Propaan weer populairder als koudemiddel bij warmtepompen

Zeer laag GWP gekoppeld aan uitstekende thermodynamische eigenschappen

Alles komt terug. In onze sector is de terugkeer van natuurlijke koelmiddelen het laatste voorbeeld. Gestimuleerd door verstrengde Europese wetgeving aangaande het gebruik van gefluoreerde broeikasgassen introduceren steeds meer fabrikanten warmtepompen die propaan (R290) als koudemiddel gebruiken. In tegenstelling tot enkele veelgebruikte synthetische koelmiddelen heeft propaan nauwelijks een impact op de klimaatopwarming. Maar daarnaast kan het ook gewoon uitpakken met uitstekende thermodynamische eigenschappen. En de pijnpunten op het vlak van veiligheid? Daar bestaan tegenwoordig oplossingen voor.

Diverse generaties koelmiddelen

Koudemiddelen dragen een lange geschiedenis met zich mee. Eentje van vallen en opstaan. Bij elke nieuwe generatie duiken er weer andere problemen op die, rechtstreeks of onrechtstreeks, te maken hebben met een negatieve invloed op onze gezondheid. Intussen zijn we aan de vierde generatie toe. En ook die is niet vrij van zorgen. Gek genoeg lijken we zo weer uit te komen bij de allereerste generatie. Een kort chronologisch overzicht.

• Natuurlijke koudemiddelen. Propaan hoort net als enkele andere natuurlijke koelmiddelen zoals ammoniak, ethaan of butaan tot de eerste generatie van stoffen die werden gebruikt voor koeldoeleinden. Weliswaar weinig belastend voor het milieu, zijn ze bijna allemaal brandbaar. Om deze reden en vanwege de beperkte mogelijkheden in die tijd om het hoofd te bieden aan de gevaren die daarmee gepaard gaan, werden alternatieven ontwikkeld.
  CFK's. In plaats van natuurlijke koudemiddelen kwam men met de eerste generatie van synthetische tegenhangers op de proppen: de op chloor gebaseerde CFK's, later vervoegd door de HCFK's. Maar ook deze beide groepen zijn intussen op de zwarte lijst beland. De reden? Ze brandden een gat in de ozonlaag. Hun gebruik is daarom aan strenge voorwaarden onderworpen (en vaak zelfs verboden).
• HFK's. Vandaag worden veel warmtepompen gekoeld met koelmiddelen als R-32, R-134a of R-410A. Ze maken deel uit van de groep van fluorkoolwaterstoffen of HFK's, de derde generatie van koudemiddelen. Jammer genoeg blijkt steeds duidelijker uit onderzoek dat ze in belangrijke mate bijdragen tot de opwarming van de aarde. Vandaar dat de Europese Unie strenge restricties heeft opgelegd, met het oog op een uitfasering in de loop van de volgende jaren. Maar daarover zo meteen meer.
• HFO's. De recentste en vierde generatie van koelmiddelen, de fluorwaterstofolefines (R-1234ze, R-1234yf), maakt komaf met alle bovenstaande bezwaren. Alleen rijst er een groot probleem bij lekkages. Het lijkt erop dat ze worden omgezet in een PFAS-houdend zuur als ze in contact komen met de buitenlucht. Omdat PFAS kanker kan veroorzaken, kijken de fabrikanten alweer uit naar andere oplossingen. Zo zijn ze opnieuw bij propaan terechtgekomen.

Wat propaan zo interessant maakt

Laat ons daarom de spots specifiek op propaan richten en laten we dat koelmiddel beoordelen op de volgende vier criteria: veiligheid, GWP, temperatuurbereik en efficiëntie (SCOP).

Veiligheid

Over veiligheid kan er weinig discussie bestaan, omdat dit criterium uiteenvalt in brandveiligheid en giftigheid en beide categorieën zijn genormeerd. Voor giftigheid hanteert men de klassen A en B, waarbij A staat voor een lagere toxiciteit en B voor een hogere toxiciteit. De categorie brandveiligheid bestaat op haar beurt uit vier klassen:

• 3 = hogere ontvlambaarheid
• 2 = lagere ontvlambaarheid
• 2L = lage ontvlambaarheid
• 1 = geen vlamverspreiding

Propaan krijgt de classificatie A3 mee. Met andere woorden: laag toxisch maar een hogere ontvlambaarheid. Daardoor hebben de fabrikanten van warmtepompen propaan lange tijd links laten liggen. Dat verandert nu onder druk van de Europese regelgeving, maar het noopt de fabrikanten natuurlijk wel tot enkele technische aanpassingen met het oog op de veiligheid én het stuurt hen in een bepaalde richting. Daar gaan we op het einde van dit artikel nog wat dieper op in.

Global Warming Potential

Nu is het tijd voor een streepje Europese wetgeving. De verordening F-gassen (517/2014) zal er namelijk voor zorgen dat koelmiddelen die slecht scoren op aardopwarmingsvermogen, duur en daardoor economisch onrendabel worden. Ze kregen namelijk een productiequotum opgelegd. De schaarste die zo ontstaat, zal de prijs van dergelijke stoffen dermate de hoogte in jagen dat ze niet langer interessant zijn. De maatregel is al sinds 2014 van kracht maar wordt volgend jaar weer verstrengd. Het effect zal zich daardoor almaar sterker laten voelen, aangezien de horizon voor de uitfasering niet veel verder ligt dan 2030.

