IIR
RCC KOUDE & LUCHTBEHANDELING
Dit artikel is een deel van de publicatie zoals is gepresenteerd op de 9de Gustaf Lorentzen Conferentie in Syney, Australië 2010 en vertaald in het Nederlands ten behoeve van publicatie in RCC Koude & Luchtbehandeling Door P. Nekså, H. T. Walnum en A. Hafner SINTEF Energy Research Trondheim, Noorwegen
CO2: een koudemiddel uit het verleden met een veelbelovende toekomst (deelsamenvatting)
CO2 - a refrigerant from the past with prospects of being one of the main refrigerants in the future (part summary of the article) De technologie voor het gebruik van CO2 als koudemiddel is al voor velerlei toepassingen ontwikkeld. Voor wat betreft systemen met CO2 als koudemiddel, kan de technologische stand van zaken als volgt worden onderverdeeld: al ontwikkeld en op de markt gebracht; al ontwikkeld, maar nog niet op de markt gebracht; in ontwikkeling en beginfase van ontwikkeling.
Waterverwarmers met warmtepomp
De CO2-compressor uit 1927 die in 1988/1989 werd gebruikt tijdens de allereerste onderzoeken naar de transkritische cyclus-werking. De energie-efficiency moet bij het realiseren van grote temperatuur-en drukverschillen voor sommige toepassingen nog worden verbeterd. Er zijn al onderdelen in diverse soorten en afmetingen verkrijgbaar. Sommige onderdelen moeten echter nog in grotere aantallen worden geproduceerd om ook qua prijs te kunnen concurreren met HFK-onderdelen. Het belangrijkste obstakel is echter de sceptische houding van fabrikanten en eindgebruikers ten opzichte van deze nieuwe technologie.
!
"#$ % &'(()*(+*&,%-.%/0%)&1#"#
Waterverwarmers met warmtepomp, die meestal worden gebruikt om tapwater te verwarmen van 10 tot 65ºC, zijn zeer geschikt voor de transkritische CO2-cyclus (Nekså, 1998a). Na de eerste ontwikkelingsfase van 1990-98 bracht Japan deze waterverwarmers vanaf 2001 met succes op de markt. Dit was mede mogelijk dankzij de steun van de overheid, die voor het verwarmen van water warmtepompen wilde gaan inzetten in plaats van fossiele brandstoffen. Tussen 2001 en 2008 werden ongeveer 1,7 miljoen units geïnstalleerd. Gestreefd wordt naar 5,2 miljoen units in 2010. Hierdoor zou de CO2-emissie in Japan met ongeveer 2,9 Mt-CO2/ jaar afnemen. Sinds de marktintroductie in 2001 is het systeem overigens aanzienlijk verbeterd, waardoor de efficiency nu nog groter is (Hashimoto, 2006). Inmiddels zijn er ook in Europa diverse systemen op de markt voor huishoudelijk, commercieel en industrieel gebruik. Gezien het toenemende belang van tapwaterverwarming als gevolg van de verminderde warmtevraag in energiezuinige gebouwen, zijn de vooruitzichten voor deze technologie bijzonder gunstig.
Mobiele airconditioning en warmtepompen
Mobiele airconditioning was een van de eerste toepassingen die na de herintroductie CO2 werden onderzocht. Verschillende fabrikanten hebben al systemen ontwikkeld met CO2 als koudemiddel. De prestaties van CO2-systemen blijken gelijkwaardig aan of zelfs beter dan die van R-134a-systemen. Dit geldt zelfs voor de mobiele airconditioning van kleine auto’s in warme landen (Hafner and Nekså, 2007). Door het compacte karakter van deze toepassing komen de thermofysische eigenschappen van CO2 volledig tot hun recht en ontstaat er een relatief klein en licht systeem met een hoge energieefficiency. Door de Europese uitfasering van R-134a voor alle nieuwe auto’s die vanaf 2011 op de markt worden gebracht, moet men overstappen op een ander koudemiddel. CO2 en HFO-1234yf zijn de meest waarschijnlijke alternatieven. CO2 is ook een goed alternatief koudemiddel voor de toekomstige warmtepompen in voertuigen. Deze toepassing biedt perspectieven voor brandstofefficiënte auto’s waarbij minder restwarmte beschik-
IIR
RCC KOUDE & LUCHTBEHANDELING
Figuur 4: vergelijking van de COP-waarden van beide systemen bij koelen op temperaturen in het middengebied. De ononderbroken lijnen staan voor simulaties op basis van gemeten gegevens. De stippellijnen staan voor simulaties van een breder temperatuurbereik en voor verschillende mogelijkheden om de efficiency te verbeteren.
baar is voor verwarming en voor hybride of elektrische auto’s waarbij weinig of helemaal geen restwarmte beschikbaar is voor verwarming. CO2-systemen voldoen uitstekend voor dergelijke warmtepompen, zoals werd aangetoond door Mager et al. (2002).
