Er zijn diverse koudemiddelen voor warmtepompen.

Wat is het beste koudemiddel voor mijn warmtepomp?

Invloed van koudemiddelen op veiligheid, milieu en energieverbruik.

Net als in een koelkast, diepvries en airco werkt een warmtepomp met behulp van een koudemiddel. Het koudemiddel heeft een heel laag kookpunt en transporteert de energie. De energie wordt opgenomen aan de koude zijde (bij een koelkast de lucht in de koelkast, bij een lucht-water warmtepomp de buitenlucht) en afgestaan aan de warme zijde (bij een koelkast is dat de omgevingslucht buiten de koelkast, bij een lucht-water warmtepomp is dat het CV-water).

Er zijn diverse koudemiddelen, elk met hun voor- en nadelen, en er zijn nog diverse nieuwe koudemiddelen in ontwikkeling.
Eerste generatie: de eerste generatie koudemiddelen waren de natuurlijke koudemiddelen (R-717 ammoniak NH3 en koolwaterstoffen, zoals ethaan (R-170), propaan (R-290), propeen (R-1270), butaan (R-600) en iso butaan (R-600a). De natuurlijke koudemiddelen zijn goed voor het milieu. Echter (met uitzondering van het natuurlijke koudemiddel CO2) zijn ze brandbaar. En ammoniak ik giftig. Daarom zijn er in het verleden synthetische koudemiddelen ontwikkeld.
Tweede generatie: de tweede generatie (synthetische) koudemiddelen bevatten Chloor ( de CFK’s R-11 en R-12 en later HCFK's R-22, R-121 en R-122. Toen bleek dat ze de ozonlaag aantasten, werden ze verboden en/of sterk aan banden gelegd.
Derde generatie: in de derde generatie synthetische koudemiddelen werd aantasting van de ozonlaag voorkomen door het chloor in de CFK's en HCFK's te vervangen door fluor, de zogenaamde HFK's. Later bleek dat deze HFK's een zeer sterk effect hebben op de opwarming van de aarde. Voorbeelden hiervan zijn R-134a, R-410A en R-32. Alsgevolg van het sterke effect op opwarming van de aarde, worden deze koudemiddelen nu aan banden gelegd.
Vierde generatie: om ook dat probleem te verhelpen is de vierde generatie koudemiddelen ontwikkeld, de fluor waterstof Olefines oftewel HFO’s (o.a. R-1234ze en R-1234yf). Deze zijn in hun oorspronkelijke vorm veilig, tasten de ozonlaag niet aan, hebben een lage GWP en een goede efficiëntie.

Echter zijn ook de eerste generatie natuurlijke koudemiddelen weer in trek. Doordat sinds de eerste generatie natuurlijke koudemiddelen de veiligheidstechnieken rondom deze brandgevaarlijke middelen veel verder ontwikkeld zijn, en door de problemen van de synthetische koudemiddelen, worden natuurlijke koudemiddelen weer steeds vaker toegepast.

De belangrijkste eigenschappen van koudemiddelen voor warmtepompen zijn:
Veiligheid
Bijdrage aan klimaatverandering
Temperatuurbereik
Efficiëntie (SCOP)

Veiligheid:

Veiligheid is genormeerd en bestaat uit brandveiligheid en giftigheid.
Brandveiligheid is geklassificeerd in 4 niveaus:
Giftigheid is geklassificeerd in 2 niveaus:

In onderstaande tabel staat de veiligheidsnormering van een aantal koudemiddelen.

Veiligheids klassering van koudemiddelen voor warmtepompen.

Er is nog een extra dimensie op veiligeid. De nieuwe generatie HFO-koudemiddelen (o.a. R-1234ze en R-1234yf) zijn in hun oorspronkelijke vorm niet giftig en hebben daarom de A classificatie, maar ze lijken de eigenschap te hebben dat ze bij lekkage in de omgevingslucht vervallen tot een zuur uit de PFAS-familie. PFAS kunnen het immuunsysteem beschadigen en kanker veroorzaken. Dat risico maakt fabrikanten huiverig deze koudemiddelen toe te passen.

