WARMTEPOMPEN
Install Magazine 964 – oktober 2019

Koelmiddelen voor warmtepompen

Waar gaan we naartoe?

De overschakeling op alternatieve koelmiddelen en de efficiëntere omgang met de courante koelmiddelen zijn vandaag de meest belangrijke kwesties in de sector. Ze hebben hun oorsprong in de klimaatproblematiek en de prijsevoluties op de markt van koelmiddelen. De uitdaging voor nieuwe koelmiddelen bestaat erin om de diverse vereisten met elkaar te verzoenen, meer bepaald hoog rendement, een zo groot mogelijke veiligheid en een zo laag mogelijk effect op het milieu.

Een eerste vaststelling: warmtepompen zijn een milieuvriendelijke en toekomstgerichte verwarmingstechniek. Een moderne installatie bespaart tot 70% CO₂-uitstoot. Als de warmtepomp op groene stroom werkt, is ze zelfs klimaatneutraal. Experts zijn het erover eens dat de overschakeling op warmtepompen een van de belangrijke pijlers van de energietransitie wordt. Het is de verwarmingstechniek met de grootste toekomstkansen. De impact van de F-gassenverordening verandert daar niets aan. De warmtepompconstructeurs zullen blijven efficiënte en veilige systemen op de markt brengen, die wezenlijk zullen bijdragen tot de klimaatdoelstellingen.

Warmtepompen hebben echter een koelmiddel nodig om de energie uit de warmtebron (lucht, bodem, grondwarmte, in sommige gevallen restwarmte) op een bruikbare temperatuur te brengen. Het is een werkingsmedium in een gesloten kringloop. Het verdampt bij lage druk en neemt daarbij energie uit de omgeving op. In de compressor stijgt de druk en dus ook de temperatuur. De energie van de warmtebron en de aandrijving kan dan gebruikt worden, in de eerste plaats om gebouwen op temperatuur te houden of om drinkwater te verwarmen.

Gangbare warmtepompen hebben doorgaans een koelmiddelinhoud van 1 tot 6 kg, naargelang het type koelmiddel en het vermogen van de installatie. Het koelmiddel wordt niet verbruikt; het dient alleen voor warmtetransport en veroudert daarbij niet. Het moet dus in principe nooit vervangen worden. De koelmiddelcircuits in warmtepompen zijn hermetisch gesloten en het koelmiddel kan niet ontsnappen, net als bij een koelkast. Bij de productie van de warmtepompen wordt hierop uitgebreid gecontroleerd. Bovendien legt de F-gassenverordening regelmatige dichtheidstests op, in functie van de koelmiddelinhoud.

Aan het einde van hun levensduur moeten warmtepompen vakkundig ontmanteld worden. Daarbij wordt het koelmiddel volledig verwijderd en opgevangen, waarna het ofwel wordt vernietigd dan wel gerecycleerd en opnieuw gebruikt.

Waar staan we met de F-gassenverordening?

Het doel van de F-gassenverordening is om de totale hoeveelheid gefluoreerde koelmiddelen, uitgedrukt in CO₂-equivalent, stapsgewijs te verminderen zodat men tegen 2030 op een niveau uitkomt dat 79% lager ligt dan het referentiejaar 1990. Dit noemt men de phasedown. De meest recente stap in deze vermindering kwam er in 2017, waarbij de totale hoeveelheid die op de markt mag worden gebracht, teruggebracht werd tot 63% van het referentiejaar. De volgende stap komt er in 2021, met een reductie tot 45%. De verordening slaat op het gebruik van deels gehalogeneerde fluorkoolwaterstoffen (HFK’s), dus ook veel courante koelmiddelen voor warmtepompen. Het plafond, uitgedrukt als CO₂-equivalenten die op de markt mogen worden gebracht, gaat systematisch naar omlaag. De meest recente verlaging van dit plafond zorgde in de eerste plaats voor prijsstijgingen van veelgebruikte koelmiddelen (R134a, R410A en R407C). De phasedown bevordert dus de overschakeling op koelmiddelen met een laag GWP. Hiervoor moeten echter nog in vele gevallen passende componenten ontwikkeld worden.

