Koudemiddel CO2: waar staan we en wat brengt de toekomst?

Met de F-gassenverordening stuurt de overheid aan op de overstap op koudemiddelen met een laag GWP. De toepassing van deze koude-middelen vraagt om andere kennis dan als met traditionele F-gassen wordt gewerkt. Om installateurs, ontwerpers en andere professionals hier inzicht in te geven, publiceert de KNVvK een serie artikelen die vooral ingaan op natuurlijke koudemiddelen. In dit eerste artikel in de reeks ligt de focus
op CO₂.

 

Tekst: Bart van der Wekken
Bron: www.koudeenluchtbehandeling.nl

Het koudemiddel CO₂ maakt een snelle groei door. Conferentieorganisator shecco meldde op Atmosphere in oktober 2019 dat er meer dan 23.000 transkritische CO₂-installaties zijn in Europa, waarvan 89 procent in supermarkten, 8 procent in kleine winkels en 3 procent in de industrie. De populariteit in de industrie neemt toe. Shecco raamt dat in 2030 het aantal CO₂-installaties in Europa stijgt naar tussen de 73.000 en 92.000.

Niet giftig en niet brandbaar

Deze trend is niet verwonderlijk. CO₂ is net als HFK’s een A1-koudemiddel, dus niet giftig en niet brandbaar. Categorie A1 betekent echter niet dat er geen gevaren zijn. CO₂ heeft invloed op de ademhalingsreflex, en al bij een lager concentratieniveau dan bij HFK-koudemiddelen treden er veiligheidsrisico’s op. CO₂ kan als koudemiddel veilig worden gebruikt in publieke ruimtes, ook kleine, mits detectie, alarmering en ventilatie worden toegepast. Dit is een groot voordeel ten opzichte van ammoniak (giftig en licht-brandbaar) en koolwaterstoffen (brandbaar) waarvoor strengere veiligheidseisen gelden.

Specifiek Nederlandse richtlijn

In Nederland is er al heel lang behoefte aan een specifiek Nederlandse richtlijn voor CO₂ als koudemiddel. Rond 2000 zijn Nederlandse pioniers begonnen met de eerste versie van de NPR 7601, waarin details over het werken met dit koudemiddel zijn vastgelegd. Begin dit jaar is een sterk herziene 2020-versie gepubliceerd (zie kader hieronder).


NPR 7601:2020

De volledig herziene norm NPR 7601:2020 (Toepassing van kooldioxide als koudemiddel in koelinstallaties en warmtepompen) is te verkrijgen via NEN. De norm is van toepassing bij een koudemiddelinhoud vanaf 10 kg, zowel bij nieuwe installaties als bij uitbreidingen en wijzigingen van bestaande installaties.


Toepassing in cascadesystemen

In de beginjaren van de huidige CO₂-technologie, vanaf de negentiger jaren, lag de nadruk op cascadesystemen voor (diep)vriestoepassingen. De lagetemperatuur CO₂-kringloop is daarbij fysiek gescheiden van de hogetemperatuur-kringloop, gekoppeld via een cascadewarmtewisselaar die als condensor voor het CO₂-circuit fungeert en als verdamper voor het hogetemperatuur-circuit. Het koudemiddel in de hogetemperatuur-kringloop kan in dat geval vrij worden gekozen. De voorkeur gaat uit naar ammoniak of propaan. Groot veiligheidsvoordeel daarbij is dat de benodigde hoeveelheid ammoniak of propaan beperkt is en dat het toxische of brandbare koudemiddel binnen de machinekamer kan blijven. Bij een vriestemperatuur beneden de -20 °C is een CO₂/ammoniak-cascadesysteem energetisch superieur ten opzichte van een tweetrapssysteem met alleen ammoniak.

In de beginjaren van de huidige CO₂-technologie lag de nadruk op cascadesystemen voor (diep)vriestoepassingen

CO₂ als koudedrager met faseovergang

Een variant is het gebruik van CO₂ als koudedrager met faseovergang. Hierbij wordt op een standaardmanier koude opgewekt in een centrale koelinstallatie, als indirect systeem met een secundair CO₂-circuit. De CO₂-koudedrager circuleert met behulp van een pomp of door de zwaartekracht, waarbij hij verdampt en condenseert in dit circuit. De warmteoverdracht is daarbij veel beter dan bij een water- of glycolcircuit, waardoor aanzienlijk minder efficiencyverlies optreedt.