Her-evaluatie ontvlambaarheid A3
Door de A3 classificatie van R-290 is dit zeer effectieve koudemiddel lang niet toegepast geworden. In de afgelopen tientallen jaren heeft de veiligheid rondom propaan toepassingen niet stilgestaan. Het wordt veelvuldig toegepast als brandstof bij terrasheaters, BBQ's, vuurtafels, onkruidbranders, gaskachels in tenten, grasmaaiers en aggregaten. Daarnaast wordt vloeibaar propaan (LPG) gebruikt als brandstof in auto’s (LPG) en wordt propaan gebruikt als drijfgas in spuitbussen voor cosmetica, luchtverfrissers, insectensprays, verfbussen en in de farmaceutische industrie.

Er zijn drie redenen die tezamen de situatie veranderen:
  • Monoblock warmtepompen staan buiten.
  • De warmtepompen hebben een beperkte hoeveelheid propaan (de S2125 van NIBE, 8kW, heeft 0,8 kg propaan, in een fles propaangas voor een terrasheater zit 5 kg propaan).
  • Toepassing van moderne veiligheidstechnieken.

  • Er zijn al minstens vier belangrijke fabrikanten van warmtepompen voor woningen die vanaf 2021 zijn begonnen met de verkoop van warmtepompen met R-290. Dat middel heeft een zeer lage GWP, een hoge COP (zie hieronder), een hoog temperatuur bereik (zie hieronder), een lage prijs en een blijvende goede beschikbaarheid. R-290 lijkt dus een koudemiddel dat we in de toekomst steeds vaker gaan zien voor warmtepompen in woningen tot 12 kW.

    Bijdrage aan klimaatverandering:

    De bijdrage aan de opwarming van de aarde wordt uitgedrukt in de Global Warming Potential, GWP. Een GWP van één betekent dat het opwarmend effect even groot is als CO2. Een GWP van 1000 betekent dat het opwarmend effect 1000 keer groter is dan dat van CO2. In een warmtepomp zit gemiddeld tussen de 1 en 3 kg koudemiddel. Alhoewel dit koudemiddel niet verbruikt wordt, kan koudemiddel met een zeer hoge GWP, dat gedurende de levenscyclus van de warmtepomp weglekt, toch een groot effect hebben op de opwarming van de aarde.
    De koudemiddelen die de ozonlaag aantasten (de CFK's) zijn reeds in de ban. De koudemiddelen die zorgen voor opwarming van de aarde (de HFK's) zijn nog steeds gangbaar maar worden snel uitgefaseerd door middel van quota restricties.
    In onderstaande grafiek staat de GWP van een aantal koudemiddelen. De HFK koudemiddelen, waarop quota restricties van toepassing zijn, staan in rood. Op de HFO koudemiddelen (blauw) en de natuurlijke koudemiddelen (groen) zijn geen restricties.

    GWP waarde en productiequota restricties van koudemiddelen voor warmtepompen.

    De restricties houden in dat de totale hoeveelheid HFK-koudemiddelen die leveranciers nog mogen verkopen is vastgelegd in een quotum. Daarbij hebben middelen met een hogere GWP-waarde ook grotere restricties. Tussen 2015 en 2030 vind een afbouw plaats van 100% naar 21% van de totale GWP waarde.

    Productiequota restricties van HFK koudemiddelen.

    Voor deze groep HFK-koudemiddelen geldt wel een productiequotum maar géén gebruiksverbod. Dat betekent dat R-410A, R-407C, R-134A en R-32 installaties gewoon verkocht mogen worden en ook na 2030 gewoon bijgevuld mogen worden. Door het productiequotum zal er echter schaarste optreden en de prijzen van deze HFK koudemiddelen stijgen.

    TEWI: de daadwerkelijk reductie van de CO2 uitstoot van een warmtepomp (met HFK's)
    TEWI staat voor Total Equivalent Warming Impact. Het is een sommetje waarbij rekening gehouden wordt met:

    Een TEWI rekensommetje

    Een gemiddelde Nederlandse woning verbruikt 1500 m3 gas per jaar. Eén m3 gas stoot 1,8 kg CO2 uit. Per jaar is dat dus 1500 * 1,8 = 2700 kg CO2.
    Stel er komt een volledig electrische warmtepomp. De warmtepomp werkt op stroom. Stroom wordt in Nederland met name opgewekt door gasgestookte centrales, en die stoten wél CO2 uit.
    Het rendement ηopwekken van gasgestookte centrales is 58,5%. Stel de efficiëntie van de warmtepomp is 400% (SCOP = 4). Het totale rendement is dan

    ηtotaal = ηopwekken * SCOP = 58,5% * 4 = 234%.

