Vergelijkend onderzoek naar prestaties van koudemiddelen in kleine warmtepompen

In mei 2021 zag een opvallend rapportover natuurlijke koudemiddelen in warmtepompen het licht. Overheidsloket RVO en Topsector Energie waren de opdrachtgevers; koel- en warmtepomptechnici René van Gerwen en Charles Geelen stelden het rapport op.

Verwachtingen rond natuurlijke koudemiddelen

De opdrachtgevende organisaties willen de behoefte, potentie en karakteristieken van natuurlijke koudemiddelen in warmtepompen beter in beeld hebben. De verwachting is dat deze koudemiddelen een belangrijke rol gaan spelen in de (nabije) toekomst, nu F-gassen door hun hoge broeikaseffect bij lekkage steeds meer regels krijgen opgelegd. René van Gerwen en Charles Geelen hebben de belangrijkste conclusies van hun onderzoek onlangs toegelicht in een webinar.

Focus op kleine warmtepompen

Bij het onderzoek lag de focus op kleinere warmtepompen voor woningen en kleine woongebouwen. Hamvraag was: hoe presteren natuurlijke koudemiddelen ten opzichte van veelgebruikte HFK-koudemiddelen als R410A en R32? Ook werd de nieuwe generatie F-gassen, de zogenaamde HFO-koudemiddelen, onder de loep genomen. Daarbij is specifiek naar R1234ze en R1234yf gekeken, twee koudemiddelen met een lage GWP-waarde van respectievelijk 0,97 en 4.

GWP van huidige koudemiddelen

Het onderzoek van Van Gerwen en Geelen is vooral ingegeven door het klimaatopwarmend effect dat de huidige F-gassen bij lekkage hebben. Dat effect wordt uitgedrukt in het inmiddels bekende GWP-getal dat aangeeft in welke mate een gas bijdraagt aan aardopwarming, en waarbij een GWP van 1 staat voor het effect van CO₂. Het populaire koudemiddel R410A is met een GWP van 2.088 een krachtig broeikasgas. Dat geldt in mindere mate ook voor R134a (1.430) en R32 (675).

Markt zoekt alternatieven

Vanwege die hoge klimaatbelasting zoekt de markt naar alternatieven, in de vorm van natuurlijke koudemiddelen. Ammoniak is in grotere koelsystemen al meer dan honderd jaar ingeburgerd en voor kleinere warmtepompen is propaan nu met een kleine opmars bezig. Maar hoe presteren natuurlijke koudemiddelen in vergelijking met bijvoorbeeld R410A en R32? En wat is de COP van HFO-koudemiddelen als ze worden toegepast in lucht/waterwarmtepompen?

Brandbare middelen

René van Gerwen en Charles Geelen gingen met de opdracht van RVO en Topsector Energie aan de slag. Een belangrijk verschil met R410A is dat vrijwel alle koudemiddelen met een lage GWP (R32, propaan, R1234yf/ze) brandbaar zijn. Het grote voordeel van R410A en R134a is de A1-kwalificatie (niet-brandbaar), terwijl R32 en de HFO-koudemiddelen de A2L-kwalificatie hebben omdat ze licht ontvlambaar zijn. Propaan valt als zeer brandbaar koudemiddel zelfs in klasse A3.

Minder koudemiddel nodig

De techniek helpt echter om de toepassing van brandbare middelen mogelijk te maken. Van Gerwen: “De terugkeer van natuurlijke koudemiddelen is mede mogelijk doordat er relatief minder koudemiddel nodig is dan vroeger. Het helpt ontzettend als je minder nodig hebt om een bepaalde capaciteit te realiseren.” Vooral bij de lagere vermogens van 4 tot 12 kW voor woningverwarming zijn dure veiligheidsmaatregelen niet of nauwelijks nodig. “Er zijn warmtepompconcepten die toekunnen met slechts 150 gram propaan.” Tot en met 150 gram zijn er geen veiligheids-maatregelen nodig.

Simulatiesoftware geeft inzicht

Om de prestaties bij verschillende temperaturen inzichtelijk te maken, werd simulatiesoftware op de koudemiddelen losgelaten. De software Cooltools (voorheen Coolpack) uit Denemarken kan de COP uitrekenen. Het is een reële simulatie, vindt Van Gerwen. De software houdt rekening met het rendement van de compressor, maar ook met leidingverliezen. Het stroomverbruik van ventilatoren, circulatiepomp(en) en elektronica is niet in de COP verwerkt. “Het gaat niet om de absolute hoogte van de kolommen, maar om de verschillen”, verduidelijkte Charles Geelen tijdens het webinar.