CO₂-cascades en CO₂-koudedragersystemen zijn al sinds jaren ‘state of the art’ voor vrieshuizen, industriële toepassingen en veel commerciële toepassingen. Ze hebben zich daar volledig bewezen. Daarom wordt er in dit artikel niet verder op ingegaan. Ook de toepassing van CO₂ in hogetemperatuur-warmtepompen en kleine stekkerklare apparatuur (flessenkoelers) wordt in dit artikel niet toegelicht.


R404 als benchmark

Wat de energie-efficiency van een centrale CO₂-installatie voor commerciële toepassingen betreft, is R404A de benchmark. De meeste CO₂-systemen vervangen immers koel-/vriesinstallaties die met R404A/R507A werken. In dit artikel bespreken we de verschillende technieken waaruit zal blijken dat CO₂ niet onderdoet voor de energie-efficiency van een R404A-systeem. De performance van de beide andere natuurlijke koudemiddelen, ammoniak en koolwaterstoffen, is in principe beter dan die van CO₂. Vanwege de veiligheidsrisico’s worden deze koudemiddelen veelal in indirecte systemen toegepast. Hierdoor is in veel toepassingen het performanceverschil met CO₂ alsnog marginaal. Om deze reden is ook te verwachten dat ammoniak, propaan en CO₂ alle drie hun plek op de markt behouden of vergroten.

Figuur 1. Standaard CO₂-booster (klik op dit figuur voor een grotere versie).

Transkritische koelcyclus

De CO₂-booster van figuur 1 is de huidige standaard. De CO₂-booster heeft zich de afgelopen tien jaar in Nederland bewezen als een stabiel, betrouwbaar en efficiënt systeem. Het meest kenmerkende verschil met een HFK-systeem zijn de hogedruk-klep en de bypassklep. De hogedruk-klep regelt tijdens subkritisch bedrijf een constante onderkoeling in de gaskoeler (nu werkend als condensor). Tijdens transkritisch bedrijf (Tc> 31 °C) regelt de hogedruk-klep de druk in de gaskoeler op een optimale COP. Druk en temperatuur zijn tijdens transkritisch bedrijf immers onafhankelijk. De bypassklep zorgt voor een constante druk in het vloeistofvat (veelal circa 35 bar, 1 °C).

Acceptabele performance

De CO₂-transkritische koelcyclus lijkt in eerste instantie niet efficiënt. Er zijn twee (hoofd)redenen waarom een CO₂-booster een acceptabele performance heeft. De eerste is dat het verschil tussen de CO₂-gaskoeler-uittredetemperatuur en de aanzuigluchttemperatuur onder de meeste condities klein is. Een verschil van 2K is zeer gebruikelijk. De oorzaak hiervan is de relatief lage kritische temperatuur (31 °C), waardoor in de gaskoeler de hoeveelheid gewisselde voelbare warmte relatief groot is ten opzichte van de latente warmte. Dit is weergegeven in figuur 2.

Figuur 2. Pinch point HFK-condenser versus CO₂-gaskoeler (klik op dit figuur voor een grotere versie).

De pinch point-temperatuur van CO₂ is daardoor lager dan bij een HFK, met als resultaat een kleinere ∆T. De tweede reden is de hogere druk van een CO₂-systeem. Door de hogere druk kan in wintercondities de condensatiedruk afnemen tot ca 10 °C (45 bar), terwijl er dan nog voldoende drukverschil voorhanden is om de koelcyclus betrouwbaar te laten verlopen.

Performance van een CO₂-booster

Tot een omgevingstemperatuur van circa 26 °C is performance van een CO₂-booster beter of vergelijkbaar met die van een R404A-systeem. Boven de 26 °C wordt een CO₂-booster minder efficiënt, omdat het transkritische punt wordt benaderd en bij verdere stijging van de omgevingstemperatuur het bedrijf transkritisch wordt. Volgens de KNMI-tabellen is de temperatuur in Nederland in een gemiddeld jaar slechts 130 uur hoger dan 26 °C. In die 130 uur is de performance van een CO₂-booster lager dan die van R404A. De rest van het jaar is hij beter of gelijkwaardig.