Commerciële koeling
Voor wat betreft de commerciële koelsystemen van supermarkten zagen sommige wetenschappers wel mogelijkheden voor volledige CO2-systemen, of in elk geval voor het gebruik van CO2. Pas in het jaar 2000 werd er een Informatieve Nota uitgevaardigd. Hierin werd alleen melding gemaakt van het mogelijke gebruik van CO2 in cascadesystemen of als warmteoverdrachtsvloeistof of koudedrager (IIR, 2000). Inmiddels hebben diverse fabrikanten van koelsystemen en supermarktketens besloten om voor toekomstige installaties te kiezen voor systemen met uitsluitend CO2. CO2 is een belangrijk alternatief voor de HCFK’s en HFK’s in commerciële koelsystemen, want het koudemiddel in deze koelsystemen veroorzaakt bij een eventuele emissie de grootste broeikasgasemissie van de hele koelsector. Rond het jaar 1990 begon men met het onderzoek naar het gebruik van CO2 als warmteoverdrachtsvloeistof (koudedrager) en in cascadesystemen, en met de ontwikkeling
van systemen die uitsluitend met CO2 als koudemiddel werken. Een aantal leveranciers van commerciële koelinstallaties hebben inmiddels directe expansiesystemen geïnstalleerd met CO2 als het enige koudemiddel en met een trans- of subkritische cyclus (afhankelijk van de omgevingstemperatuur). In gematigde klimaten blijft warmteterugwinning altijd van belang. De koelvitrines in de supermarkt veroorzaken een aanzienlijk warmteverlies, waardoor ook de warmtevraag toeneemt. CO2-systemen bieden hierbij belangrijke voordelen omdat een groot deel van de benodigde warmte zeer efficiënt kan worden aangeleverd. Bovendien is het mogelijk om direct warmte uit te wisselen tussen CO2 en het luchtverwarmingssysteem, en dat is uiteraard zeer kostenefficiënt. De werking bij hoge omgevingstemperaturen vormt de grootste uitdaging. In Girotto et al. (2004) en in Girotto (2007) wordt aangetoond dat CO2-koelsystemen bij lage temperaturen niet onderdoen voor R-404A DX-systemen, maar dat de efficiency van deze systemen bij temperaturen in het middengebied niet optimaal is. Op basis van een aantal experimenteel bevestigde aannames kwam men tot de COP-curven voor R-404A en CO2 die in Figuur 4 als ononderbroken lijnen worden weergegeven. Bij een omgevingstemperatuur van 30ºC is de COP-waarde van het
CO2-systeem ongeveer tien procent lager dan die van het R-404A-systeem. In Figuur 4 wordt ook aangegeven hoe de efficiency van het CO2-systeem kan worden verbeterd; de twee bovenste curven staan voor het gebruik van parallelle compressie vanuit een tussendrukvloeistofafscheider (oranje stippellijn met driehoeken) en voor het gebruik van een tussendruk-expander die een parallel compressiestadium uitvoert (zwarte stippellijn met kruis). Het isentropisch rendement van de compressor en de expander bedraagt naar schatting 60 procent. Een interessante bevinding is dat het gebruik van een expander niet leidt tot een hogere COP dan bij parallelle compressie, terwijl men dit wel zou verwachten. Hiervoor zijn twee belangrijke oorzaken. De eerste oorzaak is dat de cyclus gebonden is aan een relatief hoge tussendruk omdat al het flash gas opnieuw moet worden gecomprimeerd door het omdat dit door de expander werd geëxtraheerd. De tweede oorzaak is dat de optimale hoge druk voor de cyclus relatief hoog is omdat de expander een vrij groot drukverschil nodig heeft om te kunnen extraheren. Het verschil tussen de expandercyclus en de parallelle compressiecyclus neemt af naarmate de omgevingstemperatuur stijgt. Dit komt doordat het optimale tussendruk- en hogedrukniveau voor de
"#$ % &'(()*(+*&,%-.%/0%)&1#"#
2
IIR
RCC KOUDE & LUCHTBEHANDELING
Figuur 5: vergelijking (op basis van het klimaat in Athene) tussen de COP van een prototype CO2-systeem en de COP van twee HFK-410-referentiesystemen bij wisselende omgevingstemperaturen. De figuur toont ook een simulatie van hogere omgevingstemperaturen en van COP-wijzigingen als gevolg van mogelijke verbeteringen.
