Een fragiele wereld drijft ons naar andere koelmiddelen
De warmtepomp is het broertje van de koelmachine • • • •
•
•
Bij een warmtepomp wordt warmte onttrokken aan de koude buiten omgeving, waardoor het buiten nog (een klein beetje) kouder wordt. Die onttrokken warmte, bij buitentemperatuur, geven we af binnen in dezelfde hoeveelheid maar aan een hogere temperatuur. Dit is volkomen onnatuurlijk, en het gaat dus niet vanzelf. Om deze warmte te kunnen aan een hogere temperatuur dan waaraan ze onttrokken is, is energie nodig, die bij het proces zich eveneens in warmte zal gaan omzetten. De aan de warme kant afgegeven warmtehoeveelheid is dus veel groter dan de energie die nodig is geweest om het systeem aan te drijven. Zij is immers : onttrokken warmte + warmte afkomstig van de aandrijvende energie. Die verhouding wordt de COP genoemd. Zo kan met een inbreng van 1 kW om het systeem aan te drijven, 3 kW onttrokken worden aan de buitenwereld bij bv 0°C en kan er binnen 4 kW worden afgegeven aan bv +35°C. Hiermee kan je gemakkelijk een ruimte aan bv 21°C verwarmen. De COP is dan 4. En ja hoor, dit is volledig in overeenstemming met de eerste en de tweede hoofdwet van de thermodynamica.
1
Energiestromen
Buiten 0°C
omgevingstemperatuur +21°C 3 kW koeling bij -10
4 kW warmte bij 45°C
1 kW electriciteit voor de compressor, de ventilatoren ...
Warmtepomp
Principes • •
• • •
Er bestaan vele principes volgens welke een koelsysteem of een warmtepomp kan werken. Een van die principes is het doen verdampen van een geschikte vloeistof door het verlagen van de druk. Dit toestel is de “verdamper” . Door het verdampen wordt warmte onttrokken. De ontstane damp wordt vervolgens afgezogen, en door de arbeid van de “compressor” samengeperst. Daartoe moet aan de compressor energie geleverd worden, dit kan mechanische of elektrische zijn. Hierdoor wordt de damp warm en komt op hogere druk. De hete damp wordt nu afgekoeld tot iets boven omgeving temperatuur, daardoor wordt de damp terug vloeibaar, hij condenseert : dit gebeurt in de “condensor” en de herwonnen vloeistof is nu onder hoge druk. Vervolgens wordt de vloeistof terug in een ruimte onder lagere druk ingespoten, via de “smoorklep”, waar ze verdampt... de cyclus is rond. Andere principes werken eventueel niet met een verdampende vloeistof. Maar dit principe heeft echter tot hier toe met de bestaande materialen en bij de temperaturen en drukken van alle dag het hoogste rendement en de hoogste productie. Vandaar...
2
De klassieke thermodynamische cyclus koude kant van de installatie bv 0°C
damp -5 °C
verdampende vloeistof -10°C verdamper lage druk
compressor smoorklep
electriciteit of andere vorm van arbeid hete damp +80 °C
hoge druk condensor
warme kant van de installatie, bv +35°C
vloeistof +45 °C
Principe
“een geschikte vloeistof” • • •
• • •
Bij de uitvinding van de kunstmatig koude werden een ganse reeks stoffen gebruikt, achtereenvolgens methylether, ammoniak, CO2, lucht (maar niet volgens hetzelfde principe), SO2 en anderen. Meestal zijn die giftig, narcotisch, brandbaar of werken bij gevaarlijke hoge drukken. In het beste geval zijn enorme machines nodig. In 1895 heeft een Gentenaar Schwartz dichlorodifluoromethaan CCl2F2 onderzocht. Hij schreef : het kookt bij -32°C, het is bij ca 6 bar en omgevingstemperatuur vloeibaar, het ruikt niet en brandt niet en je kan er waarschijnlijk niets mee aanvangen. In 1930 introduceert Frigidaire, een afdeling van General Electric dit zelfde gas als koudemiddel, met een reclamespotje, je ademt het in en blaast er een kaars mee uit. Niet aanbevolen bij ammoniak. “Freon”, want zo is de handelsnaam, begint aan de verovering van de wereld van de koeling, en van nog veel meer dan dat. Warmtepompen zijn ongeveer 50 jaar jonger dan koelmachines, de eerste experimentele modellen dateren van ca 1920. Vele « wetenschappers » hebben het er moeilijk mee gehad dat er meer uitkomt dan erin gaat, zij snappen dus manifest de reversibiliteit van de 2 hoofdwet niet. Ook Carnot had last van die mensen.
