Koolwaterstoffen als natuurlijk koudemiddel: waar staan we en wat brengt de toekomst?

14 juli 2020

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 een serie artikelen die vooral ingaan op natuurlijke koudemiddelen. In dit artikel komen koolwaterstoffen aan de orde.

Tekst: ir. René van Gerwen

Koolwaterstoffen zijn al vanaf de uitvinding van mechanische koeling populaire koudemiddelen. Voor het merendeel van de toepassingen zijn ze koeltechnisch superieur en energie-efficiënt. Maar ze zijn ook brandbaar.

Brandbaarheid is gemeengoed
De afgelopen 60 jaar zijn we 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 worden nu uitgefaseerd vanwege de negatieve milieueffecten. We komen in een andere realiteit met alleen maar brandbare koudemiddelen, met uitzondering van het niet-brandbare CO₂.
Brandbaarheid is altijd al gemeengoed in onze dagelijkse omgeving: we koken, verwarmen en rijden probleemloos op brandbare gassen, ook al zijn er goede elektrische alternatieven beschikbaar. We moeten als sector ons dus zo snel mogelijk aanpassen aan de nieuwe werkelijkheid met voornamelijk brandbare koudemiddelen. Met deze noodzakelijke acceptatie van brandbaarheid is de brede erkenning van koolwaterstoffen als behorend bij de belangrijkste duurzame koudemiddelen voor de toekomst een feit. In dit overzichtsartikel komen de huidige stand en de toekomstverwachtingen aan bod.

Met de term ‘licht brandbaar’ wordt vaak gesuggereerd dat het risico op brand klein is. Met ‘licht ontvlambaar’ wordt meestal bedoeld dat de stof erg makkelijk ontvlambaar is bij lage concentraties.

Gebruik van verschillende termen
Er is veel discussie over de classificatie en terminologie rond de brandbaarheid van koudemiddelen. In 2015 is in onze sector de extra brandbaarheidsklasse 2L ingevoerd, met benamingen als ‘mild’, ‘matig’ of ‘licht’ brandbaar. Daarmee wordt gesuggereerd dat het in deze klasse met de brandbaarheidsrisico’s wel meevalt. Ook worden termen als ‘brandbaar’, ‘ontvlambaar’ en ‘explosief’ in normen, richtlijnen en koudemiddelbrochures door elkaar gebruikt. Dit alles schept veel verwarring. Als aansprekend voorbeeld van die verwarring wordt met de term ‘licht brandbaar’ vaak gesuggereerd dat het risico op brand klein is, maar met ‘licht ontvlambaar’ wordt meestal bedoeld dat de stof juist erg makkelijk ontvlambaar is bij lage concentraties.

Onderste en bovenste explosie- of brandbaarheidsgrenzen
Incorrecte vertalingen van oorspronkelijk Engelse termen maken het er ook niet duidelijker op. Om het brandbaarheidsrisico te kwantificeren wordt in onze sector gebruikgemaakt van termen als onderste en bovenste explosie- of brandbaarheidsgrenzen, die soms in volumeprocenten, maar ook wel in ppm of in kg per kubieke meter lucht worden uitgedrukt. Dat bemoeilijkt de correcte vergelijking tussen koudemiddelen. Ook speelt de verbrandingswarmte een rol bij de classificatie. En met de komst van de 2L-klasse is in aanvulling daarop het begrip vlam- of brandvoortplantingssnelheid (in m/s) geïntroduceerd, als extra risicoparameter bij de classificatie. Deze classificatie wordt verderop in dit artikel in detail uitgelegd.

Risicoscenario en parameters
Met de vlamvoorplantingssnelheid kunnen de HFO’s en R32 zich positief onderscheiden (A2L) van andere brandbare koudemiddelen (A3), met name de koolwaterstoffen. Maar het is van belang om te realiseren dat het van het risicoscenario afhangt welke parameters dominant zijn: hoe snel breidt een beginnend brandje zich uit, wanneer treedt er een explosie met verwoestende overdruk op, of waar komt een ontstekingsbron en een brandbare concentratie op dezelfde plek en tijdstip samen?