Volgens de KNMI-tabellen is de temperatuur in Nederland in een gemiddeld jaar slechts 130 uur hoger dan 26 °C

Toepassing van parallelcompressie

De uitdaging is dan ook om een CO₂-booster beter geschikt te maken voor hogere buitentemperaturen. De eerste verbeterstap is toepassing van parallelcompressie, zie figuur 3. De vatdruk wordt nu constant gehouden door de parallelcompressor. Bij een standaard CO₂-booster wordt het flashgas eerst in druk verlaagd en dan verwerkt door de MT-compressoren. Bij parallelcompressie wordt het flashgas niet in druk verlaagd maar direct aangezogen door de parallelcompressor. Een groot voordeel is dat het aandeel flashgas groot is bij een hoge buitentemperatuur. Berekeningen laten zien dat het omslagpunt nu pas bij 36 °C ligt. Grote installaties (>200 kW) worden ook in Nederland veelal uitgevoerd met parallelcompressie.

Figuur 3. CO₂-booster met parallelcompressie (klik op dit figuur voor een grotere versie).

Ejecteur als hogedruk-regelorgaan

Een volgende verbeterstap is de toepassing van een ejecteur als hogedruk-regelorgaan, zie figuur 4. De functie van de ejecteur als hogedrukregeling blijft ongewijzigd. In de keel (afnemende doorlaat) van de ejecteur wordt de CO₂-snelheid verhoogd tot dicht bij de geluidssnelheid, waardoor de druk daalt onder de zuigdruk van de MT-compressoren (Wet van Bernoulli). De ejecteur zal nu CO₂-zuiggas aanzuigen. Als in de ejecteur vervolgens de doorlaat toeneemt en de snelheid afneemt, stijgt de druk tot de vatdruk. De resultaten met dit systeem laten zien dat CO₂ efficiënt is tot een buitentemperatuur van 45 °C. Verdere gegevens zijn niet bekend. Bij dit soort buitentemperaturen is het overigens zinvol om een adiabatische gaskoeler toe te passen om de temperatuur van de aanzuiglucht te laten dalen.

Figuur 4. CO₂-booster met parallelcompressie en ejecteur (klik op dit figuur voor een grotere versie).

Geschikt voor gebruik in Zuid-Europa

De combinatie van parallelcompressie met een ejecteur maakt CO₂ geschikt voor gebruik in Zuid-Europa. In ons land komt transkritisch bedrijf maar circa 100 uur (buiten eventueel warmteterugwinningsbedrijf) voor, waardoor een ejecteur economisch niet interessant is. In figuur 5 is deze kringloop weergeven in het logP-h diagram. Wat opvalt is dat de smoring over de hogedrukregeling niet isenthalpisch (gelijke enthalpie) verloopt, maar dat de enthalpie na de ejecteur is afgenomen, vanzelfsprekend omdat de ejecteur arbeid heeft verricht.

Figuur 5. LogP -h diagram van CO₂-booster met parallelcompressie en ejecteur (uit Danfoss presentatie. Klik op dit figuur voor een grotere versie).

Opkomst van de industriële variant

CO₂-transkritisch heeft ook een industriële variant, die aan populariteit wint: het CO₂-transkritische pompsysteem, zie figuur 6. Dit als tegenhanger van de eerder besproken DX-systemen. Het grote voordeel van het pompsysteem is dat de verdampers effectiever zijn omdat er geen sprake is van oververhitting. Het gevolg is dat een kleiner temperatuurverschil (DT1) mogelijk is, en daardoor minder ontvochtiging plaatsvindt. Voor onverpakte en uitdrogingsgevoelige producten is dit een groot voordeel.

Figuur 6. CO₂-transkritisch pompsysteem (klik op dit figuur voor een grotere versie).

Extra aandacht voor oliehuishouding

De oliehuishouding verdient wel extra aandacht. Bij een DX-systeem komt de olie die niet via de olieafscheider is teruggevoerd op natuurlijke wijze terug via de zuigleidingen. In een pompsysteem blijft de olie volledig opgelost achter in de CO₂ in de afscheider en moet hij via de olie-rectifier, door middel van vernietiging van koelcapaciteit, teruggevoerd worden. Essentieel hierbij is dat wordt gekozen voor een industriële compressor met een lage olie-uitstoot en een efficiënte olieafscheider.

Combinatie met klimaatregeling

CO₂-transkritische systemen worden in het merendeel van de toepassingen gecombineerd met de klimaatregeling van het betreffende gebouw (zie figuur 7). In supermarkten is dit al de standaard, maar ook bij industriële toepassingen wordt dit meer en meer toegepast, vooral om aan de Breeam-eisen te voldoen. Daarmee wordt tegemoetgekomen aan twee maatschappelijke issues: de transitie naar natuurlijke koudemiddelen en de transitie naar gebouwen zonder gasaansluiting.

Figuur 7 CO₂-transkritisch met klimaatregeling (klik op dit figuur voor een grotere versie).