parallelle compressiecyclus toeneemt als de omgevingstemperatuur stijgt. De beide drukniveaus komen dan steeds dichter in de buurt van de optimale drukwaarden voor de expandercyclus. Uit deze resultaten blijkt dat het verschil in efficiency dat bij toepassingen met middellage temperaturen kan optreden wanneer de omgevingtemperatuur hoog is, relatief eenvoudig kan worden opgeheven. Ook bij kleinere commerciële koeltoepassingen, zoals frisdrankautomaten en verkooppunten voor gekoelde producten en ijs, wordt al gebruikgemaakt van de CO2–technologie.
Woning airconditioning en verwarming
Zowel de industrie als diverse onderzoeksinstituten hebben al studies uitgevoerd met betrekking tot het gebruik van omkeerbare lucht/lucht-warmtepompen met CO2 als koudemiddel. Aangezien dit de meestverkochte toepassing is, is het van groot belang om alternatieven te vinden voor de HFK-koudemiddelen. Jacobsen et al. (2006 en 2007) maakten een experimentele en theoretische evaluatie van een prototype omkeerbaar CO2-splitsysteem bij gesimuleerde bedrijfscondities voor Oslo en voor Athene, waarna ze deze evaluatie vergeleken met de uiterst efficiënte HFK 410A-systemen. Het CO2-systeem functioneerde in beide klimaten zeer goed in de
3
"#$ % &'(()*(+*&,%-.%/0%)&1#"#
warmtepompmodus. Ook de koelprestaties van de airconditioning waren uitstekend, maar bij omgevingstemperaturen van meer dan 30ºC was de COP-waarde van het CO2-systeem aanmerkelijk lager dan die van de HFK-systemen. Figuur 5 toont de resultaten van het onderzoek door Jacobsen et al. (2006), die door middel van simulaties werden geëxtrapoleerd naar een omgevingstemperatuur van 45ºC. Verder worden in Figuur 5 diverse mogelijke verbeteringen weergegeven. Zo staat de bovenste lichtgroene curve voor het CO2-systeem met een veronderstelde compressorefficiency van 65 procent (bedraagt momenteel 54 procent) en met tussenkoeling. Bij omgevingstemperaturen van minder dan 30ºC is de COP-waarde van het CO2-systeem hoger dan die van de HFK-referentiesystemen. Bij een omgevingstemperatuur van 36ºC (de hoogste omgevingstemperatuur waarvoor testresultaten beschikbaar zijn), is de COP-waarde van het CO2-systeem respectievelijk 29 procent en 5procent lager dan die van de referentiesystemen 1 en 2. De bovenste turkoois gekleurde streepjeslijn staat voor het CO2-systeem wanneer er een tweede compressie zou worden uitgevoerd door een expander met een veronderstelde efficiency van 60 procent, en de blauwe streepjeslijn staat voor het CO2-systeem met een ejector waarvan de
efficiency werd vastgesteld op basis van experimentele ervaring. Bij een omgevingstemperatuur van 36ºC neemt de COP van het CO2-systeem door deze verbeteringen respectievelijk toe met 26 procent en 7 procent. Desondanks blijft deze COPwaarde respectievelijk 6 procent en 21 procent onder die van referentiesysteem 1. De COP-waarde is echter wel hoger dan die van referentiesysteem 2. Hieruit blijkt dat het mogelijk moet zijn om hetzelfde efficiencyniveau te behalen als HFK-410Asystemen, zelfs bij hoge omgevingstemperaturen. Men moet echter nog wel enkele verbeteringen aanbrengen aan onderdelen en aan de cyclus, waarbij – en dat is ook nog een grote uitdaging – het kostenniveau acceptabel moet blijven.
