Overgang naar de Nieuwe Generatie Koelmiddelen met een Laag GWP in Industriële Airconditioners voor Zware Omstandigheden en Hoge Omgevingstemperaturen, zoals Staalfabrieken en Walserijen

Murat Yıldırım & Ahmet Kutsal Erdoğan

TMS Endüstriyel Soğutma Sanayi Ticaret A.Ş.

Definitie en Historische Ontwikkeling van Koelsystemen

Met inbegrip van airconditioning systemen, worden dampcompressie cycli, die een geschiedenis van ongeveer 200 jaar hebben, vandaag de dag op grote schaal gebruikt voor airconditioning. Met behulp van het koelmiddel dat in de cyclus gebruikt wordt, wordt de warmte uit de koude zone onttrokken en naar de warme zone overgebracht. Op deze manier vindt het koelproces plaats door warmte aan de warme omgeving te onttrekken.

Ontwikkeling van Koelsystemen

Met het wijdverbreide gebruik van dampcompressiecycli is het gebruik van koelsystemen op elk gebied mogelijk geworden. Naast airconditioners van het comforttype werden er ook aangepaste ontwerpen voor koelcycli gemaakt op industrieel gebied. Er zijn speciale koudemiddelen ontwikkeld voor de koelprocessen, vooral voor verschillende omgevingstemperaturen. Terwijl hogedrukvloeistof wordt geselecteerd voor apparaten die worden gebruikt in faciliteiten zoals koelkamers en vriezers en die kunnen koelen bij temperaturen onder het vriespunt, wordt de voorkeur gegeven aan lagedrukkoelmiddelen voor koelruimtes in faciliteiten zoals gieterijen en walserijen, waar de omgevingstemperatuur soms boven 80 °C ~ 90 °C ligt. Op deze manier worden de gewenste efficiënte koelprestaties bereikt.

In de ijzer- en staalindustrie is een van de belangrijkste behoeften een ononderbroken koeling in de bestuurderscabines en elektrische ruimten op de kranen die in faciliteiten zoals gieterijen werken. Airconditioners van het industriële type die in deze ruimten werken, moeten het koelproces ononderbroken voortzetten. Om dit te bereiken hebben koelmiddelen met een lage werkdruk, zoals R227ea, R236fa die tot de HFK-groep behoren, tot op heden de voorkeur gekregen in ontwerpen voor koelcycli. Airconditioners met koelmiddel R227ea kunnen werken in werkomgevingen tot 85 °C, terwijl koelmiddel R236fa ononderbroken koeling mogelijk maakt in werkomgevingen tot 90 °C.

Als we de geschiedenis van het koudemiddel bekijken, zien we dat in het begin natuurlijke stoffen als koudemiddel werden gebruikt in verschillende sectoren van de industrie. Het feit dat de meeste van deze stoffen brandbaar waren en hun toxische effecten hebben het gebruik echter vertraagd. In de jaren 1930 werd het gebruik van koelsystemen wereldwijd wijdverspreid met de opkomst van synthetische koelmiddelen, chloorfluorkoolstoffen (CFK’s) genaamd, waaronder het koelmiddel R12. Dit werd gevolgd door de ontwikkeling van koelmiddelen op basis van chloorfluorkoolwaterstoffen (HCFK’s), waaronder R22, dat lange tijd op grote schaal werd gebruikt.

Effecten van Koelsystemen op de Opwarming van de Aarde

Terwijl koelsystemen snel wijdverspreid raken over de hele wereld, is vastgesteld dat deze vloeistoffen een rol spelen in de afbraak van de ozonlaag. Om dit effect op basis van het koelmiddel te meten, werd het ozonafbrekend vermogen (ODP) gedefinieerd en werd de ODP-waarde van koelmiddel R-11 vastgesteld op 1,0. De doeltreffendheid van andere koelmiddelen voor de afbraak van de ozonlaag werd als equivalent berekend. Hoewel HCFK’s minder effectief zijn dan CFK’s, behoren ze tot de stoffen die de ozonlaag afbreken. In september 1987 werd het Protocol van Montreal aangenomen betreffende het verbod op chemische stoffen die de ozonlaag afbreken, waaronder koelmiddelen. Turkije is op 19 december 1991 partij geworden bij dit protocol.

