door Monika Witt, presidente van eurammon, het Europese initiatief voor natuurlijke koudemiddelen Natuurlijke koudemiddelen, ontwikkelingen en trends Belangrijke criteria als veiligheid, kosten en milieu bepalen de keuze van een koudemiddel voor een koelinstallatie of een airconditioningsysteem. Met de stijgende kosten van energie speelt het energiegebruik een steeds belangrijker rol. In het ideale geval beschikt het koudemiddel over uitstekende thermodynamische eigenschappen, goede fysische karakteristieken en chemische stabiliteit. Verder is de invloed op het milieu te verwaarlozen en is het goedkoop en overal ter wereld te verkrijgen.
Er is echter geen enkel koudemiddel dat aan al deze eigenschappen voldoet. Daarom hangt in de praktijk de keuze voor de meeste koudemiddelen af van een aantal verschillende factoren. Het toepassingsgebied en de daarbij behorende vereisten, de plaats van de installatie en milieuaspecten spelen een rol. Maar bovenal is het de totale effectiviteit van de koelinstallatie, waarbij ook het deellastgedrag wordt betrokken, die een doorslaggevende invloed heeft op het energiegebruik, omdat het totale ontwerp veel belangrijker is dan alleen de keuze voor een koudemiddel. Aan de andere kant toont een groot aantal projecten van systemen werkend met natuurlijke koudemiddelen aan dat deze bijzondere efficiënt en milieuvriendelijk zijn. Koelen met ammoniak overtuigt Ammoniak is een koudemiddel met aantoonbaar goede thermodynamische eigenschappen. Het is het enige koudemiddel dat de industrie niet graag zou missen vanwege zijn hoge effectiviteit. Ammoniak is ook niet te verslaan in milieutechnisch opzicht: het heeft een ozonaantastend vermogen (ozone depletion potential = ODP) en een broeikaseffect (global warming potential = GWP) van 0 en een gunstige TEWI-balans vanwege de hoge COP van ammoniakkoelinstallaties. (TEWI = total equivalent warming impact; COP = Coefficient of Performance) In industriële systemen met capaciteiten van meer dan 500 kw is ammoniak het beste op het gebied van energie- en kosteneffectiviteit. En het vindt ook meer en meer toepassing op kleinere schaal, bijvoorbeeld in systemen van minder dan 500 kw, waarin de ammoniakinhoud wordt verminderd door te kiezen voor een (secundaire) koudedrager. Op dit moment vindt intensief onderzoek plaats van systemen met geringe capaciteit, met onder andere Monika Witt, presidente van eurammon, het Europese initiatief voor natuurlijke koudemiddelen. als doel het ontwikkelen van kleine, semi-hermetische en hermetische compressoren met een afgegeven vermogen van minder dan 100 kw. Tegelijkertijd zijn voor datzelfde doel kleinere warmtewisselaars in ontwikkeling. Verder zijn er diverse projecten gaande die een vereenvoudigd smeersysteem onderzoeken met oplosbare oliën die de toepassing van DX-systemen vereenvoudigen. Bovendien wordt ammoniak meer en meer toegepast op gebieden die tot voorheen gedomineerd werden door de synthetische koudemiddelen. Zo zijn bijvoorbeeld alle grote Duitse tentoonstellingsgebouwen, banken, verzekeringsmaatschappijen en kantoorgebouwen uitgerust met ammoniak-vloeistofkoelers voor de airconditioning. Zelfs moderne luchthavens maken in toenemende mate gebruik van ammoniaksystemen omdat risicoanalyses aantonen dat ammoniak geen groter potentieel risico voor het publiek op de luchthavens inhoudt dan een systeem met synthetische inhoud. Energie- en kostenbesparingen In de afgelopen tien jaar is de interesse in koelinstallaties met CO 2 als koudemiddel sterk toegenomen. Dit komt mede door het feit dat de multinational Nestlé voordurend de nadruk heeft gelegd op de ontwikkeling van NH 3 / CO 2 -cascadekoelinstallaties. Het bedrijf demonstreerde de energie-effectiviteit van deze installaties in Europa, de VS en Japan. Andere ondernemingen volgden prompt. Bovendien wordt deze trend door de diverse overheden aangemoedigd. Zo geeft enerzijds de Nederlandse overheid aanzienlijke belastingvoordelen bij CO 2 -systemen, terwijl anderzijds in Scandinavische landen de belasting op synthetische koudemid-
