Met de F-gassenverordening stuurt de overheid aan op de overstap naar koudemiddelen met een laag GWP. De toepassing van deze koudemiddelen vraagt om andere kennis dan als met traditionele F-gassen wordt gewerkt. Om installateurs, ontwerpers en andere professionals hier inzicht in te geven, publiceert de knvvk&youngcool een serie artikelen die vooral ingaan op natuurlijke koudemiddelen. In dit derde artikel komt ammoniak aan de orde. Geschreven door Ir. R van Gerwen, vanuit de Kenniskring

Ammoniak is een van de oudste koudemiddelen, populair vanaf de uitvinding van mechanische koeling en sindsdien nooit meer weggeweest. Koeltechnisch superieur en energie-efficiënt in bijna alle toepassingen. Dus waarom een overzichtsartikel over ammoniak? Na anderhalve eeuw weten we alles toch al wel? Ja, we weten heel veel, maar de inzichten veranderen, het koudemiddellandschap verandert voortdurend, en de technologie ontwikkelt zich snel. Dat geeft kansen voor innovatie en uitbreiding van marktpositie.

Andere realiteit
De afgelopen 60 jaar zijn we gewend geraakt aan en verwend met een breed scala aan niet-brandbare en niet-toxische koudemiddelen in veiligheidsklasse A1 (de bekende CFK’s, HCFK’s en HFK’s). Maar die luxe situatie is nu voorbij, vanwege de negatieve milieueffecten. We komen in een andere realiteit, met alleen maar brandbare koudemiddelen, met uitzondering van het niet-brandbare CO₂. In het eerste artikel in deze serie, over CO₂, bleek al dat CO₂ heel aantrekkelijk is, maar lang niet voor alle toepassingen. De brandbare koudemiddelen, met uitzondering van ammoniak, zijn in het tweede artikel uitgebreid aan de orde gekomen. En nu gaan we in dit derde artikel dus in op ammoniak.

Veiligheidsketen als uitdaging
Ammoniak is een ideaal koudemiddel voor heel veel toepassingen, maar heeft helaas wel een negatieve eigenschap waarmee we hebben leren leven. En dat lukt prima: wereldwijd wordt ammoniak als koudemiddel op grote – en steeds grotere – schaal toegepast, waarbij in de dagelijkse praktijk over meer dan honderd jaren is bewezen dat de veiligheidsrisico’s vergelijkbaar zijn met andere in ons leven geaccepteerde risico’s. Wereldwijd is ervaring opgebouwd met hoe we veilig met ammoniak om moeten gaan. De kennis en kunde is er, maar die moeten we dan wel goed inzetten. En daar zit de belangrijkste uitdaging: hoe zorgen we dat de hele veiligheidsketen op orde is en blijft?

Opgeleid en gecertificeerd
Voldoende goed opgeleide en gecertificeerde personen en bedrijven voorkomen dat Beun de Haas onverantwoord met ammoniak aan de gang gaat, zorgen voor veilige ontwerpen, borgen dat een installatie goed en veilig wordt gebouwd, in bedrijf gesteld, onderhouden en bediend, en borgen veilige installatiewijzigingen en uitbedrijfstelling. En als er iets onverhoopt dreigt mis te gaan, hoe zorgen we er dan voor dat de negatieve gevolgen zo beperkt mogelijk blijven? Al deze zaken komen in dit artikel aan de orde.

Toepassingen van ammoniak
Veiligheid gaat voor alles, maar we beginnen met de toepassingen. Daar liggen interessante mogelijkheden en kansen voor innovatie. Ammoniak heeft een ijzersterke positie in de industriële koeling, voornamelijk bij (grootschalige) productieprocessen en opslag in de voedingsmiddelenindustrie. Zo had bijvoorbeeld Unilever wereldwijd meer dan honderd grote centrale ammoniakkoelinstallaties met een gemiddelde koudemiddelvulling rond de 25.000 kg, voor de productie en opslag van consumptie-ijs, margarine, diepvriesgroente en dergelijke. Voor die toepassingen zijn geen alternatieve koudemiddelen beschikbaar met vergelijkbaar gunstige koeltechnische, energetische, milieu- en commerciële eigenschappen. Ammoniak heeft een ijzersterke positie in de industriële koeling

Combinatie met CO₂
Om de veiligheidsrisico’s te verlagen, is het een trend om de koudemiddelinhoud te verminderen door de combinatie met CO₂ als koudemiddel voor de lage temperatuurtrap in een cascadekoelsysteem. Daarmee kan ook worden bereikt dat ammoniak alleen in een machinekamer of opstellingsruimte aanwezig is, en niet door het hele bedrijf circuleert. In het eerste artikel in deze serie zijn deze CO₂-cascadesystemen uitgebreid behandeld. Datzelfde geldt voor CO₂ als verdampende/condenserende koudedrager in secundaire (indirecte) systemen.