Verwarring over ‘brandbaarheid’
Waarom is er zo veel verwarring over zo’n belangrijk onderwerp als brandbaarheid? Die verwarring heeft met name zijn oorsprong bij de Amerikaanse koeltechnische sectorvereniging ASHRAE, waar de merendeels Amerikaanse koudemiddelfabrikanten hun expertise en belangen bundelen. Daar worden ook de R-nummers voor koudemiddelen en koudmiddelmengsels uitgegeven, vastgelegd in ANSI/ASHRAE Standard 34, inclusief de brandbaarheidsklassen. Vervolgens wordt dit overgenomen in de internationale norm ISO 817 Refrigerants – Designation and safety classification, met voornamelijk Amerikaanse en Japanse bedrijven in de normcommissies. Deze ISO 817 vormt weer de basis voor de koudemiddelclassificatie in de Europese norm EN 378 en de Europese F-gassenverordening nr. 517/2014, en de Nederlandse NPR. Vanuit Nederland hebben we hier dus helaas vrijwel geen invloed op.

Simpele aanpak als praktisch alternatief
Maar het kan ook anders en simpeler. De koeltechnische sector wijkt namelijk af van andere veiligheidsclassificaties, zoals CLP, ADR en PED. Daar wordt een simpele indeling gebruikt met twee klassen: niet brandbaar en brandbaar (zie kader). Wat is de moraal van dit complexe verhaal over brandbaarheid? Pas op met het gebruik van termen, klassen en cijfers met betrekking tot brandbaarheid van koudemiddelen, en verdiep je in de details alvorens tot stellige uitspraken te komen. Hanteer als praktisch alternatief daarvoor de simpele aanpak waarbij het brandbaarheidsrisico van álle koudemiddelen serieus aandacht vereist bij ontwerp, bouw, bedrijfsvoering, onderhoud en afbraak, tenzij ze niet brandbaar zijn (de ‘oude’ HFK’s en CO₂, volgens klasse 1). Het maakt daarbij niet uit of het gaat om brandbaarheidsklasse 2L, 2 of 3 (dit betreft dus R32, HFO’s, koolwaterstoffen, brandbare mengsels en ammoniak). De graduele verschillen in brandbaarheid tussen koudemiddelen is daarbij niet belangrijk. Zo simpel kan het zijn.

Nederlandse richtlijnen
In Nederland bestaat al heel lang behoefte aan een specifiek Nederlandse richtlijn voor brandbare koudemiddelen, in het bijzonder koolwaterstoffen. Al in 1992 heeft de (destijds nog niet Koninklijke) NVvK het Platform Natuurlijke Koudemiddelen opgericht, met als een van de wapenfeiten de eerste versie van de NPR 7600:2001 waarin details over het werken met koolwaterstoffen zijn vastgelegd. Begin 2020 is een sterk herziene derde versie gepubliceerd. Ten opzichte van de 2013-versie is het toepassingsgebied nu uitgebreid tot alle brandbare koudemiddelen, dus inclusief R32 en de HFO’s. In aanvulling op deze NPR heet de KNVvK vier Werkvoorschriften opgesteld (zie kader hieronder).

Bedrijfs- en persoonscertificering
Wat betreft bedrijfs- en persoonscertificering is er weinig verschil tussen het werken met niet-brandbare of brandbare koudemiddelen. Het verschil zit hem in de specifieke kennis over en ervaring met het werken met brandbare stoffen, en de benodigde gereedschappen en beschermingsmiddelen daarvoor. Voor natuurlijke koudemiddelen, waaronder koolwaterstoffen, vereist de milieuwetgeving (het Activiteitenbesluit, binnenkort het Besluit Activiteiten Leefomgeving-Bal) specifieke competenties voor ontwerpen, installeren, onderhouden, bediening, en certificering van zowel personen als bedrijven. Dit wordt door de sector zelf geregeld in de recent opgerichte Stichting Netwerk Koude en Klimaat (NKK).