delen aanzienlijk is gestegen. CO 2 is bijzonder geschikt voor warmteterugwinning of voor warmtepompsystemen. Deze systemen worden al breed toegepast in Azië en men verwacht dat andere landen spoedig zullen volgen. Hoeveel energie er kan worden bespaard door het gebruik van CO 2 als koudemiddel is vooral afhankelijk van de omgevingstemperatuur. De effectiviteit van een CO 2 -systeem is duidelijk superieur aan een systeem met synthetische koudemiddelen wanneer het systeem wordt gebruikt in het subkritisch gebied. Maar ook in het superkritische gebied is al succes behaald bij het optimaliseren van de systeem-effectiviteit. Dit wordt onder andere bevestigd door Coca Cola Company die zowel CO 2 als R134a gebruikt voor zijn 550-literkoelinstallaties met als resultaat dat de systemen werkend met CO 2 twintig tot dertig procent minder energie gebruiken. In het trans- of superkritisch gebied (temperaturen > 31.2 C), zijn CO 2 - systemen in principe minder efficiënt dan installaties met synthetische koudemiddelen. Maar zelfs dan, over een geheel jaar bezien, zijn CO 2 -systemen vaak efficiënter dan de synthetischekoudemiddelsystemen, omdat de meeste systemen het grootste deel van de tijd toch werken in het subkritisch gebied, zeker in de gematigde klimaatgebieden. Klimaatneutrale koeling Koolwaterstoffen, zoals butaan, propaan en propeen zijn ideale koudemiddelen. Butaan wordt bijvoorbeeld met groot succes toegepast in meer dan 300 miljoen huishoudkoelkasten die thans in gebruik zijn. Verder kan men butaan in toenemende mate vinden in kleinere commerciële koelin- stallaties. De limonadefabrikant Pepsy bijvoorbeeld heeft de effectiviteit vergeleken van kleine drankenkoelers met maximaal 150 gram koudemiddel en stelde vast dat de units die met butaan werken tot 27 procent minder energie gebruiken dan die met R134a. Vanaf dat moment verkiest de fabrikant voor deze koelers butaan en deze onderneming is niet de enige. Ben & Jerry gebruiken butaan in hun consumptieijsvriezers voor het eerst in de VS, met hoogst bevredigende resultaten. De eigenschappen van propaan gelijken sterk op die van R22. Sommige Aziatische landen hebben daarom R22 vervangen door propaan in centrale airconditioningsystemen en vermelden een vermindering van het energiegebruik tussen de tien en dertig procent met slechts minimale noodzakelijke aanpassingen aan de systemen. Unilever heeft ook de voordelen van propaan als koudemiddel erkend: al tijdens de Olympische Spelen 2000 in Brisbane en Sidney heeft de onderneming een praktijkonderzoek gedaan naar 360-literconsumptie-ijs-vriezers, waarbij de werking met propaan en R404A vergeleken werd. Gemiddeld genomen behaalden de propaansystemen een energiebesparing rond de negen procent. Koolwaterstoffen hebben uitstekende thermodynamische eigenschappen en dat is de reden waardoor installaties werkend met koolwaterstoffen zo buitengewoon efficiënt zijn. Tot nu heeft Europa een beperking ingesteld van 150 gram koolwaterstofkoudemiddel per installatie. Dit is echter een tamelijk willekeurige beslissing. Het zou beter zijn wanneer de limiet afhankelijk wordt gemaakt van de heersende omstandigheden per geval. Aanbevelingen voor dergelijke werkgebiedafhankelijke limietwaarden kunnen samengevat en ontwikkeld worden, bijvoorbeeld in het raam van een wetenschappelijk onderzoeksproject. Grotere koudemiddelvullingen kunnen waarschijnlijk toegestaan worden als de propaanvulling zich boven op het dak van een gebouw bevindt, of in goed geventileerde ruimtes. In de VS blijkt de bereidheid te bestaan de zaak te heroverwegen. Het gebruik van koolwaterstoffen is tot op heden beperkt tot industriële toepassingen. Deze beperking kan in de toekomst mogelijk opgeheven worden. Voor de eerste keer heeft de US Environmental Protection Agency (EPA met zijn hoogste kritisch standpunten inzake stoffen die een veiligheidsrisico inhouden vanwege de productaansprakelijkheidswetgeving) het houden van een praktijkstudie goedgekeurd die 200 koelinstallaties met brandbare koudemiddelen gaat beproeven. Dit