Minimalisatie van de ammoniakinhoud
Een andere wereldwijde trend is vreemd genoeg in Nederland nog niet echt opgepakt. Die trend heeft betrekking op het extreem minimaliseren van de ammoniakinhoud. Onder optimale condities kan met 20 gram ammoniak per kW koelvermogen worden volstaan. Daarmee snijdt het mes aan drie kanten: de veiligheidsrisico’s nemen aanzienlijk af bij kleinere ammoniakhoeveelheden, de kosten voor veiligheidsvoorzieningen nemen daarmee af, en ammoniak wordt toepasbaar op plaatsen waar dat om veiligheids- en capaciteitsredenen niet mogelijk was (kantoren, supermarkten, winkelcentra).

Ontwikkeling van kleine systemen
Deze koudemiddelreductie wordt met name bereikt met compacte warmtewisselaars, directe expansie in plaats van pompcirculatie, en slimme compacte afscheiders. De trend gaat gelijk op met de ontwikkeling en toepassing van kleine systemen, vanaf circa 20 kW koelvermogen. Onderstaand figuur komt uit de World Guide to Low Charge Ammonia (2019) van shecco. Dit document geeft een uitgebreid en actueel overzicht van technologie, toepassingsmogelijkheden, markt en economie.

Extreme koudemiddelreductie
Figuur 1 geeft aan dat bij een kleinere ammoniakinhoud het veiligheidsrisico sterk afneemt, maar dat bij een (te) grote reductie (onder de 100 gram per kW) de prestaties kunnen afnemen en het systeem zelfs instabiel kan worden. Dat laatste is erg systeem- en toepassingsafhankelijk. Nederland loopt achter op het gebied van compacte en kleine ammoniaksystemen, dus hier liggen kansen voor het grijpen. Maar voorzichtigheid bij extreme koudemiddelreductie is wel geboden.

Koudwateraggregaten
Een aantrekkelijke innovatie is de ontwikkeling van standaardchillers, ofwel ‘koudwateraggregaten’. Deze ‘packaged’ of ‘skid’ units worden volledig voorgeassembleerd in een frame of behuizing. Op deze manier kan ook worden bereikt dat de ammoniakinhoud beperkt is. De energetische efficiency is in het algemeen veel beter dan bij vergelijkbare units met gehalogeneerde koudemiddelen (HFK, HFO). We zitten daarbij nog midden in een ontwikkelings- en optimalisatiefase (zowel technisch als commercieel). Vanaf een paar honderd kW tot meerdere MW koelcapaciteit zijn deze als standaardunits verkrijgbaar bij diverse leveranciers.

Hogetemperatuurwarmtepompen
Een trend die zeker gaat doorzetten, is de toepassing van ammoniak in hogetemperatuurwarmtepompen. Met zorgvuldig ontwerpen kan water van 60 tot 90 ⁰C worden gemaakt, met een COPh van boven de 3, oplopend tot 12 (nuttig verwarmingsvermogen gedeeld door elektrisch aandrijfvermogen), afhankelijk van het type warmtebron, de systeemuitvoering en toepassingscondities. Een bijzonder aantrekkelijke optie is de combinatie van warmtepomp en koelinstallatie (add-on condensorwarmtepomp). Hierbij wordt de condensorwarmte gebruikt als bron voor een extra warmtepomptrap ‘bovenop’ de koelinstallatie. Daarmee is een COPh van 6 tot 8 haalbaar, en met het optimaliseren van de persdruk van de koelinstallatie is de gezamenlijke COP nog te maximaliseren.

Klassieke ammoniakabsorptie
‘Klassieke’ absorptiekoeling met ammoniak als koudemiddel en water als absorbens is een van de oudste manieren om te koelen, hij stamt uit een tijd dat betrouwbare mechanische compressoren nog niet beschikbaar waren. Simpel gezegd is dit een gewone standaardkoelkringloop waarbij de mechanische compressor is vervangen door een ‘thermische compressor’. In deze ‘thermische compressor’ wordt de partiële dampdruk van ammoniak verhoogd via het uitdampen van ammoniak uit een absorberende vloeistof, in dit geval water, onder toevoer van warmte.

Aandrijving met warmte
Vervolgens wordt na condenseren, expanderen en verdampen de ammoniakdamp onder lage druk geabsorbeerd in het water, dat circuleert in een tweede kringloop. Aandrijving gebeurt dus met warmte in plaats van elektriciteit. Dat geeft tal van extra toepassingsmogelijkheden, vooral aandrijving met beschikbare restwarmte, en toepassingen waarbij laag geluidsniveau van belang is (zoals de welbekende koelkast in hotelkamers). In het volgende en laatste artikel in deze serie komt deze techniek nog uitgebreid aan de orde, naast andere ‘exotische’ NIK-technieken (Not-In-Kind).