Certificering en het ACB van ACK
In de NKK zijn alle betrokken partijen vertegenwoordigd en is het na 30 jaar eindelijk gelukt om een breed gedragen certificeringsbouwwerk op te zetten. Om het voor de praktijk zo eenvoudig mogelijk te houden, is het de bedoeling dat deze certificering nauw aansluit bij de methodiek van bestaande F-gassencertificering. Dit is een doorontwikkeling van de bekende ACK-opleiding en -certificering (Ammoniak, CO₂ en Koolwaterstoffen). Onlangs is besloten om deze ACK uit ter breiden tot alle brandbare koudemiddelen. Daarmee verandert de naam ACK in ACB (Ammoniak, CO₂ en Brandbare koudemiddelen). Voortaan praten we dus over het ‘ACB van de Nederlandse koudetechniek’.
Los van dit ACB geldt voor de keuring en certificering van de installatie (Warenwetbesluit Drukapparatuur, PED, CE markering) dat het leidingwerk over het algemeen voor alle koudemiddelen in artikel 4.3 of in cat 1 valt. Alle brandbare koudemiddelen vallen voor de PED in stofgroep 1 (gevaarlijke stoffen), waardoor installatiedelen in zwaardere keuringsregimes kunnen vallen dan het geval is met niet-brandbare, niet toxische A1-koudemiddelen.

De magische 150gram-grens
Om bij klein te beginnen: lang geleden is bedacht dat een apparaat met een hermetisch gesloten koelcircuit met minder dan 150 gram brandbaar koudemiddel veilig is te gebruiken op iedere locatie. Wat de onderbouwing daarvoor was, is niet goed meer te achterhalen. De jarenlange realiteit, met wereldwijd miljarden koelkasten, ijsvitrines en dergelijke, toont aan dat deze benadering veilig en verantwoord is. Hiermee worden echter wel innovaties geblokkeerd, want je kunt de veiligheid verhogen met speciale maatregelen, waardoor grotere hoeveelheden ook veilig kunnen worden toegepast.

Verhoogd tot 500 gram
Na jaren voorbereidend werk is deze limiet recent voor verkoopmeubelen onder bepaalde voorwaarden opgehoogd tot 500 gram. Dat is nu vastgelegd in de elektrotechnische productnorm IEC 60335-2-89 voor verkoopmeubelen. Een vergelijkbare verruiming voor airconditioners, warmtepompen en luchtdrogers is in voorbereiding. In de NPR 7600:2020 is als ondergrens van het toepassingsgebied de grens van 150 gram opgenomen, inclusief toekomstige verruimingen.

Norm over veiligheids- en milieueisen
Boven deze grens van 150 gram komt EN 378 in beeld. NEN EN 378:2016 Koelinstallaties en warmtepompen – Veiligheids- en milieueisen – is de centrale Europese (horizontale) norm die in vier delen de hele levenscyclus van koelinstallaties en warmtepompen betreft, vanaf het ontwerpen, via bouwen, installeren, bedrijven, onderhouden en repareren, tot en met de ontmanteling en afvoer. Aan deze norm wordt vanaf 1987 in de commissie CEN/TC-182 gewerkt door een groot team van deskundigen uit heel Europa, vanuit de breed gedragen behoefte aan een eenduidige Europese norm in ons vakgebied.

Nederlandse versie van EN 378
Nederland heeft hier veel inbreng in gehad, vanwege de destijds vooruitstrevende Nederlandse wet- en regelgeving sinds 1990 (CFK Actieprogramma, Regeling Lekdichtheid Koelinstallaties, STEK), die de voorloper is van de huidige Europese F-gassenverordening. Gerelateerd aan NEN-EN 378 bestaat er een grote familie aan detailnormen voor tal van aspecten en componenten (compressoren, leidingen, appendages, veiligheidsvoorzieningen, lekdichtheid, competentie, enzovoort). Deze kunnen worden beschouwd als onderdeel van NBN-EN 378. In Nederland is door NEN een Nederlandse versie van EN 378:2016 gemaakt.