Om dit negatieve effect te elimineren, werd in de jaren 1990 de fluorkoolwaterstofgroep (HFK) als alternatief ontwikkeld. Het ODP van de HFK-groep is nul. Alle tegenwoordig veel gebruikte koelmiddelen zoals R134a, R410a, R407c, R404a behoren tot deze groep. Door het gebruik van HFK’s is de ozonlaag verbeterd, maar het probleem van de opwarming van de aarde, ook wel het broeikaseffect genoemd, is met deze vloeistofgroep ontstaan. De meeste fluorkoolwaterstoffen behoren tot de groep die als broeikasgassen wordt gedefinieerd. Hoewel HFK’s verschillende toepassingen hebben, vindt volgens gegevens uit 2012 ongeveer 80% van het totale gebruik plaats in de airconditioningsector (HVAC). [2]

Om de effecten van koelmiddelen op de opwarming van de aarde te evalueren, is het concept van het aardopwarmingsvermogen (GWP) ontstaan. GWP is een maat voor het relatieve aardopwarmende effect van verschillende gassen. Het GWP geeft de hoeveelheid warmte aan die 1 ton van een koelmiddel in een bepaalde periode vasthoudt, ten opzichte van de hoeveelheid warmte die 1 ton kooldioxide (_CO2) gas vasthoudt. Hier is de GWP-waarde van_CO2-gas gedefinieerd als 1,0. Aangezien de GWP-waarde van R236fa-koelmiddel 9810 is, is het effect van R236fa-koelmiddel op de opwarming van de aarde 9810 keer groter dan dat van_CO2-gas.

De waarde, uitgedrukt in ton_{CO2-equivalent}, is de GWP-gewogen hoeveelheid van een koudemiddel en is de massa van het koudemiddel vermenigvuldigd met de GWP-waarde.

CO2-equivalent = massa (ton) x GWP [2]

Bijvoorbeeld, berekening voor 50 kg R236fa koelmiddel gebruikt in een airconditioner;

CO2-equivalent = 0,05 (ton) x 9810

CO2-equivalent voor dit apparaat: 490,5 ton.

Wereldwijd zijn er studies uitgevoerd om de uitstoot van broeikasgassen die de opwarming van de aarde veroorzaken te beheersen en het gebruik ervan binnen een kalender te beperken. Na het Protocol van Montreal, waarbij 196 landen partij zijn, werd op 12 december 2015 het Akkoord van Parijs ondertekend en opengesteld voor ondertekening. Later werd op 10-14 oktober 2016 de 28e bijeenkomst van de ondersteuners van het Protocol van Montreal gehouden in Kigali, de hoofdstad van Rwanda, en op 15 oktober 2016 trad het Amendement van Kigali in werking op 1 januari 2019, met de ratificatie van het amendement door 65 partijen bij het protocol. Hoewel gefluoreerde broeikasgassen (HFK’s) de ozonlaag niet aantasten, kan hun effect op de opwarming van de aarde oplopen tot 23 duizend keer dat van kooldioxide. Met het Kigali-amendement is het de bedoeling dat de uitstoot van deze gassen tot het einde van de goedgekeurde kalender met 80 Gigaton kooldioxide-equivalent wordt verminderd. [8]

Figuur-1 toont het tijdschema voor de beperking van het gebruik van HFK’s.

Figuur-1 Kigali-amendement, tijdschema voor de beperking van HFK’s [2]

Landen van groep A5 worden gedefinieerd in artikel 5 van het Protocol van Montreal. Partijen die voldoen aan de definitie van artikel 5 van het Protocol van Montreal zijn over het algemeen economisch ontwikkelingslanden. Partijen die geen artikel 5 landen zijn (niet-A5) of niet voldoen aan de definitie van artikel 5 van het Protocol van Montreal zijn over het algemeen economisch ontwikkelde landen. [9]

In het kader van deze kalender is het de bedoeling om de koolstofvoetafdruk te verkleinen door de jaarlijks vastgestelde quota te verlagen. [6] In deze kalender zijn 4 categorieën bepaald volgens landengroepen. Categorie A5 omvat ontwikkelingslanden. In de niet-A5 categorie zitten ontwikkelde landen (A2). Turkije behoort tot de ontwikkelingslanden in de A5-groep1.

Als onderdeel van het Kigali-amendement zal het gebruik van HFK-gassen tot 2047 met 85% worden verminderd. Op deze manier wordt ernaar gestreefd de opwarming van de aarde met 0,4 °C ~ 0,5 °C te verminderen en op een niveau van 1,5 °C te houden.

In overeenstemming met de publicatie van de F-gasverordening en de EU-wetgeving werd op 1 januari 2020 de productie van koelsystemen met koelmiddelen met een aardopwarmingsvermogen (GWP) van meer dan 2500 verboden en alleen toegestaan voor onderhoudsdoeleinden. Het gebruik voor onderhoudsdoeleinden is toegestaan. Het gebruik van koudemiddelen voor onderhoudsdoeleinden is ook beperkt tot 40 tonCO2-equivalent. [5] Tegen 2030 zal het gebruik van nieuwe koelmiddelen voor onderhoud of herlading volledig verboden zijn.