Tien koudemiddelen vergeleken

In Cooltools werden tien koudemiddelen aan een simulatie onderworpen. Daarbij ging het om vier F-gassen (R410A, R407C, R134a en R32) en vier natuurlijke koudemiddelen (propaan/R290, isobutaan/R600a, propeen/R1270 en ammoniak/R717). Daarnaast zijn de nieuwe generatie HFO’s meegenomen, in de vorm van R1234ze en R1234yf. Op alle koudemiddelen zijn steeds dezelfde bron- en afgiftetemperaturen losgelaten; zowel een brontemperatuur van +7 als -7 °C, de gangbare meetcondities voor lucht/water-warmtepompen. Het resultaat is afgebeeld in figuur 1 en 2.

Verschillende brontemperaturen

Voor de simulatie van bodemwarmtepompen werden de brontemperaturen 0 °C (gesloten collectoren) en 10 °C (open bronsysteem) aangehouden. Ten slotte is nog een brontemperatuur van 20 °C in het model gestopt. Dit is vooral interessant bij gebruik van (industriële) restwarmte als bron, en voor ventilatiewarmtepompen. De in de software ingevoerde temperatuur aan de afgiftezijde varieerde van 35 °C tot 75 °C (zie figuur 3). Met die hogere afgiftetemperaturen wilden de twee onderzoekers  duidelijk maken of met een bepaald koudemiddel een hoogtemperatuur-afgiftesysteem mogelijk is waarbij een acceptabele COP overblijft.

Natuurlijke koudemiddelen presteren beter

De resultaten van de simulaties met CoolTools zijn opvallend. Natuurlijke koudemiddelen blijken meestal beter te presteren dan het veelgebruikte R410A. Het prestatieverschil tussen R410A en R290 bedraagt 5 tot 10%. In vergelijk met het voorheen populaire koudemiddel R407C is propaan zelfs 10 tot 15% beter. Het grootste verschil bestaat tussen R407C en R600a (isobutaan). Dat natuurlijke koudemiddel scoort 15 tot 20% hoger.

Goede prestaties R134a

Opvallend is dat ook het synthetische gas R134a goede prestaties levert. Dit koudemiddel is in kleinere warmtepompen en airco’s de laatste jaren in de vergetelheid geraakt. In lucht/water-warmtepompen wordt R134a nog zelden gebruikt, bij bodemwarmtepompen past alleen Itho Daalderop het toe. De hoge GWP-waarde van 1.430 zit toepassing van dit koudemiddel in de weg.

R1234ze en R1234yf

Een andere opvallende uitkomst van het onderzoek is dat ook met de laag-GWP-koudemiddelen R1234yf en R1234ze relatief hoge COP’s worden bereikt. Dit zijn weliswaar geen natuurlijke koudemiddelen, maar de onderzoekers hebben ze toch meegenomen in de berekeningen. Deze nieuwe koudemiddelen hebben een zeer lage GWP-waarde (<4). Ze worden mondjesmaat toegepast in grotere waterchillers, veelal als vervanger van R134a, en zijn het standaardkoudemiddel voor nieuwe airco’s in auto’s.

Toepassingen met HFO’s

In stationaire kleinere warmtepompen voor woningen zijn pure HFO’s nog niet in gebruik, maar wel mengsels (blends) met een HFO. Twee jaar geleden zagen we op de vakbeurs ISH dat Ochsner R513A (een blend van R124a en R1234yf) toepast in een bodemwarmtepomp. Dat de twee R1234-koudemiddelvarianten goed scoren, kan verbazing wekken, aldus Van Gerwen. “Het gaat om complexe moleculen waar nog niet veel ervaring mee is opgedaan. De eerste resultaten zijn bemoedigend.”

Kanttekeningen bij HFO’s

Volgens Van Gerwen zijn er ook al geschikte compressoren op de markt om warmtepompen van 4 tot 12 kW te bouwen die op R1234yf/ze draaien. “Dat begint te komen en het wordt actief gepusht door enkele bedrijven.” De onderzoekers plaatsen wel de nodige kanttekeningen. “Er zijn onzekerheden over de nadelige milieueffecten van de stoffen. Bij lekkage valt het koudemiddel snel uit elkaar. Dat is de reden dat de GWP-waarde zo laag is, maar tegen de componenten waarin het middel uit elkaar valt, zijn de nodige bedenkingen. TFA – trifluorazijnzuur - is een punt van zorg, het wordt ook gelinkt aan de discussie over pfas-stoffen. Die worden ook wel de eeuwige chemicaliën genoemd.“

Prestaties R32 vallen tegen

Opvallend is ook dat R32 bij de simulaties een COP oplevert die vergelijkbaar is met die van R410A. Veel fabrikanten zetten dit koudemiddel juist in de markt als energie-effectiever. Door bestudering van de specs van lucht/water-warmtepompen concludeerden we in deze whitepaper al eerder dat het gebruik van R32 niet tot een hogere COP leidt. De simulatie met CoolTools toont dit nu ook aan.