kan een werkelijk doorbraak betekenen! Koelen met water De verdamping van water is altijd al in gebruik geweest als een middel om te koelen. Hoewel de methode op betrekkelijk natuurlijke wijze functioneert in het menselijk lichaam door transpiratie, is het echter op industriële schaal nog steeds een uitdaging. Grote hoeveelheden water zijn nodig om een doeltreffende koeling te verkrijgen en dat vraagt op zijn beurt de inzet van turbocompressoren. Geschikte machines zijn axiale compressoren met een relatief klein vloeroppervlak en veel druktrappen of radiale compressoren in serie geschakeld. Deze compressoren zijn echter gevoelig voor fluctuaties van de belasting en dienen eigenlijk zo constant mogelijk te werken. De situatie wordt verder gecompliceerd door het feit dat de werking plaats vindt in een hoog vacuüm, hetgeen een hermetisch afgesloten systeem vereist. Deze complicaties worden echter op de koop toe genomen vanwege de zeer grote energiebesparing van rond 25 procent
Natuurlijke koudemiddelen Ammoniak (NH 3 ) Ammoniak is met succes al meer dan 100 jaar toegepast als koudemiddel in industriële koelinstallaties. Het is een kleurloos gas, wordt vloeibaar onder druk en heeft een doordringende, stekende geur. In de koudetechniek is ammoniak bekend als R717 (R = Refrigerant) en wordt als koudemiddel synthetisch geproduceerd. Ammoniak heeft geen ozonlaagaantastende eigenschappen (ODP = 0) en geen direct broeikaseffect (GWP = 0). Dankzij de hoge energie-effectiviteit is indirecte bijdrage aan het broeikaseffect ook gering. Ammonia is brandbaar maar de ontstekingsenergie is 50 maal hoger dan die van aardgas en ammoniak brandt daarom niet zonder ondersteuning van een externe vlam. Vanwege de hoge affiniteit van ammoniak met atmosferische vochtigheid wordt ammoniak geclassificeerd als nauwelijks brandbaar. Ammoniak is giftig maar waarschuwt door zijn doordringende geur aanwezigen reeds bij concentraties van 3 mg/m³ ammoniak/lucht. Dit houdt in dat ammoniak zich duidelijk beneden de concentratie bevindt waarbij sprake is van gezondsheidsbedreiging ( >1750 mg/ m³). Bovendien is ammoniak lichter dan lucht en stijgt daardoor snel. Kooldioxide (CO 2 ) Kooldioxide is bekend in de koudetechniek als R744 en kent een lange geschiedenis vanaf het midden van de 19e eeuw. Het is een kleurloos gas dat onder druk vloeibaar wordt, met een licht zurige geur en smaak. Kooldioxide heeft geen ozonlaagaantastende eigenschappen (ODP = 0) en een verwaarloosbare direct broeikaseffect (GWP = 1) wanneer het als koudemiddel in een gesloten circuit wordt toegepast. Het is een niet brandbaar, chemisch inert gas en zwaarder dan lucht. Kooldioxide heeft een narcotiserend en verstikkend effect bij hoge concentraties. Kooldioxide komt in de natuur in grote hoeveelheden voor. Koolwaterstoffen Koelinstallaties die werken met koolwaterstoffen zoals propaan (R290, C3H8), propeen (R1270, C3H6) of isobutaan (R600a, C4H10) als koudemiddel zijn overal ter wereld al vele jaren in gebruik. Koolwaterstoffen zijn kleurloze en praktisch geurloze gassen die vloeibaar worden onder druk en hebben geen ozonlaagaantastende eigenschappen (ODP = 0) noch een significant direct broeikaseffect (GWP = <3). Dank zij de uitstekende thermodynamische eigenschappen zijn koolwaterstoffen bijzonder energie-efficiënte koudemiddelen. Koolwaterstoffen zijn brandbaar, maar dank zij de hedendaagse veiligheidsvoorschriften en -maatregelen zijn lekverliezen praktisch nihil. Koolwaterstoffen zijn overal ter wereld tegen lage kosten verkrijgbaar en worden dank zij hun ideale koudemiddeleigenschappen gewoonlijk toegepast in kleine installaties met lage koudemiddelinhoud. vergeleken met een gebruikelijke R134a waterkoeler. Dit is de reden dat heden in Frankrijk en Dresden, Duitsland, onderzoek wordt gedaan aan prototypes met zowel radiale als axiale compressoren. Lucht Lucht is als koudemiddel interessant voor temperaturen beneden 50 C. Systemen met gesloten luchtkringloop zijn bijzonder overtuigend vanwege het opvallend snelle koelen tegen lage