De F-gassenverordening houdt ook een verbod in op zekere koelmiddelen, maar dat heeft geen gevolgen voor de warmtepompsector. De huidige koelmiddelen zullen ook beschikbaar blijven, bijvoorbeeld voor reparaties of als er een kleine hoeveelheid moet worden bijgevuld. Gerecycleerde koelmiddelen vallen buiten de regeling. Het belang van gerecycleerde koelmiddelen neemt overigens toe; hergebruik is ondertussen een courante praktijk geworden.

Milieu-impact van koelmiddelen

In warmtepompen worden doorgaans fluorkoolwaterstoffen (HFK’s) toegepast. In tegenstelling tot de gechloreerde fluorkoolwaterstoffen (HCFK’s), die al lang in Europa verboden zijn, zijn deze niet schadelijk voor de ozonlaag. De meest gebruikte HFK’s zijn niet brandbaar of giftig. Het zijn dus veilige koelmiddelen en behoren dan ook tot veiligheidsklasse A1 volgens ISO 817. Ze hebben ook uitstekende thermodynamische eigenschappen, zodat warmtepompen met deze stoffen een zeer hoog rendement kunnen bereiken.

Het effect op de aardopwarming wordt uitgedrukt als het Global Warming Potential (GWP). De referentie daarvoor is het broeikaseffect van CO₂, waarvan het GWP per definitie gelijkgesteld is aan 1. Bij een koelmiddel treedt dit schadelijk effect echter alleen op bij een lek, wat uiteraard een uitzonderlijke toestand is.

Door de phasedown wordt het interessanter om over te schakelen op koelmiddelen met een lager GWP. Dat zijn onder meer andere HFK’s, HFO’s (hydrofluorolefines) of de zogenaamde ‘natuurlijke koelmiddelen’ (zoals CO₂, ammoniak of propaan)

Deze laatste hebben een zeer laag GWP, maar hebben telkens ook specifieke nadelen, zoals brandbaarheid, giftigheid of energie-efficiëntie. Dat beperkt hun gebruik tot specifieke toepassingen. Wil men ze inzetten in warmtepompen, dan zijn er bijkomende maatregelen nodig.

De overschakeling op laag-GWP koelmiddelen kan op verschillende manieren gebeuren. Bij toestellen voor verwarming zijn er relatief nieuwe ontwikkelingen van koelmiddelen die tot de klasse van de moeilijk ontvlambare middelen behoren (veiligheidsklasse A2L). Dat zijn onder meer R32 (difluormethaan) of R454B en R454C (HFO-mengsels). Wat natuurlijke koelmiddelen betreft, zien we in de warmtepompsector vooral propaan (R290, veiligheidsklasse A3).

Propaan heeft goede thermodynamische eigenschappen. Het is echter licht ontvlambaar, waardoor er hogere eisen aan de veiligheid gesteld worden. Opstelling binnen gebouwen is nog niet echt gebruikelijk.
Ammoniak is klimaatneutraal en wordt voornamelijk ingezet in grotere koelinstallaties. Voor verwarming wordt het zelden toegepast. Door de hoge specifieke verdampingsenthalpie kan de koelmiddelinhoud relatief laag blijven. De installatie mag echter geen koperhoudende metalen bevatten. Ammoniak is ontvlambaar en giftig, en kan ook tot letsels leiden bij aanraking. De scherpe geur is meteen merkbaar, ook bij geringe concentraties.
Koolstofdioxide (CO₂) is niet brandbaar en niet giftig. Warmtepompen op CO₂ kunnen zeer hoge vertrektemperaturen bereiken. Bij lagere temperaturen zijn ze echter minder efficiënt dan de eerder vermelde koelmiddelen. Een ander nadeel zijn de hogere drukken. Alle componenten moeten dus speciaal drukbestendig zijn.
R32 is een HFK die nu al wordt gebruikt als component in verschillende koelmiddelmengsels. Het GWP bedraagt 675, minder dan een derde van dat van R410A. Het behoort tot de klasse van moeilijk ontvlambare koelmiddelen (A2L).
R454B is een mengsel van R32 en de HFO R1234yf. Het GWP is 460, amper 22% van dat van R410A. Ook R454B is een moeilijk ontvlambaar koelmiddel van de klasse A2L. R454C is eveneens een mengsel van R32 en R1234yf, maar dan met een nog lager GWP, namelijk 148. Net als de voorgaande is dit een moeilijk ontvlambaar koelmiddel, klasse A2L.

