Indledning, CO2 som kølemiddel i varmepumper, Miljøstyrelsen

CO₂ som kølemiddel i varmepumper

1. Indledning

I forbindelse med Miljøstyrelsens plan for udfasning af kraftige drivhusgasser, herunder HFC-kølemidlerne, søger køle- og varmepumpebranchen i øjeblikket alternativer til de kølemidler, man i dag anvender. Et af de kølemidler der i fremtiden forventes at kunne erstatte HFC’erne er CO₂ (R744). CO₂ har dog helt anderledes egenskaber, end de kølemidler man i dag anvender, bl.a. opererer anlæg med CO₂ved et højere tryk, og typisk er processen transkritisk, hvilket betyder, at trykket på højtrykssiden er højere end det kritiske tryk for det pågældende kølemiddel. Desuden har CO₂ et betydeligt mindre specifikt volumen, hvilket medfører at de komponenter, der skal anvendes i anlæggene fylder væsentligt mindre.

At CO₂ ikke tidligere har været anvendt i videre udstrækning som kølemiddel, skyldes primært det høje tryk og dermed krav til de komponenter, der indgår i systemerne. Ved anvendelse af CO₂ som kølemiddel vil tryk over 100 bar forekomme, og dette har tidligere begrænset udbredelsen, bl.a. fordi der i kølesystemer typisk anvendes kobberrør. Det høje tryk er dog ikke længere nogen hindring for anvendelse af CO₂, da komponentfabrikanterne (kompressorer, varmevekslere, ventiler og rør) med nutidens fremstillingsprocesser kan designe og producere deres komponenter, således at de kan godkendes til dette trykniveau.

Desuden har komponentfabrikanterne tidligere anset varmepumperne for en niche, og derfor har de ikke udviklet komponenter til CO₂, der netop i varmepumper er et fremragende kølemiddel. I dag ses en helt anderledes indsats omkring varmepumperne, og derfor synes mulighederne for implementering af CO₂ som kølemiddel aldrig at have været bedre.

Et af de områder, hvor det er oplagt at anvende CO₂ som kølemiddel er i brugsvandsvarmepumper. Her er det nemlig muligt at udnytte det temperaturglid, der kan opnås i gaskøleren. Herved kan der, afhængig af driftskonditionerne, opnås virkningsgrader for varmepumpen med CO_2, der er væsentlig bedre end for traditionelle varmepumper.

I Danmark er der installeret i underkanten af 20.000 brugsvandsvarmepumper, der samlet har et estimeret energiforbrug på ca. 35.000 MWh. Potentialet ved implementering af CO₂som kølemiddel er en besparelse på ca. 8.000 MWh på årsbasis, hvilket svarer til en reduktion i CO₂– udslippet på ca. 6.300 tons pr. år. Denne reduktion er beregnet ved en forbedring i varmepumpernes effektivitet på 30% og vil alene være relateret til energiforbruget. Således er besparelsen, der vedrører reduktionen som følge af kølemiddeludslip fra anlæggene, ikke medregnet.

De seneste års udvikling i den danske energisektor har bevirket at antallet af solgte brugsvandsvarmepumper er stagneret og ligger på ca. 600 stk. pr. år. En meget stor del af de dansk fremstillede brugsvandsvarmepumper eksporteres til lande inden for EU. Den samlede produktion i Danmark af brugsvandsvarmepumper udgør i dag ca. 3.000 stk. I de kommende år forventes der en kraftig stigning både i eksporten og i antallet af brugsvandsvarmepumper installeret i Danmark. Det forventes, at antallet af dansk producerede brugsvandsvarmepumper når ca. 5.000 stk. om året i 2002. Dette begrundes i den stadig stigende interesse for energieffektivitet i sommerhusområder og i beboelser placeret i områder uden kollektiv varmeforsyning, samt en kraftig stigning i antallet af varmepumpeinstallationer i andre lande i EU (eks. Østrig, Sverige og Holland).

Anvendelsen af CO₂ som kølemiddel begrænser sig ikke alene til brugsvandsvarmepumper. Også i andre typer varmepumpeinstallationer er kølemidlet interessant på længere sigt. Dog er gevinsten i denne type anlæg ikke på højde med gevinsten i brugsvandsvarmepumper. Dette skyldes, at der i princippet er en højere gevinst, jo højere temperaturniveau varmebæreren har.

I anlæg, der alene anvendes til køleformål, vil CO₂ ligeledes kunne anvendes som kølemiddel. Netop på dette område ses i dag en stor interesse for alternative kølemidler. Dette skyldes bl.a. Miljøstyrelsens udspil omkring udfasning af HFC’erne. HFC-kølemidlerne har gennem de seneste år været den foretrukne kølemiddeltype i køleanlæg. Andre alternativer til HFC’erne vil blive problematiske at implementere i køleanlæg. Her tænkes specielt på kulbrinterne, som har termodynamiske egenskaber, som gør dem meget anvendelige i en række anlægstyper. Problemet består i, at kulbrinterne ved de rette betingelser er brandbare, og der skal derfor træffes særlige sikkerhedsforanstaltninger ved anvendelse af disse kølemidler.

I anlæg, hvor der anvendes direkte ekspansion på kølestedet, vil det være endog meget problematisk at anvende kulbrinter, og derfor er det specielt disse anlæg, der i fremtiden vil have glæde af at kunne anvende CO₂. Der vil nemlig ikke være nogen sikkerhedsmæssige vanskeligheder ved at anvende CO₂, da dette kølemiddel hverken har toksiske egenskaber eller er brandfarligt.

Det skal her understreges, at det langt fra er i alle anlægstyper, at CO₂ kan anvendes, hvis der ønskes højere energieffektivitet. I nærværende rapport fokuseres der på anvendelse af CO₂ som kølemiddel i varmepumper, men forhold omkring komponenter, der ligeledes kan anvendes til køleformål er berørt i rapporten. Der bør dog ved hver enkelt applikation gennemføres en beregning af systemets effektivitet ved skift til CO₂.