3
In 1984...
•
•
•
• •
De meeste koelinstallaties werken op een van de broertjes van R12. We kennen ook R11, R502, R22, R12B1, R13B1, R114,...Die hebben intussen exotische merknamen gekregen : Freon, Frigen, Forane,... De publiciteit spreekt over “koelmiddelen op maat”... De toepassingen overschrijden ver het gebied van alleen de koeling : opschuimmiddel voor isolatieplaten, drijfgas voor spuitbussen met verf en andere, reinigingsmiddellen. En och ja, ook voetbaltoeters... Rowland en Molina ontdekken dat de ozonlaag boven de zuidpool eigenaardige verschijnselen vertoont : ze schijnt elk jaar dunner te worden : er is een “gat”, en dat wordt elk jaar groter. Chloor blijkt de oorzaak te zijn : door een scheikundige reactie wordt ozon (O3) versneld afgebroken tot O2. Chloor speelt daarbij katalysator. En de werking van de ozonlaag : beschermende laag tegen de gevaarlijke fractie van het UV licht, komt in het gedrang... Er gebeurt in 1984 niet wat Orwell voorspelde maar veel erger…
Het gat boven Antarctica
4
Maar het is nog niet gedaan •
•
•
•
In mei 1992 stelt het Klimaatverdrag van de Verenigde Naties tot doel de concentratie van broeikasgassen in de atmosfeer op een niveau te brengen dat ze “geen verstoring van het klimaatsysteem” kunnen teweeg brengen. In december 1997 wordt in Kyoto bij de VN conferentie vastgelegd dat de broeikasgassen met 5.2% beneden het niveau van 1997 moeten worden teruggedrongen in 2012. Men bedoelt daar in de eerste plaats CO2 en methaan mee. Maar de fluorhoudende koelmiddelen blijken ook een broeikaseffect te veroorzaken, en wel dat tussen de 1.000 en de 30.000 maal sterker is dan dat van CO2. Dit is het directe broekaseffect. Daarenboven presteren de “nieuwe koelmiddelen” door de band veel slechter dan de vroegere koelmiddelen. Zodat er ook een grotere CO2 uitstoot is op het niveau van de elektriciteitsproductie... Dit is het indirecte broeikaseffect, ca 5 tot 20 x groter als het directe, en dit is afhankelijk van de manier waarop energie wordt opgewekt (de energiemix)
Het serre effect beschermt ons tegen de koude uit de ruimte
Zonder serre-effect zou de temperatuur op aarde –5 zijn (waterdamp effect niet meegerekend), nu is het +15°C wereldgemiddeld. Dit is de gunstige kant ervan.
5
Chloorvrije koelmiddelen
Halogeenvrije koelmiddelen
6
Niet azeotrope mengsels hebben een « Glide »
Alternatieven, ODP en GWP
7
Alternatieven andere eigenschappen
Toekomstige fluida voor Warmtepompen • • •
• • • •
R22 was uitstekend, maar is op het einde van zijn loopbaan. R134a is een bruikbaar maar ongunstiger alternatief voor R12 R114 kan eventueel door R227 worden vervangen, maar het directe serreeffect is hoog en de prestatie is zwak (vooral de temperaturen zijn lager). NH3 is uitstekend maar noodzaakt een secundair fluidum en is daardoor niet geschikt voor kleine installaties (<100 kW) CO2 in de Lorensen transcritische Cyclus is de hoop voor de toekomst, de technologie is bijna op punt. R407c is een bruikbare maar ongunstiger alternatief voor R22 De petroleumgassen zijn uitstekende koelgassen maar niet zo geschikt voor warmtepompen (lage persgastemperatuur)
8
R134a
R407c
9
R114, een CFK
R227 octafluorpropaan
10
R744 Kooldioxide
De transcritische Lorensen Cyclus
11
Experimentele CO2 compressor voor de transcritische cyclus
R717 Ammoniak
12
R290 Propaan
Besluiten • Meer dan in het verleden zal de warmtepomp in de toekomst zijn rol spelen, alle hernieuwbare energieën op weinig uitzonderingen na maken elektriciteit • De enige wijze om elektriciteit op een zinnige wijze in warmte om te zetten is via een warmtepomp • Het uitbannen van de F gassen zal vermoedelijk samenvallen met de commercialisatie van de CO2 transcritische cyclus. • Deze cyclus zal warmtepompen lucht water toelaten met een COP van vermoedelijk 3.0 of meer in een volledig fabrieksvoorgebouwde unit, met twu 90°C en meer. • De petroleumgassen en NH3 zullen toegepast worden met een secundair fluidum of in kleine units (5 kWth)
13