Werkgroep over brandbare koudemiddelen
CEN/TC-182 heeft meer dan twaalf expertwerkgroepen. Vermeldenswaardig is Werkgroep WG 12 ‘Flammable Refrigerants Standardization Request M/555’. Deze WG 12 is in 2018 opgericht, naar aanleiding van mandaat M555 (opdracht van de Europese Commissie aan CEN om in normen belemmeringen weg te nemen voor brandbare koudemiddelen, in het bijzonder van klasse A3). Eind 2020 zal deze WG 12 twee Technische Specificatie-normen (TS) publiceren, voor de installatie en voor het gebruik van koelinstallaties en warmtepompen met brandbare koudemiddelen, alsmede een Technical Report (TR) met achtergronden en richtlijnen, aanvullend op EN 378. Hiermee komt er meer lijn in Europa met betrekking tot het werken met brandbare koudemiddelen, in het bijzonder koolwaterstoffen.

Toepassing van veiligheidsvoorzieningen
NPR7600:2020 geeft veel details over de toepassing van veiligheidsvoorzieningen (detectie, alarmering, (nood)ventilatie, inblokken, noodstop, elimineren van ontstekingsbronnen), afhankelijk van de installatie-, opstellings- en gebruiksdetails. Het voert te ver om in dit artikel op de details in te gaan. In veel gevallen moet met een risicobeoordeling onderbouwd worden welke veiligheidsvoorzieningen in een specifieke situatie benodigd zijn.

Nieuwe norm voor detectie
Met betrekking tot detectie was de inkt van deze NPR nog niet droog of er kwam al een nieuwe norm voor detectie van alle soorten koudemiddelen, die nog niet in de NPR is opgenomen. Deze NEN-EN 14624:2020 – Prestaties van mobiele lekdetectoren en van stationaire gasdetectoren voor alle koudemiddelen – is nu leidend in onze sector. Geadviseerd wordt om in zee te gaan met betrouwbare leveranciers van detectoren die bekend zijn met onze sector en deze nieuwe norm kennen en toepassen.

De kwaliteit van soldeerverbindingen
Er is veel aandacht voor de kwaliteit van soldeerverbindingen. Ten onrechte wordt dat vaak in verband gebracht met het gebruik van koolwaterstoffen, maar het belang hiervan is even groot voor alle soorten koudemiddelen, zoals we al weten uit de begintijd van RLK en STEK. Wel is het zo dat bij de toepassing van brandbare koudemiddelen eerder een hogere PED-keuringscategorie van toepassing is, met zwaardere eisen aan de soldeerkwaliteit.

Het belang van lekdichtheid
Hoe dan ook is het maken van een goede hardsoldeerverbinding vakwerk, vergelijkbaar met het leggen van een goede las. Daarom is het vreemd dat sommige installateurs proberen de noodzaak voor een gecertificeerde (gekwalificeerde) hardsoldeerder te omzeilen. Professor van der Ree benadrukt terecht het belang van lekdichtheid voor alle koudemiddelen, dus waarom niet gewoon eisen dat een hardsoldeerder altijd gecertificeerd of gekwalificeerd is, net als bij lassers? Het KNVvK Werkvoorschrift (zie kader hierboven) geeft meer details.

Wat betreft bedrijfs- en persoonscertificering is er weinig verschil tussen het werken met niet-brandbare of met brandbare koudemiddelen.