Verwarming in drie stappen

CO₂-transkritisch leent zich uitstekend voor warmteterugwinning, vanwege het lage kritische punt (31 °C). Bij verhoging van de druk rond het kritische punt kan de warmteterugwinning efficiënt verlopen omdat CO₂ in de gasfase blijft. Efficiency-vermindering door vollopende warmtewisselaars is niet aan de orde. De verwarming verloopt over het algemeen in de volgende stappen:
1. Alleen de vrije warmte wordt gebruikt. De installatie wordt geregeld op een optimale COP.
2. Is de warmtelevering onvoldoende, dan wordt de persdruk verhoogd.
3. Wanneer persdrukverhoging niet voldoende is, dan wordt de gaskoeler gebypassed. Alle warmte die beschikbaar is wordt hergebruikt en de installatie wordt min of meer geregeld als een warmtepomp. De levering van de juiste hoeveelheid warmte is prioriteit geworden.

Koeling dankzij warmtewisselaar

Omgekeerd kan de installatie de supermarkt of kantoren koelen wanneer de temperatuur ’s zomers te hoog is. Een warmtewisselaar wordt geplaatst tussen de hogedruk-klep en het vloeistofvat. De CO₂ heeft een temperatuur van circa 2 °C, waarmee uitstekend koud water van 6 °C kan worden gemaakt.

Certificering en praktijkrichtlijn

Wat betreft bedrijfs- en persoonscertificering is er weinig verschil tussen het werken aan een HFK- of een CO₂-installatie. Beide koudemiddelen zijn A1-koudemiddelen: niet brandbaar en niet giftig. Voor natuurlijke koudemiddelen, waaronder CO₂, vereist het Activiteitenbesluit (binnenkort het Besluit Activiteiten Leefomgeving-Bal) een specifieke certificering. Voor de certificering van de installatie (Warenwetbesluit Drukapparatuur) valt het leidingwerk over het algemeen voor beide koudemiddelen in artikel 4.3 of cat 1. Het leidingwerk van CO₂-installaties kan van staal worden gemaakt, of indien gewenst volledig van koper of koperlegeringen met ijzer (CUFe₂P, bijvoorbeeld K65).


Gaskoeler, behorend bij de CO₂-installatie uit het openingsbeeld

Toepassing van detectie-apparatuur en ventilatie

De nationale praktijkrichtlijn NPR7601 is duidelijk over de toepassing van detectie-apparatuur en ventilatie. Alhoewel de intentie van de NPR7601 duidelijk is gericht op de realisatie van een veilige installatie, lijkt er toch een contraproductieve maatregel in te staan. Wanneer in de machinekamer een CO₂-alarm is opgetreden (door lekkage) schrijft de NPR voor, net als normen zoals de EN 378, dat de installatie automatisch wordt stopgezet (noodstop). Bij stilstand zal in de meeste leidingdelen en componenten de druk echter juist stijgen, met als resultaat een toename van de lekkage terwijl een vermindering is beoogd. Misschien is hier een heroverweging op zijn plaats.

Fiscaal voordeel via EIA

Op dit moment komt een CO₂-transkritische installatie in aanmerking voor Energie Investerings Aftrek (EIA). De maatregelen die hiervoor moeten worden genomen resulteren over het algemeen in een energiezuinige installatie. Behalve één maatregel. De EIA schrijft voor om een gaskoeler te selecteren bij een omgevingstemperatuur van 34 °C, een gaskoeler-uittredetemperatuur van 36 °C en een gaskoelerdruk van 90 bar. Waarschijnlijk met de bedoeling om tegemoet te komen aan een efficiencyverbetering bij hoge buitentemperaturen.

Installatie-uitval op zeer warme dagen

Helaas is dit laatste niet het resultaat van dit voorschrift. Zoals al uit figuur 2 blijkt zal een gaskoeler uitstekend presteren onder transkritische condities. De warmtewisseling vindt plaats in de gasfase en er is geen nadelige pinch point-temperatuur. Het gevolg van de EIA-maatregel is dat een (te) kleine gaskoeler wordt geselecteerd met een relatief groot compressorvermogen. Een kleine gaskoeler leidt tot een lagere efficiency en waarschijnlijk tot hogedruk-problemen met installatie-uitval op zeer warme dagen.