energiekosten. Toch is lucht nooit op grote schaal toegepast als koudemiddel vanwege de betrekkelijk hoge kosten van het gehele systeem. Om de noodzakelijke massastromingsdichtheid te verkrijgen zijn kostbare turbocompressor- en expansieturbinesystemen nodig benevens speciale asafdichtingen om de lekkage te minimaliseren. Wel zijn met lucht als koudemiddel werkende systemen bijzonder compact. Dit is de reden waarom zij in deze tijd voornamelijk gebruikt worden voor het vloeibaar maken van gas op tankschepen, waar de hoge kosten worden gerechtvaardigd vanwege de beperkte plaats die de installatie aan boord inneemt. Dubbel voordeel Natuurlijke koudemiddelen zijn goedkoop, alom verkrijgbaar en kunnen toegepast worden voor praktisch alle koeltoepassingen. Bovendien kennen ze een bijzonder laag broeikaseffect (GWP) vergeleken met synthetische koudemiddelen. Dit alleen al zou reden genoeg zijn om deze koudemiddelen aan te bevelen. Bovendien zijn ze bijzonder energie-efficiënt. Bedenk dat meer dan 80 procent van het broeikaseffect door mechanische koeling en airconditioning wordt veroorzaakt door het energiegebruik en niet door koudemiddellekkage. Op dit moment wordt rond vijftien procent van het totale elektriciteitsproductie gebruikt voor de opwekking 28
Ozonlaagaantastend vermogen (Ozone Depletion Potential = ODP) De ozonlaag wordt beschadigd door de katalytische reactie van chloor, fluor en broom in chemische verbindingen waarbij ozon (O 3 ) wordt gereduceerd tot zuurstof (O 2 ) en dus de ozonlaag wordt afgebroken. Men noteert de ODP van een chemische verbinding als chloorequivalent (ODP van een chloormolecuul (Cl2) = 1). Broeikaseffect (Global Warming Potential = GWP) Het broeikaseffect ontstaat door de eigenschap van stoffen in de atmosfeer om de warmte die de aarde uitstraalt terug naar de aarde te reflecteren. Het directe broeikaseffect (GWP) van een verbinding wordt genoteerd als CO 2 -equivalent (GWP van een kooldioxidemolecule = 1). Over eurammon eurammon is een gezamenlijk Europees initiatief van ondernemingen, instituten en individuele personen ter bevordering van het gebruik van natuurlijke koudemiddelen. eurammon ziet als taak een platform te zijn voor informatie-uitwisseling en het publiek bewust te maken inzake het gebruik van natuurlijke koudemiddelen. Het doel van eurammon is de promotie van natuurlijke koudemiddelen ter wille van een gezond milieu. Daarbij behoort een duurzame ondersteuning aan de koudetechnische industrie. eurammon doet dat in de vorm van uitgebreide technische informatie over alle aspecten van de natuurlijke koudemiddelen aan deskundigen, politici en de bevolking in het algemeen. Ook functioneert eurammon als een gekwalificeerd uitwisselingspunt voor specifieke projectervaringen en geeft uitgebreide informatie naast adviezen voor alle mogelijke zaken zoals ontwerpcondities, licenties, uitvoering en bediening. Het eurammon-initiatief is gestart in 1996 en staat open voor Europese bedrijven en instituten met een serieuze belangstelling voor de toepassing van natuurlijke koudemiddelen, alsmede voor individuele personen zoals wetenschappers en onderzoekers. van kunstmatige koude dat betekent een reusachtig besparingspotentieel. Maatregelen tot energiebesparing gedurende de gehele gebruiksperiode van een koelinstallatie krijgen daardoor toenemende betekenis en kunnen een aanzienlijke bijdrage leveren aan het verminderen van nadelige milieueffecten. Hier biedt het gebruik van natuurlijke koudemiddelen een tweeledige positieve bijdrage aan de gebruiker: enerzijds worden de kosten door het geringere energiegebruik teruggedrongen terwijl anderzijds het milieu minder schade lijdt. Daarom gaat de voorkeur in de toekomst vooral naar het gebruik van natuurlijke koudemiddelen vanwege ecologische alsmede economische redenen, teneinde op lange termijn te blijven waken over kapitaal-investeringen en milieu. Meer informatie: eurammon Lyoner Straße 18 D-60528 Frankfurt T: 0049 (0)69 6603 1277 F::0049 (0)69 6603 2276 M: karin.jahn@eurammoncom I: www.eurammon.com