Het Kigali-Amendement en Turkije

In ons land werd het Kigali-amendement op 25 mei 2019 ingediend bij de Grote Nationale Vergadering van Turkije en op 4 maart 2021 aangenomen. Met de F-Gasverordening, die begin 2020 van kracht werd, is ons land ook deze weg ingeslagen. Tot slot heeft Turkije op 7 oktober 2021 het klimaatakkoord van Parijs ondertekend. [4]

Met het Kigali-amendement waren nieuwe alternatieve vloeistoffen nodig op het gebied van koelmiddelen, met de beperking van HFK’s na CFK’s en HCFK’s. Studies naar de ontwikkeling van nieuwe alternatieven worden in twee categorieën voortgezet. In de eerste categorie worden alternatieven voor natuurlijke koudemiddelen bestudeerd, zoals_CO2 (R744), propaan (R290) en ammoniak (R717), die al bekend waren. In de tweede categorie bevinden zich koudemiddelen uit de Hydrofluoroolefines (HFO) groep, die de nieuwe generatie milieuvriendelijke koudemiddelen wordt genoemd. De bekendste hiervan zijn de koudemiddelen R1234yf en R1234ze. Deze koudemiddelen zijn ontwikkeld als alternatief voor R134a, een van de meest gebruikte koudemiddelen in de huidige HFK-groep. [3] De GWP-waarden van deze vloeistoffen, die als alternatieven worden beschouwd, zijn zeer laag in vergelijking met de vloeistoffen uit de HFK-groep. Als u het voorbeeld wilt vergelijken, kunt u tabel – 1 bekijken;

Tabel – 1 GWP-waarden voor verschillende koudemiddelen

Natuurlijke koudemiddelen hebben belangrijke beperkingen, vooral op het gebied van werkomstandigheden en service. De zeer ontvlambare eigenschap, zoals R290 (propaan), beperkt het gebruik in de airconditioner. Wanneer de omgevingstemperatuur hoger is dan 20 °C, werken_CO2-systemen in de transkritische modus, wat gedefinieerd wordt als een koelsysteem waarvan de verdamper onder de kritische temperatuur werkt en de condensor boven de kritische temperatuur werkt.

Hoewel de nieuw ontwikkelde alternatieve vloeistoffen (HFO) een lage impact hebben op de opwarming van de aarde, zijn hun ontvlambare en giftige klassen hoger dan die van de HFK-groep, wat het gebruik ervan belemmert. Om deze negatieve eigenschappen te elimineren, worden nieuwe koudemiddelen ontwikkeld door HFO en HFK-groep vloeistoffen in bepaalde verhoudingen te mengen. Deze nieuwe vloeistofmengsels worden ontwikkeld voor gebruik in de dampcompressiecyclus. Vloeistoffen met de brandbaarheidsklassen A3 en A2, zoals gedefinieerd door ASHREA en te zien in Figuur-2, verschuiven naar de veilige klasse A2L en A1.

Figuur-2 ASHRAE-klassen voor ontvlambaarheid en toxiciteit

Bijvoorbeeld: in plaats van het koudemiddel R1234yf, dat tot de HFO groep behoort, direct te gebruiken als alternatief voor R134a, dat veel wordt gebruikt in industriële koelsystemen zoals koelmachines, is het koudemiddel R513a, dat tot de brandbaarheidsklasse A1 behoort, ontwikkeld. Het is een azetropisch mengsel dat wordt verkregen uit een mengsel van 56% R1234yf en 44% R134a. De druk – enthalpie (p-H) grafiek en koelprestaties liggen zeer dicht bij die van R134a. Aan de andere kant is het effect van R513a vloeistof op de opwarming van de aarde met ongeveer 55% verbeterd ten opzichte van R134a, aangezien de GWP-waarde 631 is. Deze ontwikkelingen leveren een positieve bijdrage aan de uiterst belangrijke productlevenscyclus en productverwijdering vanuit milieuoogpunt.

De vergelijkbare thermodynamische eigenschappen van alternatief ontwikkelde mengvloeistoffen en HFK-vloeistoffen maken conversies van koelmiddelen tegen lage kosten in bestaande airconditioners mogelijk.