Aardopwarmingsvermogen, of Global Warming Potential (GWP), is trouwens een relatieve waarde die aangeeft hoezeer een stof bijdraagt tot de opwarming van de aarde. CO₂ wordt daarbij als referentie gebruikt en krijgt de waarde 1. Ter vergelijking, R410A haalt een score van 2088! Dat wil zeggen dat voor dezelfde massa de impact van R410A op de klimaatopwarming 2088 keer groter is dan die van CO₂. Toegegeven: dat is een van de extreemste voorbeelden, maar helaas zijn alle HKF's in mindere of meerdere mate in datzelfde bedje ziek. Propaan, zo blijkt uit de tabel, heeft een GWP van slechts 3. Dat is een van de belangrijkste argumenten pro propaan.

Temperatuurbereik

Voor de werking van een warmtepomp zijn twee temperaturen belangrijk: enerzijds de minimale buitenluchttemperatuur en anderzijds de temperatuur waarop de warmtepomp het water maximaal moet kunnen brengen. Voor beide temperaturen moeten we naar het koudemiddel kijken, meer bepaald naar zijn kooktemperatuur en zijn kritische punt. Het temperatuurbereik van een warmtepomp ligt daar altijd tussen.

Opnieuw kan propaan terugvallen op voordelen die andere, veelgebruikte koelmiddelen niet hebben. Dankzij de hogere kritische temperatuur verloopt het verdampen en condenseren net wat anders, en dat opent interessante technische deuren: het zorgt ervoor dat een vertrektemperatuur van 70 °C tot de mogelijkheden behoort. Propaan is dus geschikt voor hogetemperatuurwarmtepompen, koudemiddelen als R-410A en R-32 niet. Je moet immers weten dat de maximale aan te maken temperatuur altijd wat lager ligt dan de kritische temperatuur.

Efficiëntie (SCOP)

Vaak wordt de efficiëntie van een warmtepomp uitgedrukt in de COP, maar eigenlijk geeft de SCOP een realistischer beter beeld, omdat daarin de invloed van onder meer de buitentemperatuur op de efficiëntie van de warmtepomp wordt meegenomen. Daarnaast speelt ook de stooklijn een rol. Hieronder vind je de SCOP van tien LW-warmtepompen bij een buitenluchttemperatuur van -10 °C, telkens met andere koelmiddelen. Op de y-as vind je de SCOP, op de x-as de watertemperatuur.

De grafiek toont aan dat propaan kan bogen op uitstekende thermodynamische eigenschappen. Overigens, door allerhande rendementsverliezen zal de warmtepomp die theoretische waarde nooit halen.

Huidige toepassingen

Eerder in dit artikel wezen we al op de hoge ontvlambaarheid van propaan. Om die reden heeft de wetgever de maximale hoeveelheid koelmiddel vastgelegd op 150 gram. Daarboven gelden strengere veiligheidsvoorschriften. Voor warmtepompen is het vrijwel onmogelijk om onder die grens te blijven. Warmtepompen met ietwat vermogen zitten al snel in buurt van 2 kg en meer. Vanuit veiligheidsoverwegingen en geconfronteerd met de beperkingen opgelegd van overheidswege zijn de huidige toepassingen van propaan in warmtepompen daarom toegespitst op monobloc-uitvoeringen. Maar ook die zijn niet zonder gevaar.

Er is sprake van dat de huidige wetgeving, die de lat legt op 150 gram koelmiddel, binnenkort zal worden versoepeld naar 450 gram. Als de geruchten kloppen, wordt de stap naar splittoestellen plots veel minder groot

Grosso modo moeten fabrikanten die propaan willen gebruiken in hun warmtepompen, uitkijken voor twee risico's. Ten eerste mag het gas in het geval van een lek nooit in contact komen met stopcontacten of andere voorwerpen die eventuele vonken zouden kunnen doen overslaan en het gas ontsteken. Dat veronderstelt een veiligheidszone met een straal van ongeveer 1 m rond de buitenunit.

Ten tweede moeten fabrikanten verhinderen dat het propaan via de condensor in het watercircuit kan lekken. Iedereen heeft daarvoor eigen oplossingen bedacht. Zo zijn er fabrikanten die werken met een dubbelwandige wisselaar, andere voorzien hun warmtepomp van een scheidingssysteem (bv. via glycol), en bij nog andere zorgt een combinatie van een tussenklep met een soort vlotter-kogelsysteem ervoor dat de weg naar binnen wordt geblokkeerd. Behalve die technische aanpassing zijn de koeltechnische componenten trouwens zeer gelijkaardig aan de "traditionele" warmtepompen.

Toekomst

Eindigen doen we met een korte blik op de toekomst. Er is sprake van dat de huidige wetgeving, die de lat legt op 150 gram koelmiddel, binnenkort zal worden versoepeld naar 450 gram. Bovendien zou er mogen worden gecumuleerd, wat fabrikanten ertoe zou kunnen aanzetten om voor cascadeopstellingen te kiezen. Als de geruchten kloppen, wordt de stap naar splittoestellen plots veel minder groot. Maar dat is vooralsnog verre toekomstmuziek. In vergelijking daarmee is de introductie van geothermische warmtepompen op propaan volgens de fabrikanten veel dichterbij.

Met de medewerking van Bosch Thermotechnolgy, Panasonci, Stiebel Eltron, Vaillant, Viessmann, Weishaupt en Wolf