Transportkoeling
HVAC CO2-systemen zijn bruikbare alternatieven voor de HFK-systemen in het goederen- en personenvervoer. Sonnekalb et al. (2009) bedachten een innovatief daksysteem voor de airconditioning in bussen. Doordat dit systeem flexibel is en snel kan worden geïnstalleerd, nemen de levenscycluskosten af. Het CO2-prototype heeft er sinds 1996 al meer dan 6.000 werkuren op zitten, en blijkt zeer efficiënt te zijn. Naast deze airconditioning werd ook een lucht/lucht-warmtepomp voor bussen gepresenteerd. Rindsfüsser (2008) bedacht soortgelijke systemen voor stads-
IIR
RCC KOUDE & LUCHTBEHANDELING
Figuur 6a: door SINTEF ontworpen prototype ejector, gemaakt om alle elementen gedetailleerd te kunnen bestuderen. Figuur 6b: ejectorcyclus (rood) versus gewone CO2-cyclus (blauw) met warmteafvoer bij een omgevingstemperatuur van 45ºC.
bussen en touringcars. Hafner en Christensen (2010) beschrijven de mogelijkheden voor het gebruik van CO2 als koudemiddel in airconditioningsystemen voor personentreinen. Op dit moment werkt 75 procent van deze systemen met HFK134a als koudemiddel. Het CO2-systeem biedt verkoeling in de zomer en verwarming in de winter. Radiale zuigercompressoren zijn door hun geringe afmetingen zeer geschikt voor CO2-systemen. Dit type compressoren is al in de eerste treinen getest en is inmiddels gecertificeerd voor gebruik op spoorwegen. Container- en transportkoeling zijn complexe toepassingen, maar ook op dit gebied biedt CO2 een duurzaam alternatief voor HFK-koudemiddelen. CO2-systemen zijn immers zeer compact en betrouwbaar, en dat is in deze sector van groot belang.
Industriële koeling, airconditioning en warmtepompen
CO2 is binnen de industriële koeling een belangrijk koudemiddel geworden. Het wordt gebruikt in het lage temperatuurgedeelte van cascadesystemen, met ammoniak in het bovenste gedeelte. Voor koeling bij lage temperaturen verhoogt deze combinatie de efficiency, terwijl de investeringskosten dalen. Verder heeft deze combinatie voor sommige toepassingen als voordeel dat er minder ammoniakvulling nodig is. Koel- en vrieshuizen en kunstijsbanen zijn voorbeeldtoepassingen.
Onderdelen
De ontwikkeling van onderdelen voor CO2-systemen heeft de laatste jaren niet stilgestaan. Het idee om de smoorklep te vervangen door een ejector (om kinetische energie terug te winnen uit het expansieproces) is niet nieuw. De ejectorcyclus werd uitgevonden door Gay (1931). Kornhauser (1990) beschreef een theoretische COP-verbetering van maar liefst 21 procent door het gebruik van een ejector in plaats van een smoorklep in een CKF12 koelcyclus. Menegay en Kornhauser (1996) stelden tijdens metingen echter slechts 3,8 procent COP-verbetering vast. Het gebruik van een ejector in een transkritisch CO2-systeem resulteert waarschijnlijk in een grotere COP-verbetering vanwege het hogere relatieve smoorverlies. De belangrijkste voordelen van het gebruik van een ejector in een CO2-systeem zijn: • Vermindering van het dampgedeelte in de verdamperinlaat, waardoor een verbetering optreedt in de warmteoverdracht van de verdamper en in de koudemiddelverdeling van gelijkstroomwarmtewisselaars. • Minder compressorarbeid nodig door een toename van de zuigdruk van de compressor, waardoor de compressieratio afneemt. Door een deel van het expansieverlies terug te winnen, neemt de koelefficiency toe.
• Mogelijkheid om op twee verschillende temperatuurniveaus verdamping uit te voeren, waardoor in principe één compressorstadium wordt vervangen. De efficiency van de ejectorelementen moet nog worden verbeterd en er moeten nog methoden worden ontwikkeld om de ejector toe te kunnen passen in verschillende systemen en bij verschillende bedrijfscondities. In Figuur 6a ziet u een onlangs gebouwd prototype, dat werd ontwikkeld om de ejectorelementen nauwkeurig te kunnen bestuderen. In Figuur 6b wordt d.m.v. een p-h diagram de werking weergegeven van een cyclus waarbij een ejector werd toegepast (rood) en van een gewone CO2-cyclus (blauw). Hierbij bedroeg de omgevingstemperatuur 45ºC en was de capaciteit van beide cycli gelijk.
Expander
Er zijn voor CO2-systemen al verschillende expanderconcepten onderzocht en ontwikkeld, zoals zuiger-, draaischuif-, scroll- en turbo-expanders, maar tot nu toe heeft men nog geen enkel concept op de markt gebracht.
Warmtewisselaars
Dankzij de unieke eigenschappen van CO2 als werkvloeistof kunnen er tegenwoordig zeer efficiënte warmtewisselaars worden gebouwd. De warmteoverdrachtscoëfficiën-
"#$ % &'(()*(+*&,%-.%/0%)&1#"#
4"
IIR
RCC KOUDE & LUCHTBEHANDELING
Figuur 7: temperatuurprofiel (buiswandtemperatuur, kwalitatief) in een segment van een 3-rijige warmtewisselaar met gescheiden lamellen (links) en twee verschillende typen compacte MPE warmtewisselaars (rechts), Hafner (2003).