Inpandige opstelling
Soms wordt beweerd dat alle toepassingen met brandbare koudemiddelen (boven 150 gram) buiten moeten worden opgesteld. Dat is te simpel gedacht. Ons gasfornuis of onze verwarmingsketel staat immers ook niet buiten op het balkon. Het is zeker mogelijk om installaties met brandbare koudemiddelen inpandig op te stellen, maar er zijn dan meestal wel wat veiligheidsmaatregelen nodig, gebaseerd op een specifieke risicobeoordeling. NPR 7600 en het KNVvK Werkvoorschrift voor Inpandige toepassing van koolwaterstoffen als koudemiddel geven de richting aan. De fabrikant, leverancier of installateur is verantwoordelijk voor de veiligheid van het product, inclusief de voorschriften voor de opstellingslocatie. En hij kan dit aantonen met deze risicobeoordeling.

Risicobeoordeling, ATEX en zonering
We hebben door schade en schande geleerd om in onze wereld met risico’s om te gaan. ‘Zero risk’ is onmogelijk, maar ongeleid avonturieren is ook niet de bedoeling. De weg daartussen bestaat uit een gestructureerde risicobeoordeling. Maar er is veel verwarring en onduidelijkheid over de terminologie en het bepalen van en rekenen aan risico’s. Het begint bij het begrip ‘risico’ dat wijst op het negatieve effect of gevolg van een gebeurtenis, vermenigvuldigd met de kans daarop. Wat versimplificeerd: een ongeluk met een professionele grootschalige vuurwerkopslag kan gigantische negatieve effecten hebben (tot tientallen doden), maar de kans daarop is relatief klein. Het gevolg van een auto-ongeluk blijft doorgaans beperkt tot een paar slachtoffers, maar de kans is relatief groot. Per saldo is het risico van autoverkeer dus veel groter dan dat van een vuurwerkopslag.

Vier stappen van systematische risicobeoordeling
Een systematische risicobeoordeling valt uiteen in de volgende stappen:
1. Risico-inventarisatie: opsomming van verschillende risico’s, bepalen wat de aard van de risico’s is en uit welke elementen de risico’s bestaan (scenario’s).
2. Risicoanalyse: wat zijn de gevolgen/effecten van ieder risico, en wat zijn de kansen. Dat kan worden ingeschat op een simpele manier, in een tabel met oplopende gevolgen (van verwaarloosbaar tot catastrofaal) en kansen (van klein tot groot), met als uitkomst de mate van risico (van verwaarloosbaar tot heel groot). Ook kunnen ingewikkelde QRA’s worden uitgevoerd (Quantitative Risk Analysis), zoals bij grote ammoniakkoelinstallaties.
3. Risico-evaluatie: criteria moeten worden vastgesteld om te bepalen wat acceptabele en onacceptabele risico’s zijn. Bij risico’s op overlijden van een omwonende door een calamiteit bij (industriële) activiteit wordt vaak een jaarlijkse risico van een op de miljoen als acceptabel gezien.
4. Als er onacceptabele risico’s zijn, worden veiligheidsmaatregelen toegepast waardoor het risico van de gebeurtenis afneemt. Dat gaat net zolang door tot uit de analyse en evaluatie volgt dat alle risico’s acceptabel zijn.

Specifieke veiligheidsvoorzieningen
Met een dergelijke risicobeoordeling kan door de fabrikant of leverancier worden onderbouwd dat zijn product veilig is voor het beoogde gebruik. Als op deze manier wordt gewerkt, zijn de koudemiddellimieten in de NPR of een norm niet meer leidend. Als er sprake is van brandbare of explosieve stoffen, kunnen Europese richtlijnen van toepassing zijn die bekendstaan onder de naam ATEX. ATEX verlangt ook een risicobeoordeling als hierboven omschreven, maar kent daarnaast het begrip zonering, wat inhoudt dat specifieke veiligheidsvoorzieningen nodig zijn afhankelijk van de gevarenklasse van een zone (ruimte of volume rondom een apparaat). De KNVvK Werkvoorschriften geven ook hier meer details over.

