Een milieuvriendelijke en veilige koelcyclus
Een milieuvriendelijke en veilige koelcyclus
Mogelijkheden van propaan in warmtepompen
Testopstelling van het LC150 project. Bron: Fraunhofer ISE
De uitdaging is om een alternatief te vinden voor de huidige generatie warmtepompen op F-gassen. Bron: Fraunhofer ISE
Warmtepompen zorgen op een klimaatvriendelijke manier voor verwarming en warm water, en kunnen doorgaans ook nog koelen. Ze werken echter nog dikwijls op koelmiddelen die schadelijk zijn voor het klimaat. Het Fraunhofer ISE instituut heeft daarom in samenwerking met de industrie een koelcyclus ontwikkeld op het milieuvriendelijke en goedkope alternatief propaan. Een geothermische warmtepomp met deze cyclus heeft zo weinig propaan nodig, dat het toestel zonder verdere veiligheidsmaatregelen binnen kan worden opgesteld. Ook voor grotere toepassingen wordt volop aan oplossingen met propaan gewerkt. De bezwaren dat het gebruik van deze koelmiddelen gevaarlijk zou zijn, zijn ongegrond. We gebruiken al 30 jaar isobutaan in koelkasten. Daarvan staan er al miljoenen stuks jarenlang te werken zonder problemen, terwijl isobutaan even goed een brandbare koolwaterstof is.
Uitstoot van F-gassen vermijden
In 2050 moet Europa klimaatneutraal zijn. Ook de gebouwenverwarming moet daartoe haar steentje bijdragen. Warmtepompen hebben hier een belangrijke rol omdat er geen verbranding van fossiele brandstoffen plaatsvindt, in tegenstelling tot bij stookolie- of gasverwarming. De warmtebron is de bodem, grondwater of de omgevingslucht. De temperatuur van de omgevingswarmte wordt op een hoger niveau gebracht met behulp van elektriciteit, die steeds meer op een koolstofneutrale manier wordt opgewekt. Warmtepomp hebben dus een enorm potentieel om de CO2-uitstoot van gebouwenverwarming te doen dalen.
In de meeste gevallen gebruiken warmtepompen nog gefluoreerde broeikasgassen als koelmiddel, de zogenaamde F-gassen. Deze synthetische gassen uit de categorie van de per- en polyfluoralkylgroep (PFAS) zijn schadelijk en moeilijk afbreekbaar. Omwille van dat laatste noemt men ze wel ‘eeuwige chemicaliën’. Het koelmiddel bevindt zich uiteraard in een afgesloten koelcircuit en wordt niet verbruikt. Anderzijds kunnen er in sommige omstandigheden toch hoeveelheden van deze stoffen in de atmosfeer terecht komen, zoals bij vullen of reparatiewerken.
Klimaatschadelijke koelmiddelen zijn een eindig verhaal
De Europese verordening 517/2014 over gefluoreerde broeikasgassen (de F-gassenverordening) voorziet in een stapsgewijze vermindering van het broeikaseffect van koelmiddelen. Zo werd 2020 het gebruik van koelmiddelen met een GWP van meer dan 2.500 verboden. In de toekomst zullen er meer dergelijke beperkingen op koelmiddelen met hoge GWP komen. Tegen 2030 zal het totale uitstoot, uitgedrukt in ton CO2-equivalent gereduceerd worden tot ongeveer een vijfde (21%) van de huidige hoeveelheden op de markt.
Bovendien heeft het Europees Agentschap voor Chemische Stoffen (ECHA) een voorstel ingediend om PFAS-chemicaliën te verbieden. Een beslissing van de Europese commissie hierover wordt verwacht tegen 2025. Als ook koelmiddelen onder deze regeling vallen, wordt het gebruik ervan nog moeilijker tot zelfs onmogelijk.
Milieuvriendelijk koelmiddel propaan vult het gat in de markt
Er is dus dringend nood aan klimaatvriendelijke koelmiddelen. Dan denkt men aan propaan, ook bekend als R290. Volgend het laatste rapport (AR6) van het IPCC (Intergovernmental Panel on Climate Change) bedraagt het GWP ervan slechts 0,02. Het effect op de klimaatopwarming is dus vele honderden keren kleiner dan dat van gangbare koelmiddelen. Ter vergelijking: R410A heeft een waarde van 2255,5 en voor R32 is dat 771.
Een ander voordeel van propaan is dat het wereldwijd goedkoop beschikbaar is. Het maakt ook hoge rendementen mogelijk, dankzij de goede thermodynamische eigenschappen. Vele fabrikanten van warmtepompen hebben ondertussen modellen op R290 in het assortiment.
Het gaat dan in zo goed als alle gevallen om R290-toestellen voor buitenopstelling. De reden: propaan is brandbaar. Er zijn dus uitgebreide veiligheidsmaatregelen nodig om het gebruik ervan in warmtepompen mogelijk te maken. Als een warmtepomp een inhoud heeft van meer dan 150 gram koelmiddel, dan kan die alleen mits extra voorzorgsmaatregelen binnen geplaatst worden. Daardoor stijgen de kosten. De meeste warmtepompen voor eengezinswoningen, met vermogens van 5 tot 10 kW, zitten echter boven de die grenswaarde. Dat maakt warmtepompen met propaan voor binnenopstelling erg zeldzaam.