Ervaringen in de praktijk

De eerste CO₂-transkritische systemen in Nederland zijn opgestart in 2009. Alhoewel de ervaring vanaf de start goed en hoopvol was, waren er ook uitdagingen. De installateurs moesten door een leercurve, maar dat gold ook voor de leveranciers en fabrikanten van de componenten. Om enkele zaken te noemen: bijna elke installateur heeft te maken gehad met onbetrouwbare olieniveauregelaars, lekkende hogedruk-platenwarmtewisselaars, onverwacht dichtlopende hogedruk-kleppen of te vroeg openen van veerveiligheden. Ook bleek er verschil in kwaliteit tussen verschillende compressormerken en -types. Zeker de compressoren die een doorwikkeling waren vanuit een HFK-serie bleken in eerste instantie extra slijtage te vertonen.

Ervaringen en doorontwikkelingen

Veel problemen van afgelopen zomer (met name op donderdag 25 juli 2019, toen de buitentemperatuur op sommige locaties opliep tot 41 °C) zijn terug te voeren op bovenstaande onvolkomenheden. Gelukkig zien we op dit moment dat de ervaringen en doorontwikkelingen hebben geleid tot betrouwbare componenten en robuuste CO₂-installaties. Met de huidige technologie kan een CO₂-booster zonder enig probleem een warme zomerdag van 41 °C doorstaan. We moeten dan wel accepteren dat de installatie dan minder efficiënt draait, maar gelukkig gebeurt dit zelden en alleen over korte periodes. Kortom, uit dit overzicht blijkt dat CO₂-systemen (cascade, booster en transkritisch) een volwassen technologie vormen die zijn plaats op de markt heeft bewezen en een zonnige toekomst tegemoet gaat.


Over de auteur

De auteur van dit eerste deel, ir. Bart van der Wekken is een van de meest deskundige pioniers in Nederland op het gebied van CO₂-technologie. Hij is sinds de jaren 90 van de vorige eeuw actief op dit gebied. Dit artikel kwam tot stand dankzij de medewerking van zijn huidige werkgever Koning Koudetechniek. Ook is dankbaar gebruikgemaakt van informatie van collega’s van de Masterclass CO2 transkritische systemen (Post HBO koudetechniek, dr. ir. Geert Doornbos en ir. Jan Gerritsen).


Kenniskring Natuurlijke Koudemiddelen

Deze serie artikelen wordt verzorgd door de KNVvK Kenniskring Natuurlijke Koudemiddelen. Achtereenvolgens komen aan bod: CO2, koolwaterstoffen, ammoniak, en ‘exotische’ technieken. De KNVvK Kenniskring Natuurlijke Koudemiddelen (KKNK) is een krachtenbundeling van partijen die natuurlijke koudemiddelen belangrijk vinden. ‘Kenniskring’ is een term die verwijst naar de ‘kennis’ achter ‘het echte verhaal’ over natuurlijke koudemiddelen, en de ‘kring’ zorgt ervoor dat wordt samengewerkt zonder dat deelbelangen overheersen. De KKNK houdt zich vooral bezig met koolwaterstoffen, CO2 en ammoniak; waar zinvol komen ook andere natuurlijke alternatieven aan de orde. Doelgroepen zijn installateurs/toeleveranciers/koeltechnische bedrijven, intermediairs en eindgebruikers. Toegevoegde waarde wordt geleverd via gezamenlijke initiatieven, kennisuitwisseling, en door de verschillende doelgroepen met elkaar in contact te brengen en te helpen om vraag en aanbod op elkaar af te stemmen. Deelname aan activiteiten van de Kenniskring is laagdrempelig en open voor leden en niet-leden van de KNVvK. Met een email naar info@knvvk.nl bent u deelnemer aan de Kenniskring en houden wij u op de hoogte van de activiteiten. De Kerngroep KKNK initieert en coördineert de activiteiten van de Kenniskring en bestaat uit Jan-Willem Voshol (directeur IBK), Bart van der Wekken (hoofd Koeltechniek bij Koning Koudetechniek), Leon van Bohemen, (product manager renewables Itho Daalderop), Gerard Raaijmakers (HIWA Rotterdam Port Cold Stores), Wil van den Kerkhof (mede-eigenaar en senior-adviseur Servex koel- en vriestechniek Van den kerkhof BV), Ruud van Dissel (managing director Bitzer Benelux en bestuurslid KNVvK) en René van Gerwen (directeur/eigenaar Entropycs en bestuurslid KNVvK).


 

Je gebruikt een verouderde webbrowser

Deze website maakt gebruik van moderne technieken die niet worden ondersteund door jouw webbrowser. Update mijn webbrowser

×