De koelmiddelen die nu in warmtepompen gebruikt worden, kunnen niet zomaar vervangen worden door andere stoffen. Men kan een koelmiddel alleen maar vervangen mits toelating door de constructeur van de warmtepomp.

Wat GWP betreft, kunnen we koelmiddelen indelen in vier klassen:

Super Low GWP: <150

Low GWP: 150 tot 750

High GWP: 750 tot 2500

Very High GWP: >2500

Een voorbeeld: het CO₂-equivalent van R134a (Tetrafluorethaan) is 1430. Dat betekent dat een kilogram R134a in de eerste 100 jaar nadat het in de atmosfeer is terecht gekomen 1430 keer sterker bijdraagt tot het broeikaseffect dan een kilogram CO₂. Anders gezegd, de uitstoot van 1 kg R134a is gelijk aan de uitstoot van 1430 kg CO₂.

Globale klimaatbalans

Bij de beoordeling van een warmtepomp mag men zich niet blind staren op het koelmiddel. Voor een werkelijk globale evaluatie moet men kijken naar de Total Equivalent Warming Impact (TEWI) in functie van de toepassing van de warmtepomp. Dit houdt onder meer ook rekening met het elektrisch verbruik tijdens de werking. Voor elektrisch aangedreven warmtepompen betekent dit ook de CO₂-uitstoot van de elektriciteitsproductie. Voor traditionele verwarmingstoestellen kan men eveneens een TEWI-score bepalen. In dat geval kijkt men alleen naar het energieverbruik in werking. Omdat warmtepompen een uiterst klein lekpercentage hebben, is de GWP-waarde van het koelmiddel op zich minder relevant. Doorslaggevend is het totale plaatje van lekkage, koelmiddelinhoud en mogelijkheden tot recyclage. De TEWI-score houdt ook rekening met de klimaatimpact bij de werking, bijvoorbeeld de impact als gevolg van de verwarmingsfunctie. Zo kan men verschillende technieken onderling vergelijken.

De volgende parameters spelen daarbij een rol:

TEWI = lekratio + recyclageverlies + energiebehoefte.

= GWP x jaarlijkse lekkage x werkingstijd

+ (GWP x koelmiddelinhoud x recyclagefactor

2 draaitijd x energiebehoefte x CO₂-uitstoot

Zoals figuur 3 toont, komt een warmtepomp altijd voordelig uit deze vergelijking. We vergeleken hier warmtepompen op verschillende koelmiddelen met een condensatieketel op gas met een hoog rendement van 92%. Alle systemen hebben een verwarmingsvermogen van 5 kW. Op basis van 2000 uur vollast, komen we zo op een verwarmingsbehoefte van 10 MWh. Voor de eenvoud gaan we bij de warmtepompen uit van een COP op jaarbasis van 4,2, een koelmiddelinhoud van 3 kg en een lekkage van 1% per jaar. Op het einde van de levensduur wordt 95% van het resterende koelmiddel gerecycleerd. De uitstoot wordt bepaald op 565 g CO₂/kWh voor elektriciteit en 250 g CO₂/kWh voor aardgas. Het is meteen duidelijk dat de klimaatimpact als gevolg van lekken van koelmiddel totaal verwaarloosbaar is, vergeleken met de uitstoot als gevolg van het energieverbruik. Voor het gemak namen we aan dat alle warmtepompen dezelfde koelmiddelinhoud hebben, hoewel die in de praktijk zal uiteenlopen, in functie van het type koelmiddel, het type warmtepomp (monoblok of split), ook al is het verwarminsgvermogen hetzelfde.

Veiligheidsaspecten van koelmiddelen

In functie van veiligheidsaspecten zoals brandbaarheid en giftigheid worden koelmiddelen ingedeeld in veiligheidsklassen zoals voorgesteld in figuur 5.

Tegenstrijdige eisen

Koelmiddelen voor warmtepompen hebben verschillende eigenschappen op het vlak van veiligheid, rendement en broeikaseffect. Het ideale koelmiddel, zonder klimaateffect, niet brandbaar en niet giftig, en met uitstekende thermodynamische eigenschappen, bestaat echter niet. Elke keuze is dus altijd een compromis. Bovendien speelt het financiële aspect hier een belangrijke rol. Zo betekenen bijkomende veiligheidsmaatregelen doorgaans bijkomende kosten. Dat speelt mee bij de selectie van een koelmiddel.