Innovatie: propaanwarmtepomp voor eengezinswoning
Een nieuwe ontwikkeling van Fraunhofer ISE kan daar verandering in brengen. In het project LC150 (low charge 150 g), dat ondertussen is afgesloten, ontwikkelden onderzoekers samen met een consortium van fabrikanten een koelcircuit op propaan met een uiterst geringe inhoud. De warmtepomp is voorzien van een volledig hermetische compressor en haalt een verwarmingsvermogen van 11,4 kW met slechts 146 gram propaan.
Daarmee blijft het toestel onder de maximaal toegelaten hoeveelheid voor binnenopstelling, maar heeft toch voldoende vermogen voor een eengezinswoning. De specifieke hoeveelheid koelmiddel bedraagt 12,8 gram per kW, ongeveer een vijfde van gangbare systemen, die 60 gram per kW nodig hebben. De huidige toestellen op de markt zitten dus al boven de limiet van 150 gram vanaf een vermogen van 2,5 kW.
Gevaren sterk overschat
Ondanks alle R&D circuleren er nog vele bezwaren, vooroordelen en foute opvattingen over R290 in warmtepompen. Het veiligheidsrisico zou te hoog zijn, want de toestellen zouden gemakkelijk kunnen exploderen. Dat is echter een fabeltje. Propaan is wel degelijk brandbaar en daarom gevaarlijk. Dat is ook het geval voor isobutaan in koelkasten, aardgas in verwarming en gasbranders in het algemeen. Er is altijd een zeker risico, 100% veiligheid bestaat niet. Er gelden echter een hele reeks veiligheidsvoorschriften, waardoor gevaarlijke situaties tot een minimum worden beperkt.
Bij koelkasten worden er in Duitsland slechts een handvol brandgevallen gesignaleerd, terwijl er miljoenen stuks in omloop zijn, die allen met isobutaan gevuld zijn. Isobutaan is net als propaan een brandbare koolwaterstof. Gemiddeld bevat een koelkast 100 gram isobutaan, in kleine koelkasten is dat minder, in grote is dat meer.
Die inhoud is vergelijkbaar met het nieuw ontwikkelde koelcircuit voor geothermische warmtepompen. Meer dan 150 gram is hiermee niet nodig voor een eengezinswoning. De hoeveelheid koelmiddel per kW (12,8 gram) komt overeen met de inhoud van zes aanstekers. Er zijn overigens nauwelijks ongevallen met propaanwarmtepompen bekend. Een vijftal jaar geleden was er een geval in Berlijn, waarbij een niet-standaard propaanwarmtepomp vuur heeft gevat. Dat specifieke geval zegt echter niets over de risico’s van de techniek in het algemeen.
Asymmetrische platenwarmtewisselaar cruciaal voor het nieuwe systeem
Voor het prototype maakte het onderzoeksteam gebruik van gangbare componenten. Een essentieel onderdeel van het systeem is een asymmetrische platenwarmtewisselaar. Daardoor heeft men minder koelmiddel nodig. Bovendien kon men de koelmiddelinhoud nog beperken door de hoeveelheid olie voor de compressor te verlagen. Extra onderdelen zoals sensoren werden tot een minimum beperkt om de leidinglengtes zo laag mogelijk te houden, wat eveneens tot een kleinere systeemhoud bijdraagt.
Propaanwarmtepompen voor utiliteiten
De volgende stap is de ontwikkeling van propaanwarmtepompen voor grotere toepassingen. Aan het Fraunhofer ISE is eind december 2022 het nieuwe project LCR290 – Low charge HP solutions gestart, om propaanwarmtepompen voor de appartementsbouw te ontwikkelen. Samen met fabrikanten en huisvestingsmaatschappijen wordt gewerkt aan eenvoudige standaardoplossingen voor het vervangen van gas- en stookolieketels in appartementen. Er is een budget van zeven miljoen euro voor uitgetrokken, en ook de Duitse overheid geeft steun. Het project loopt eind juni 2025 af.
Het onderzoeksteam werkt aan oplossingen voor drie situaties: verwarming voor individuele appartementen, centrale stookplaatsen in het gebouw, en buiten opgestelde warmtepompen met hogere vermogens. Voor individuele appartementen wordt voortgebouwd op de resultaten van LC150, met passende concepten voor buffering en warmtebron, hydraulische aansluitingen op de afgifte-installatie, en regelsystemen.
Conclusie
Op dit ogenblik werken de meeste warmtepompen op milieu-onvriendelijke F-gassen. Propaan is een milieuvriendelijk en goedkoop alternatief. Dat gas is echter brandbaar, zodat er tot nu toe zo goed als uitsluitend toestellen voor buitenopstelling beschikbaar waren. Een nieuwe ontwikkeling van het Fraunhofer ISE blijft onder de maximaal toegelaten koelmiddelinhoud voor binnenopstelling, en biedt toch voldoende vermogen voor een eengezinswoning. Ook voor utiliteiten loopt de ontwikkeling op volle toeren. Bezwaren in de sector dat propaan te gevaarlijk zou zijn, zijn ongegrond. In koelkasten wordt al lang op grote schaal gebruik gemaakt van brandbare koolwaterstoffen. Warmtepompen vertegenwoordigen geen groter risico.
Het project LC150 werd financieel ondersteund door het Duitse ministerie voor economie en milieu, dat ook het project LCR290 steun geeft.
Door: Katharina Morawietz, Lena Schnabel, Clemens Dankwerth, Timo Mehler (Fraunhofer ISE)
