Warmtepompen gebruiken omgevingsenergie om ons van warmte te voorzien. Ze hebben echter synthetische koelmiddelen die milieuonvriendelijke gefluoreerde broeikasgassen bevatten (F-gassen). De Fraunhofer-onderzoekers hebben warmtepompen ontwikkeld die werken op propaan. De pomp is zowel milieuvriendelijker als efficiënter.
Gemodelleerd op de natuur: de nieuw ontwikkelde warmtepompverdeler haalt zijn inspiratie uit de vertakkingen van een boom.
"Verwarming en warm water zijn goed voor 40 procent van het eindverbruik van energie in Duitsland. Het verbranden van hoogwaardige fossiele brandstoffen zoals aardgas of ruwe olie heeft niet alleen weinig zin, het schaadt ook het klimaat. Elke eenheid elektrische energie die nodig is om een warmtepomp te gebruiken, die veel werkt op hernieuwbare energiebronnen, genereert drie tot vijf eenheden CO2-neutrale warmte. Dit maakt dat warmtepompen een belangrijk element zijn bij het uitvoeren van de transitie in Duitsland naar een duurzaam energiesysteem, "zegt Dr. Marek Miara, werkzaam bij het Franhöfer Instituut voor zonne-energiesystemen ISE in Freiburg.
Een warmtepomp werkt op dezelfde manier als een koelkast. Het koelmiddel absorbeert de warmte in de koelkast en transporteert het naar buiten. Het verschil is dat warmte die vrij wordt gelaten aan de achterkant van de koelkast door de warmtepomp uit de bodem van de aarde, of grondwater of omgevingslucht wordt gehaald om onze woning of water te verwarmen.
Om dit te bereiken, wordt het verwarmde, verdampte koelmiddel samengeperst, waardoor de temperatuur en druk worden verhoogd. Het hete koelgas geeft zijn warmte af aan het water en condenseert. Het warme water stroomt naar vloerverwarming, radiatoren of warmwateropslagtanks, terwijl het vloeibare koelmiddel, nu afgekoeld, terugstroomt naar een zogenaamde verdamper, waar het opnieuw warmte absorbeert. De cyclus begint dan opnieuw vanaf het begin.
Grotendeels zijn koudemiddelen samengesteld uit een mengsel van synthetische milieuvriendelijke stoffen, gefluoreerde broeikasgassen (F-gassen). In juni 2014 heeft de Europese Commissie aangekondigd dat F-gassen geleidelijk uit de markt zullen verdwijnen. Een milieuvriendelijk, natuurlijk alternatief voor synthetische koelmiddelen is propaan, dat al aan populariteit wint in airconditioning- en koelsystemen. Maar hun gebruik in warmtepompen is nog relatief nieuw.
Want hoewel propaan uitstekende thermodynamische eigenschappen heeft, is het zeer ontvlambaar, en dit vormt een uitdaging wanneer het in een verwarmingscyclus wordt gebruikt.
"Als u propaan wilt gebruiken", moet u het volume van het koelmiddel zo laag mogelijk houden om de risico’s die ermee gepaard gaan, te minimaliseren,” zegt Dr. Lena Schnabel, hoofd van de afdeling verwarming en koelingstechnieken bij Fraunhofer ISE.
Een bionische structuur garandeert zelfs de verdeling
De oplossing volgens de ISE-onderzoekers, samen met hun Europese onderzoekspartners, is om uiterst compacte, gesoldeerde, van ribben voorziene warmtewisselaars te gebruiken die goed functioneren met kleine hoeveelheden vloeistof. De thermische energie wordt overgedragen van de ene stromende stof naar de andere via warmtewisselaars. Deze zijn samengesteld uit talrijke parallelle kanalen die het circulerende koelmiddel bevatten, dat ofwel warmte (zogenaamde "verdampers") absorbeert of het uitstraalt ("condensors"). "De vloeistof moet volledig verdampen of hercondenseren over de lopende lengte. Om te garanderen dat ze efficiënt werken, moet de dampvloeistofverhouding identiek zijn in alle kanalen. Over het algemeen is het niet eenvoudig om dit te bereiken, en het wordt vooral lastig als je het volume van het koelmiddel probeert te beperken. "
Om het probleem op te lossen, ontwikkelden Schnabel en haar team een verdeler met een bionische structuur: "Conventionele Venturi verdelers zien eruit als een stapel spaghetti gemaakt van vele dunne buizen die samenkomen waar ze de verdamper ontmoeten. Onze verdeler is anders, het heeft een constante vertakkingsstructuur, zoals de takken en twijgen van een boom, die een gelijkmatige verdeling van het koelmiddel in de afzonderlijke verdamperkanalen garanderen, zelfs met een klein volume aan koelmiddel. Deze structuur maakt optimaal gebruik van de gehele oppervlak van de warmtewisselaarwarmte, wat de efficiëntie verbetert.
Om het risico van ontploffing bij het samenpersen van het propaan te verminderen, gebruikten Schnabel en zijn team een gespecialiseerde compressor waarin alle ontstekingsbronnen waren ingekapseld. Ze hebben veel zorg besteed aan het aansluiten van de afzonderlijke componenten van de pomp om te voorkomen dat het propaan ontsnapt. "We zijn momenteel bezig met het aanpassen van het technisch ontwerp van de warmtepomp, testen het gedrag van de componenten op lange termijn en ontwikkelen duurzame veiligheidsstrategieën", zegt Schnabel.
Onderzoeksnieuws september 2018 - Propaan warmtepompen
Fraunhofer Institute for ISE Solar Energy Systems
Bron: www.fraunhofer.de
