thermische opslag aan de warmteterugwinning van een CO₂-koelmachine heeft het potentieel om de energievraag met ongeveer 18 procent te verminderen. Dit is vooral door het effect dat de beschikbare warmte efficiënter ingezet kan worden. Daarnaast tonen studies aan dat de meerkosten voor integratie van thermische opslag beperkt is (2% tot 3% duurdere investeringskosten) doordat het geïnstalleerd compressorvermogen kleiner kan gehouden worden. Als thermische buffer kan bijvoorbeeld gekozen worden voor een warmwatervat gehouden op een temperatuur tussen 45°C en 70°C.

Naast warmteopslag kunnen we ook koude bufferen. Een interessante toepassing die momenteel onderzocht wordt, is het vervangen van actieve transportkoeling door een passief systeem met thermische opslag. Als type thermische opslag wordt hiervoor meestal gekeken naar faseovergangsmaterialen (‘Phase Change Materials’, PCM). De faseovergang in deze materialen (bijvoorbeeld van vloeibare naar vaste toestand) zorgt ervoor dat een grote energiedichtheid mogelijk is. Aangezien een faseovergang isotherm is heeft men het bijkomend voordeel dat de temperatuur binnen een nauw interval kan gewaarborgd worden. Een nadeel is dat conductie door deze materialen laag is en dus de warmteoverdracht slecht is. Dit kan verholpen worden door een matrix van metaalschuim toe te voegen. Figuur 2 toont een concept van zo een PCM batterij waarbij in kanaal A een intermediair water-glycol mengsel stroomt en kanaal B gevuld is met faseovergangsmateriaal met optioneel een metaalschuimmatrix. Voor toepassingen in de voedingssector kan men kiezen voor een industriële paraffine met de gewenste smelttemperatuur (ongeveer tussen 6°C en 108 °C) als faseovergangsmateriaal.

Klimaat

Het energiegebruik heeft een rechtsreeks impact op het klimaat maar daarnaast zijn er ook indirecte effecten zoals lekverliezen van het koudemiddel. Het inschatten van de totale impact van koelinstallaties op de opwarming van de aarde is een prominent onderwerp in de wetenschappelijke en technische literatuur. Om deze impact in te schatten zijn verschillende criteria ontworpen. Daarnaast kunnen we die begrote impact verlagen door enerzijds een betere energie-efficiëntie maar anderzijds ook door de transitie naar lage GWP-koudemiddelen.

Kwantificatie impact op klimaatopwarming

De eerste eenvoudige parameter om direct een inschatting te maken van de impact op de klimaatopwarming is de ‘Global Warming Potential’ (GWP). De GWP waarde van een koelmiddel geeft de impact als broeikasgas relatief tegenover CO₂. Concreet is het een maat voor hoeveel energie de uitstoot van 1 ton van een gas zal absorberen over een bepaalde periode, in verhouding tot de uitstoot van 1 ton kooldioxide (CO₂). Typisch wordt het effect over een periode van 100 jaar bekeken.

De ‘Total Equivalent Warming Impact’ (TEWI) wordt algemeen gebruikt als metriek om de directe en indirecte impact van een koelinstallatie op klimaatopwarming te kwantificeren. De TEWI waarde houdt rekening met de totale massa koelmiddel in de installatie, het broeikaseffect van het koelmiddel (de GWP waarde), het percentage koelmiddel gerecupereerd bij het uit dienst stellen, het elektriciteitsgebruik en de geassocieerde CO₂ uitstoot. Voor een nog meer gedetailleerde analyse over de volledige levensduur van de installatie kan een ‘Life Cycle Climate Performance’ (LCCP) analyse gemaakt worden. Deze zal ook rekening houden met emissies tijdens fabricage, de emissies bij het maken van de deelcomponenten en de emissies bij recyclage. Een uitdaging bij deze geaggregeerde analyse is de sterke afhankelijkheid van de gebruikte assumpties en brondata. Deze vergroten de onzekerheid of bemoeilijken de interpretatie. De International Institute of Refrigeration (IIR) heeft getracht deze methodologie verder te standaardiseren door het uitbrengen van een reeks richtlijnen.

Bij het gebruik van TEWI en LCCP blijft waakzaamheid geboden. Een meer gedetailleerde analyse geeft niet noodzakelijk meer inzicht indien de randvoorwaarden en assumpties niet gedetailleerd beschreven en bekend zijn. Een directe vergelijking tussen twee verschillende technische of wetenschappelijk publicaties is daarom meestal niet mogelijk. Voor de toekomst is het belangrijk om beide methodologieën verder te standaardiseren zodanig dat het potentieel van LCCP en TEWI analyse tot zijn recht kan komen.

Lage GWP koudemiddelen

De nieuwe generatie van fluorwaterstofolefines (HFO) en natuurlijke koelmiddelen (zoals ammoniak en CO₂) geven de mogelijkheid tot zeer lage GWP waarden (<10). Zonder in detail te gaan zien we dat in de open literatuur de thermofysische eigenschappen van de HFO’s R1234yf en R1234ze(E) en de natuurlijke koelmiddelen het meest onderzocht zijn. Deze data is cruciaal bij een correct ontwerp van de warmtewisselaars, keuze van smeerolie en voor een optimaal ontwerp van de compressor en de expansieklep.

Klassiek vertrekken we in het ontwerp vanuit een welbepaald gekozen koelmiddel dat een goed compromis geeft tussen performantie, veiligheid en milieu-impact. Het is ook mogelijk om te vertrekken vanuit een set van ontwerpparameters en hiervoor een optimaal werkingsfluïdum te creëren. Dit wordt mogelijk gemaakt door computergestuurd moleculair ontwerp. Onderzoek in dit gebied piekte eind 20ste eeuw. De technieken voor computergestuurd moleculair ontwerp zijn dus welgekend. Evenwel is het in de praktijk vanuit economisch standpunt niet steeds voordelig om kleine loten van op maat gemaakt koelmiddel te produceren en verdelen.

Conclusie

In dit artikel is een selectie gemaakt van onderwerpen die momenteel veelvuldig geanalyseerd worden in technische en wetenschappelijke literatuur. Het overzicht daarvan is gegeven in Tabel 1. Hierbij is het duidelijk dat er veel potentieel zit in technieken die nu nog niet of weinig in de praktijk gebruikt worden. De redenen daarvoor zijn veelvuldig maar ze hebben allen gemeen dat er cruciale kennis of informatie ontbreekt. Als dusdanig zal er verder ingezet moeten worden op innovatie, onderzoek en ontwikkeling om als duurzame sector de toekomst tegemoet te gaan.

Prof. dr. ir Steven Lecompte

Universiteit Gent

Vakgroep Elektromechanica, Systeem- en Metaalengineering