Voor welke toepassing?
Kort door de bocht komt het erop neer dat propaan (R290) het meest wordt toegepast en geschikt is voor koelen, vriezen, airconditioning en warmtepompen. Om historische redenen wordt isobutaan (R600a) standaard gebruikt in huishoudelijke koel- en vrieskasten, oorspronkelijk ter vervanging van R12 en R134a. Propeen (R1270, propyleen) wordt soms gebruikt in commerciële en industriële toepassingen, met name bij vriezen, waarbij soms een kleine efficiencywinst kan worden geboekt. Propeen heeft een zoete olieachtige geur, wat bij lekindicatie een voordeel kan zijn. Butaan (R600) wordt soms gebruikt voor industriële warmtepompen. Incidenteel worden ethaan (R170) en pentaan (R601) gebruikt. En dan zijn er nog tal van mengsels van koolwaterstoffen die zelden worden toegepast. Bekend is Propæne of Propane (R433A), een mengsel van propaan en propeen, met eigenschappen die sterk lijken op R22 en met een doordringende geur.

Koolwaterstoffen en energiegebruik
Er is veel informatie over energiegebruik bij verschillende koudemiddelen. Er is een relatie tussen de koudemiddelkeuze en het energiegebruik, maar die relatie is betrekkelijk: met de verkeerde koudemiddelkeuze kan nooit een efficiënte installatie worden gebouwd, maar met het juiste koudemiddel kan nog steeds een heel inefficiënte installatie worden neergezet. Het ruime aanbod aan koolwaterstoffen biedt voor iedere toepassing wel een geschikte optie en bij de juiste keuze van een koolwaterstof is het energiegebruik gelijk aan, of beter, dan bij een optimale F-gassenkeuze. Zo was bij het project van Unilever om R134a en R404A te vervangen door propaan en isobutaan in verkoopmeubelen voor consumptie-ijs het energiegebruik gemiddeld 10 procent lager. Maar ook geldt de ijzeren wet dat met 10 procent meer investeringsgeld in een installatie het energiegebruik 10 procent kan worden verlaagd, ongeacht de koudemiddelkeuze.

Mogelijkheden voor Energie InvesteringsAftrek
Momenteel zijn er mogelijkheden voor Energie InvesteringsAftrek (EIA) bij energiezuinige koelinstallaties en warmtepompen met halogeenvrije koudemiddelen (geen F-gassen). Informatie is te vinden op de website van RVO. Ook zijn er subsidieregelingen voor innovatieve technologieontwikkeling met natuurlijke koudemiddelen (Nederlands en Europees). Een voorbeeld is het project ‘Refrigerants Naturally 4 Life’, met deelfinanciering uit het Europese LIFE-programma. Dit project richt zich op de toepassing van natuurlijke koudemiddelen in kleine winkels (tot 1.000 m2), met name in de ‘Organic Food Retail’, met de KNVvK en STEK als Nederlandse partners.

Duurzaam en toekomstbestendig
Nu de vanzelfsprekendheid van toepassing van brandbare koudemiddelen een feit is, staat niets een stralende toekomst voor koolwaterstoffen in de weg. Er is geen enkele reden om bij de planning van nieuwe installaties koolwaterstoffen niet te overwegen. Alleen in uitzonderlijke situaties kan het voorkomen dat de veiligheidsaspecten dit niet toelaten of te duur maken. Met koolwaterstoffen is de installatie duurzaam en toekomstbestendig. Het is daarbij van belang om te realiseren dat de koudemiddelkeuze voor een nieuwe installatie bepalend is voor de komende tien tot twintig jaar. Het later wijzigen van het soort koudemiddel in een bestaande installatie leidt zelden tot een bevredigende situatie en blijft in de praktijk behelpen. ‘Je kunt het maar één keer goed doen’, is het devies. Ook in Nederland neemt het aanbod aan innovatieve koolwaterstoftoepassingen gigantisch toe, zoals geïllustreerd in de praktijkvoorbeelden in het artikel hierna.