    In plaats van de 2700 kg CO2 stoot je dan 2700 kg/234% = 1154 kg CO2 uit. De warmtepomp bespaart dus niet 2700 kg maar 2700 - 1154 = 1546 kg CO2 per jaar. Dat is een besparing van 1546/2700 = 57%.

    Warmtepomp met 2,5 kg van het HFK koudemiddel R-410A (GWP = 2088):
    In een 9 kW warmtepomp zit gemiddeld 2,5 kg koudemiddel. Het koudemiddel zit hermetisch opgesloten in de warmtepomp. Door omstandigheden, met name naar het einde van de levensduur van een warmtepomp, kan koudemiddel weglekken. De levensduur van een warmtepomp is over het algemeen minimaal 15 jaar (vaak halen ze meer dan 20 jaar). Stel de gemiddelde lek is 5% per jaar. Over 15 jaar lekt er dan 75% weg.
    Het niet weggelekte koudemiddel moet op het einde van de levensduur gerecupereerd worden. Dat gaat gemiddeld met een efficiëntie van 75%. Al met al is het redelijk te veronderstellen dat de 2,5 kg koudemiddel in onze warmtepomp volledig in de atmospheer terecht komt. Als er gedurende de gehele levenscyclus van de warmtepomp 2,5 kg koudemiddel in de atmospheer terecht komt, komt dat met R-410A overeen met 2,5 * 2088 = 5220 kg CO2 oftewel gemiddeld 5220 kg CO2 / 15 jaar = 348 kg CO2 per jaar.
    De netto CO2 besparing is dan niet 1546 kg CO2 per jaar maar 1546 - 348 = 1198 kg CO2 per jaar, en dus niet 57% maar 1198/2700 = 44% besparing.

    Warmtepomp werkt met 2,5 kg van het HFK koudemiddel R-32 (GWP = 675):
    Dat heeft een GWP waarde van 675. De efficiëntie (SCOP) van R-32 en R-410A verschilt enigszins (zie hierna) maar we gaan uit van dezelfde SCOP van 4. Dan is de netto besparing 1546 - 112 = 1434 kg CO2 per jaar oftewel 53% besparing.

    Warmtepomp werkt met 2,5 kg R-290 (GWP = 3):
    De efficiëntie van R-290 is iets beter dan dat van R-410A en van R-32. De netto besparing zal dan iets hoger zijn dan de 1546 kg CO2 cq. iets meer dan 57% besparing.


    Temperatuurbereik:

    Zowel de minimale temperatuur van de buitenlucht waar een warmtepomp nog moet werken, als de maximale temperatuur van het water dat de warmtepomp moet maken, zijn afhankelijk van het koudemiddel. Als een warmtepomp moet werken bij -10C dan moet het kookpunt van het koudemiddel bij lage druk lager liggen dan -10C. De maximale watertemperatuur die een warmtepomp kan maken moet lager liggen dan de kritische temperatuur van het koudemiddel.

    In onderstaande grafiek staat het kookpunt en de kritische temperatuur van diverse koudemiddelen. Het temperatuurbereik van een warmtepomp bevindt zich tussen deze twee grenzen.

    Het maximale temperatuurbereik van een warmtepomp bevindt zich tussen het kookpunt en de krtitische temperatuur van het koudemiddel.
    Om bij strenge vorst toch nog energie uit de buitenlucht te kunnen opnemen moet het koudemiddel een kookpunt hebben dat lager ligt dan -10C. Alle bovenstaande koudemiddelen, met uitzondering van R600a, zijn daarvoor geschikt.
    De maximale temperatuur die gemaakt kan worden ligt lager dan de kritische temperatuur. R-410A en R-32 (veel toegepast) hebben welliswaar de laagste kritische temperatuur, maar kunnen goed water verwarmen tot 60C, wat zowel voor tapwater toepassingen als de meeste CV toepassingen ruim voldoende is. Ze zijn echter niet geschikt voor hoge temperatuur warmtepompen. Daarvoor is bijvoorbeeld R-290 (propaan) met een kritische temperatuur van 96,7 C wel geschikt.

    Efficiëntie (SCOP):

    De efficiëntie van een warmtepomp wordt uitgedrukt in de COP. Een COP van 4 betekent dat de warmtepomp met 1 kWu stroom, 4 kWu warmte maakt. De COP is afhankelijk van de buitentemperatuur en van de temperatuur van het CV water. Daarom is het beter te kijken naar de SCOP. Een SCOP van 4 betekent dat gemeten over een heel stookseizoen de warmtepomp met 1 kWu stroom, 4 kWu warmte maakt.
    De efficiëntie van een warmtepomp wordt theoretisch begrensd en praktisch begrensd.