Kritische temperatuur van CO₂

Koudemiddel CO₂ (R747) is door de onderzoekers niet meegenomen in het simulatieonderzoek. Dat heeft te maken met de speciale simulatietechnieken die erbij nodig zijn vanwege de extreem lage kritische temperatuur van dit koudemiddel. Daardoor condenseert het meestal niet in de condensor, maar blijft het gasvormig. Na de compressor passeert het CO₂ een gaskoeler. Wel zijn van de paar al op de markt aanwezig CO₂-warmtepompen de technische gegevens bij verschillende afgifte- en brontemperaturen bekeken en ingevoerd in een grafiek.

Effectief bij lage retourtemperatuur

Bij die exercitie bleek dit koudemiddel vooral effectief bij een lage temperatuur. Door de hoge persgastemperatuur is ook een hoge afgiftetemperatuur mogelijk. Als de retourtemperatuur laag is, zoals bij CO₂-tapwaterwarmtepompen, levert dit een keurige COP op. Al eerder beschreven we dat in de praktijk bij een huurwoning in Enschede het rendement van een CO₂-warmtepomp tegenvalt, vooral doordat het realiseren van een lage retourtemperatuur bij radiatoren lastig is.

Vooral geschikt voor tapwaterwarmtepompen

Uit het onderzoek naar de prestaties van CO₂ wordt bevestigd dat dit koudemiddel het bij radiatoren lastig heeft door de relatief hoge retourtemperatuur. Bij een afgiftetraject van 57/47 °C en een buitentemperatuur van +7 °C komt één toestel nog niet eens tot een COP van 1,5. Voor vloerverwarming met als afgiftetraject 35/30 °C is de COP ongeveer 3. CO₂-warmtepompen zijn vooral interessant voor tapwaterverwarming. Daarbij lukt het om de retourtemperatuur tot 10 °C terug te brengen, en dan werkt CO₂ wel effectief. De COP komt - afhankelijk van de buitentemperatuur - uit op 3,5 tot 4,75 (zie figuur 4).

Kansen voor Isobutaan?

Nu blijkt dat R600a, isobutaan, in veel gevallen het beste natuurlijke koudemiddel is, wekt het verbazing dat er nog geen enkele kleine warmtepomp is ontwikkeld die ermee kan werken. Onbekendheid kan niet het punt zijn; in elke huishoudkoelkast zit R600a. Dat het middel tot voor kort niet in beeld was voor toepassing in warmtepompen, heeft een andere reden. René van Gerwen: “Het heeft te maken met de beschikbaarheid van componenten. Die moeten door fabrikanten worden vrijgegeven voor een bepaald koudemiddel, vanwege garantie en aansprakelijkheid. Dat hebben ze met isobutaan niet gedaan voor warmtepomptoepassingen. Inmiddels zou het wel veel meer kunnen worden toegepast.”

Volumetrische capaciteit

Volgens Van Gerwen zijn propaancompressoren niet zonder meer geschikt voor R600a. “Ze zijn geoptimaliseerd voor de thermodynamische eigenschappen van een bepaald koudemiddel. De volumetrische capaciteit van isobutaan is aanzienlijk lager dan die van propaan. Hierdoor is de hoeveelheid koudemiddel die je moet rondpompen voor dezelfde hoeveelheid verwarmingscapaciteit veel groter. Je hebt dus grotere componenten nodig, en daarbij ook iets meer koudemiddelinhoud. Anderzijds is de soortelijke massa van isobutaan relatief laag, net als die van propaan. Dat maakt de inhoud in kilogrammen wat kleiner.”

‘Meer marktvraag leidt tot prijsdaling’

Van Gerwen ziet dat er steeds meer compressoren beschikbaar komen voor een veelheid aan koudemiddelen. Hij vindt het verstandig dat fabrikanten van warmtepompen die een overstap naar natuurlijke koudemiddelen overwegen, starten met een evaluatie van toepasbare middelen en daarbij ook R600a serieus meenemen. Als steeds meer fabrikanten ervoor kiezen, zal dat tot een prijsdaling van compressoren leiden. “Als de marktvraag naar isobutaan groter wordt, zullen de componenten steeds beter en goedkoper worden.”