Het gebruik van R227ea (GWP: 3220) en R236fa (GWP: 9810) koelmiddelen in airconditioners voor koeling in werkomgevingen met hoge temperaturen is in Europa verboden, in overeenstemming met de F-Gas verordening. De productie en import van nieuwe apparaten die deze vloeistoffen gebruiken is verboden binnen de grenzen van Europa. Daarnaast worden er nieuwe sancties ingevoerd voor de bestaande koelmiddelen die op grote schaal worden gebruikt in airconditioners. Voor het koelmiddel R134a (GWP: 1430), dat een van de meest gebruikte koelmiddelen in industriële airconditioners is, wordt sinds kort in Noorwegen een extra belasting van 1.095,38 Noorse kroon (ongeveer 2.000 TL) per kg geheven. Het belastingbedrag stijgt naargelang de GWP-waarde van het koelmiddel en kan oplopen tot meer dan 10.000 Noorse kroon per kg. Soortgelijke toepassingen zijn gestart in veel andere Europese landen. Daarom is er een nieuwe generatie alternatieve koudemiddelen met een laag GWP ontwikkeld. In deze context is een overgang naar niet-ontvlambare alternatieve koudemiddelen mogelijk. De belangrijkste nieuwe alternatieve koudemiddelen die gebruikt kunnen worden, zijn:

• R513a (56% R1234yf / 44% R134a – GWP : 631) – in plaats van R134a
• R450a (58% R1234ze / 42% R134a – GWP : 605) – in plaats van R227ea
• R515b (91,1% R1234ze / 8,9% R227ea – GWP: 293) – in plaats van R227ea en R236fa.

Het overgangsproces gaat door in Turkije. Deze overgang zal naar verwachting worden versneld door het Kigali-amendement en de F-gasverordeningen die eerder zijn aangenomen, en door het klimaatakkoord van Parijs dat in oktober 2021 is ondertekend. Met name 2024 zal worden beschouwd als startdatum voor A5-groep 1, die is opgenomen in de kalender voor HFK-vermindering van het Kigali-amendement. Bovendien werd het overgangsproces in Turkije versneld met de “Verordening inzake gefluoreerde broeikasgassen” die op 29 juni 2022 werd gepubliceerd. Commerciële koel- en vrieskasten (hermetisch afgesloten apparatuur) die fluorkoolwaterstoffen bevatten met een GWP van 2500 of meer (hermetisch afgesloten apparatuur) zijn vanaf 1/1/2025 verboden en commerciële koel- en vrieskasten die fluorkoolwaterstoffen bevatten met een GWP van 150 of meer (hermetisch afgesloten apparatuur) zijn vanaf 1/1/2029 verboden.

TMS Industrial Refrigeration Inc. is in 2019 begonnen met onderzoeken naar koelmiddelen met een laag GWP. Een resultaat van de R&D-studies is ons productassortiment, namelijk VKS Series kraancabinekoelers, aangenomen. Bij de VKS-serie kraancabinekoelers, speciaal ontworpen volgens de zware werkomstandigheden van ijzer- en staalfabrieken, werden R134a, R227ea en R236fa koelmiddelen gebruikt. De alternatieve ontwerpen voor de nieuwe generatie koudemiddelen met een laag GWP werden voltooid en er werden nieuwe productreeksen geïntroduceerd. (Figuur-3) TMS Industrial Refrigeration Inc. biedt airconditioners waarin R513a, R450a of R515b koelmiddelen worden gebruikt als alternatief aan haar klanten, in overeenstemming met de temperatuur van de werkomgeving. In deze context worden sinds 2020 producten met koelmiddelen met lage GWP-waarden geproduceerd voor verschillende landen in de wereld, met name voor Europese landen.

Figuur – 3 Kraancabinekoelers van het merk TMS, ontworpen voor zware werkomstandigheden (hoge temperatuur en corrosieve omgeving)

Er wordt voorspeld dat de overgang naar de nieuwe generatie koudemiddelen in de nabije toekomst zeer snel zal verlopen, zowel door de regelgeving en overeenkomsten waarbij ons land partij is, als door het toenemende milieubewustzijn.

Referenties:

• Danfoss – Refrigerant options now and in the future (Ağustos 2018)
• gov.tr – Kigali Değişikliği Bilgi Notu
• Yıldız, R. Yıldırım “R134a’ya Alternatif Bir Soğutucu Akışkan (R513A) Kullanan Buhar Sıkıştırmalı Soğutma Sistemlerinin Enerji ve Çevresel Analizi” Düzce Üniversitesi Bilim ve Teknoloji Dergisi, 8 (2020) 1817-1828
• Paris İklim Anlaşması – Resmi Gazete 7 Ekim 2021 Sayı: 31621 (Mükerrer)
• “Refrigeration and freezer equipment: Changes to refrigerant gases that can be used” gov.uk/environment-agency
• Doç. Semra Cerit Mazlum “Küresel İklim Politikaları” Ankara, 2019
• Şen, “Turkish Draft F-Gas Regulation to Implement Kigali Amendment”, https://turkishlawblog.com/read/article/269/turkish-draft-f-gas-regulation-to-implement-kigali-amendment
• “Türkiye Kigali Değişikliğini onayladı” https://yesilekonomi.com/turkiye-kigali-degisikligini-onayladi/
• https://tr.frwiki.wiki/wiki/Protocole_de_Montr%C3%A9al