Nieuwe koelmiddelen in de praktijk

De kans dat er, eenmaal geïnstalleerd, bij een warmtepomp later nog koelmiddel moet worden bijgevuld of vervangen, is uiterst miniem. Warmtepompen zijn doorgaans volledig hermetisch gesloten (monoblok uitvoeringen) of permanent afgedicht (split-uitvoeringen). Lekkages zijn zo goed als uitgesloten. Eenmaal een warmtepomp in werking is, moet er normaal gezien geen koelmiddel meer aan worden toegevoegd.

Als het dan toch tot een ingreep komt, kan het koelmiddel meestal worden afgezogen, en later opnieuw gebruikt. In die gevallen waar hergebruik van het koelmiddel niet meer mogelijk is, kan men meestal voor verwerking ervan kiezen. Recyclage en verwerking zijn alleen mogelijk als de verschillende koelmiddelen echter strikt gescheiden opgevangen worden. Hierbij mag men niet vergeten dat gerecycleerd koelmiddel dezelfde kwaliteit heeft als nieuw geproduceerd. Het wordt niet opgenomen in de F-gassen quota, en de beschikbaarheid van recyclage-koelmiddel vermindert dus de spanning tussen vraag en aanbod op de markt.

In een bestaande installatie mag een koelmiddel alleen vervangen worden door hetzelfde type. Het koelcircuit van een warmtepomp is immers afgestemd op een specifiek koelmiddel. Om dat alle componenten geoptimaliseerd zijn voor dat specifieke koelmiddel, kan de vulling met een ander koelmiddel leiden tot defecten, andere werkingsparameters of een drastische daling van het rendement. Als een koelmiddel niet is vrijgegeven door de constructeur van het toestel, vervalt trouwens ook de garantie.

Het is absoluut uitgesloten om een niet-brandbaar koelmiddel te vervangen door een brandbaar. Zoiets komt neer op zware nalatigheid. Als er daardoor ongelukken ontstaan, ligt de verantwoordelijkheid duidelijk bij het installatiebedrijf dat de vervanging heeft uitgevoerd.

Wat betekenen alternatieve koelmiddelen voor installatie en service?

Nieuwe koelmiddelen betekenen noodzakelijkerwijze ook aanpassingen aan de koelcircuits. Hiervoor moeten de bijbehorende componenten ontwikkeld worden. Voor de fabrikanten van componenten is dat doorgaans een tijdrovend proces.

Als men een koelmiddel van een andere veiligheidsklasse toepast, is er ook een nieuwe risico-analyse van de installatie nodig. Dat begint met het ontwerp van de producten en beveiligingen, die moeten worden aangepast aan het gebruik van brandbare stoffen. Daarbij moeten de geldende regels en normen worden gerespecteerd.

Het gebruik van alternatieve koelmiddelen met een hoger brandrisico kan de keuze van de plaatsing van de installatie beperken. De handleiding voor installatie en ontwerp van de fabrikant moet op dit vlak zorgvuldig gevolgd worden. Omdat de veiligheid van de installatie gegarandeerd moet blijven, zal dit voor een aantal koelmiddelen betekenen dat alleen nog een buitenopstelling mogelijk is.
De vaklui moeten zich regelmatig informeren bij vakorganisaties, fabrikanten en leveranciers over recente en te verwachten ontwikkelingen.
Voor werken met brandbare koelmiddelen is een aangepaste opleiding nodig, bijvoorbeeld volgens de norm EN 13313.
De nieuwe toestellen op brandbare koelmiddelen hebben bijkomende eisen wat de installatie betreft, zoals bijvoorbeeld minimale afmetingen van de ruimtes in functie van totale koelmiddelinhoud.
Bij het vullen van een warmtepomp met A2L of A3-koelmiddelen moet de fabrikant investeren in bijkomende veiligheidsmaatregelen, zowel voor de productieruimtes als voor de testlabo’s.

Bij dat alles blijft het van cruciaal belang dat vaklui en de industrie nauw samenwerken rond dit thema, zodat de installateurs goed voorbereid zijn op het hanteren van alternatieve koelmiddelen. Het is immers te verwachten dat de warmtepomptechniek nog een aanzienlijk groeipotentieel heeft, ook in bestaande gebouwen.

Door: Alexander Sperr (Bundesverband Wärmepumpe e.V.)

Figuren: BWP