Figuur 8: enkele momenteel verkrijgbare compressoren met een middelgroot vermogen ten zijn zeer gunstig, en door de hoge volumetrische capaciteit is er maar een klein oppervlak nodig voor de doorstromingsprofielen. Er waren echter ook een aantal uitdagingen. Verschijnselen als uitdroging bij hoge verdampingstemperaturen en bij een hoge dampkwaliteit, een slechte verdeling in verzamelleidingen en ongewenste smeermiddeleffecten moesten nog worden aangepakt. Na bestudering van deze verschijnselen heeft men, rekening houdend met de basiseigenschappen van CO2, diverse efficiënte en compacte typen warmtewisselaars ontwikkeld, waaronder buis-in-lamel, multi-port geëxtrudeerde buis, plaat in shell, shell-and-tube en platenwarmtewisselaars. Vanwege de relatief scherpe temperatuurdaling van CO2 tijdens superkritische warmteafvoer, moeten er compacte gaskoelers worden ontworpen om ervoor te zorgen dat er geen warmtegeleiding plaatsvindt in de lamellen tussen de warme en koude onderdelen van de warmtewisselaar. Warmtegeleiding leidt namelijk tot een aanzienlijke vermindering van de systeemefficiency. Bij compacte warmtewisselaars moeten gescheiden lamellen worden toegepast om de exergieverliezen te minimaliseren, zie Figuur 7 (links). Rechts in deze figuur worden twee concepten voor MPE warmtewisselaars weergegeven.
41
"#$ % &'(()*(+*&,%-.%/0%)&1#"#
Compressor
De thermofysische eigenschappen van CO2 bieden in sommige opzichten uitstekende mogelijkheden voor een efficiënte compressie. De compressierverhoudingen zijn laag, de temperatuurdaling bij drukdalingen is laag en de vereiste slagvolumes en doorstromingsprofielen zijn klein. Anderzijds zijn de drukverschillen, de temperatuurverschillen en de lagerbelasting soms erg hoog, hetgeen voor bepaalde typen compressoren problematisch kan zijn. Vlak na de herintroductie van CO2 lag de focus vooral op zuigercompressoren. Men twijfelde erover of bijvoorbeeld scrollcompressoren wel bestand waren tegen de hoge druk van CO2-compressie. Inmiddels zijn nagenoeg alle typen compressoren ontwikkeld en op de markt gebracht, met een vermogen dat varieert van die van een flessenkoelkast tot die van een warmtepompsysteem met groot vermogen Voor toepassingen met een klein vermogen zijn veel verschillende compressortypen verkrijgbaar. Voor toepassingen met een middelgroot tot groot vermogen worden vooral zuigercompressoren gebruikt. Er zijn nu echter ook schroefcompressoren verkrijgbaar voor grote vermogens, en voor de allergrootste vermogens kan men een op maat gemaakte turbocompressor bestellen.
Conclusie
Sinds de herintroductie van CO2 in 1990,
heeft de technologie rondom dit koudemiddel een enorme ontwikkeling ondergaan. Dit heeft geleid tot het op de markt brengen van efficiënte CO2-systemen, maar ook tot de ontwikkeling van andere technologieën. De huidige ontwikkeling van diverse toepassingen, van onderdelen en van nieuwe systemen zal in de nabije toekomst leiden tot het op de markt brengen van nieuwe duurzame producten. De uitdaging hierbij is om energie-efficiënte en ook kostentechnisch interessante systemen te ontwikkelen. Gezien de resultaten tot nu toe en de nog altijd voortdurende onderzoeken en ontwikkelingen, zullen ook deze laatste praktische problemen waarschijnlijk binnenkort worden opgelost. Het gebruik van natuurlijke koudemiddelen in het algemeen, en CO2 in het bijzonder, zal naar verwachting alleen maar verder toenemen doordat overheden het gebruik van broeikasgassen en andere nadelige milieueffecten willen verminderen.
Dankwoord
Deze publicatie kwam tot stand met steun van onderzoeksproject CREATIV en werd financieel mogelijk gemaakt door de onderzoeksraad van Noorwegen (p.no.195182/S60) en door diverse industriële partners, waaronder Danfoss, FHL, Hydro Aluminium, John Bean Technology, Norske Skog, REMA1000, Systemair en TINE.