    De theoretisch maximale efficiëntie van een warmtepomp is begrensd volgens de formule van Carnot:

    [A] = Temperatuur van het verwarmde water in [K].
    [B] = Temperatuur van de buitenlucht in [K].
    [COPcarnot] = het theoretisch maximale energetisch rendement van de warmtepomp.

    COPcarnot = A / ( A - B )

    De praktijk:
    In de praktijk haalt een warmtepomp nooit het theoretisch maximale rendement. Daarvoor moet je het Carnot rendement vermenigvuldigen met het systeem rendement ηsysteem. Het systeem rendement bestaat uit het rendement van het koudemiddel ηkoudemiddel vermenigvuldigd met ηoverig (het rendementsverlies door de overige factoren, zoals de efficiëntie van de compressor, het energieverlies door de ontdooicyclus, de kwaliteit van de regelingen en het energieverbruik van randapparatuur zoals pompen, ventilatoren, etc.).

    COP = COPcarnot * ηkoudemiddel * ηoverig

    De SCOP is ook afhankelijk van de stooklijn en van het klimaat. Een hoge temperatuur stooklijn moet bij -10C CV water maken van 75C. Een lage temperatuur stooklijn moet bij -10C CV water maken van 35C. In onderstaande grafiek staan een aantal stooklijnen, van hoge temperatuur tot lage temperatuur.

    9 Stooklijnen,  van hoge temperatuur 75 Celsius,  tot lage temperatuur 35 Celcius.
    In onderstaande grafiek staat de SCOP in het Nederlandse klimaat, van lucht-water warmtepompen met 10 verschillende koudemiddelen, als functie van bovenstaande stooklijnen. Let op: 55 betekent dus een stooklijn waar bij een buitenlucht temperatuur van -10C het CV water 55C is, en bij een buitenlucht temperatuur van 15C het CV water 30,5C is.

    De maximale SCOP van een warmtepomp is afhankelijk van het koudemiddel én van de stooklijn.
    Het veelgebruikte koudemiddel R-410A heeft bij een stooklijn van 55C een maximale SCOP van 4,32 en bij een stooklijn van 35C een maximale SCOP van 5,12.
    Het natuurlijke koudemiddel R-290 (propaan) heeft bij een stooklijn van 55C een maximake SCOP van 4,53 en bij een stooklijn van 35C een maximale SCOP van 5,3.

    Samenvatting

    HFK's worden uitgefaseerd
    Alhoewel toepassing van HFK koudemiddelen (R-410A, R-134a, R-407C, R32) in warmtepompen niet verboden is, zal door productiequota en alsgevolg daarvan stijgende prijzen de HFK koudemiddelen de komende jaren uitgefaseerd worden.

    HFO's te groot risico
    Door de gezondheidsrisico's rondom PFAS zullen fabrikanten huiverig zijn de HFO koudemiddelen (R-1234yf, R-1234ze) toe te passen in warmtepompen voor woningen.

    Propaan (R-290) is terug
    R-290 is een natuurlijk koudemiddel met geen negatieve klimaat invloed (zowel niet voor de ozonlaag als ook niet voor de opwarming van de aarde). Daarnaast heeft het een groot temperatuurbereik en een hoge efficiëntie, zeker bij toepassing in het nederlandse klimaat. Doordat veiliheidstechnieken rondom toepassingen van koolwaterstoffen (met name propaan R-290) volwassen zijn geworden, stappen fabrikanten steeds meer over op dit koudemiddel voor hun nieuwe generaties warmtepompen.
    R-290 heeft daarnaast nog een installatie voordeel. Waar bij de installatie van een warmtepomp met HFK's de monteur een STEK F-gassen certificaat moet hebben, is dat voor warmtepompen met R-290 niet het geval, wat de keuze van installateurs vergroot.



    Meer weten:
    Om te weten wat de stooklijn van de woning is moet je de stooklijn meten. Dat kun je goed zelf. Bij warmtepomp berekeningen vindt je de methode om de stooklijn te meten en berekenen.
    Je kunt ook het stappenplan volgen, waarin een integrale aanpak om de woning te verduurzamen, inclusief het meten en verlagen van de stooklijn.

    Of ga terug naar boven en kijk bij   Meer   voor nog meer hulp en achtergrond informatie over verduurzamen en warmtepompen.