artikel

Koudemiddel voor airco’s: CO2 of R1234yf?

Techniek 3140

Sinds 2011 mag een nieuw aircosysteem niet meer zijn afgevuld met R134a. De vervanger is R1234yf. Vooral Duitse fabrikanten waren daar destijds niet blij mee. Mercedes en VW gaven de voorkeur aan CO2. De hele range zou daar op termijn mee worden afgevuld. Maar wordt de soep zo koud gegeten als ze wordt opgediend?

Een airconditioning is – net als een koelkast – eigenlijk een warmtepomp. Het systeem maakt gebruik van het feit dat gassen opwarmen als je ze comprimeert. Dat gebeurt in de compressor of aircopomp. Hete gassen kun je gemakkelijk afkoelen in een radiateur. Dan heb je warmte-energie naar de buitenlucht afgevoerd.

Airco is warmtepomp

Een airco is in feite een warmtepomp: je comprimeert een gas. Dat warmt daardoor op. Je laat het afkoelen en expandeert het weer. Dan koelt het af en kun je er lucht mee afkoelen.

Die warmte-energie komt het gas tekort als je het daarna in een grotere ruimte laat stromen. De druk wordt dan lager, waardoor de temperatuur weer daalt. Dat gebeurt in de verdamper, een radiateur die in de auto is geplaatst. Doordat het geëxpandeerde gas kouder is dan de buitenlucht, kan het warmte opnemen uit de lucht, die door de condensor de auto in stroomt.

Kookpunt

De werking van een airconditioning verbetert als je een gas gebruikt waarvan het kookpunt zo laag ligt, dat het gecomprimeerde gas bij het afkoelen in de radiateur of “condensor” tot een vloeistof condenseert. Als een gas tot een vloeistof condenseert, komt er namelijk enorm veel warmte-energie vrij. Veel meer dan wanneer het gas normaal zou afkoelen. En aangezien er evenveel energie nodig is om de vloeistof later weer te verdampen tot een gas, koelt dat gas bij het verdampen veel verder af. De radiateur in het interieur van de auto, de verdamper, wordt daardoor veel kouder.

Aircopomp Delphi

In een aircopomp wordt het koudemiddel onder druk gebracht. R134a condenseert bij 25° bij 6,6 bar R1234yf heeft bij 21° Celsius 6,1 bar nodig. Dat geeft geen fundamentele verschillen in de uitvoering van een aircosysteem.

Daarom werkt een airco met een koudemiddel dat rond het condenseerpunt of kookpunt schommelt veel effectiever. Nu heeft elk gas zijn eigen kook- en condensatietemperatuur, die weer afhankelijk zijn van de druk. Door het juiste koudemiddel te kiezen, kun je er dus voor zorgen dat het gas in de koeler na de pomp – de condensor – condenseert en dat er veel warmte afgevoerd kan worden. Gewone lucht is daarvoor niet geschikt. Dat bestaat voornamelijk uit di-stikstof. Dat condenseert pas bij 632 bar.

GWP

In de loop der jaren zijn er diverse koudemiddelen toegepast, zoals ammoniak, zwaveldioxide of methylchloride. Nu zijn dat op zijn zachtst gezegd onprettige stoffen om mee in aanraking te komen, vandaar dat die al snel werden verboden en vervangen door alternatieven, zoals freon. Nu is freon eigenlijk niet echt een stof, het is meer een verzamelnaam voor diverse chloor-fluor-koolstofverbindingen. Meestal wordt er dichloride-fluoromethaan (CCL2F2) mee bedoeld, ook bekend als R12.

Het voordeel van R12 is dat het niet brandbaar en niet giftig is. Helaas bleek dat dit koudemiddel desastreuze gevolgen voor de ozonlaag had, wanneer het in het milieu terecht kwam. De ozonlaag is een laag in de stratosfeer, tussen 15 en 30 km hoogte, die schadelijke straling van de zon tegenhoudt en voorkomt dat de aarde opwarmt. Deze ozonlaag blijkt voor sommige stoffen gevoeliger dan voor andere.

Dat werd in kaart gebracht met een schaalverdeling, beter bekend als het “Global Warming Potential” of GWP van een gas. Dit is een relatieve maat, die het aardopwarmingsvermogen van een gas aangeeft in vergelijking met dat van koolstofdioxide (CO2). Het GWP van CO2 is op 1 gesteld. Daarmee vergeleken heeft R12 een GWP van 2400, het is voor de ozonlaag dus 2400 maal zo agressief als CO2.

Montreal Protocol

Tijdens een conferentie in Montreal werd in 1987 besloten dat bepaalde stoffen vanwege hun GWP niet meer toegepast mochten worden. R12 is een van de middelen die net als andere CFK’s meteen al op de zwarte lijst kwamen. Voor koelkasten werden alkanen zoals propaan populair, net als waterstof-fluor-koolstofverbindingen als “Suva R134a”. R134a werd de standaard voor airconditioningsystemen in auto’s. Het GWP daarvan is 1300 en dat is nog steeds te hoog. Vandaar dat de Europese commissie in 2011 besloot dat het niet meer gebruikt mocht worden in nieuw ontwikkelde auto’s.

Tetrafluoro-propeen R1234yf

R1234yf is de codenaam voor 2,3,3,3 tetrafluoro-propeen. Het “global warming potentieel” van R1234yf is 4, 335 maal zo laag als dat van R134a.

Voortaan mogen koudemiddelen een GWP van maximaal 150 hebben, willen ze gehomologeerd kunnen worden. Daarmee is R1234yf eigenlijk de enige goedwerkende, betaalbare kandidaat. R1234yf is de codenaam voor 2,3,3,3 tetrafluoro-propeen. Het “global warming potentieel” van R1234yf is 4, 335 maal zo laag als dat van R134a. Vanwege een gebrek aan productiecapaciteit werd het gebruik van R134a in nieuwe auto’s echter nog toegestaan tot 1 januari 2013. Sinds 2017 mag het in geen enkele nieuw verkochte auto meer voorkomen.

Brand

Je zou zeggen dat R1234yf de ideale vervanger voor R134a is, maar een aantal autofabrikanten was het daar niet mee eens en weigerde het spul te gebruiken. R1234yf ontbrandt spontaan bij een temperatuur van 405° Celsius, Die temperatuur komt onder de motorkap voor en dat betekent dat er bij een lekkage gemakkelijk brand kan ontstaan. Zonder lekkage niet, want dan kan er geen zuurstof bij. R134a ontbrandt pas bij 770° en is dus veiliger. Dat was aanleiding tot de twist tussen de autofabrikanten en de Europese commissie.

De EC heeft onderzoeken laten doen door het Duitse Kraftfahrt Bundesamt en een analyse daarvan door haar eigen Joint Research Centre. En die concludeerde (natuurlijk) dat de EC gelijk had. Er werden bij langdurige volgasritten weliswaar hoge temperaturen gemeten, maar er trad geen brand op en men achtte de kans dat een ongeval ontstaat in combinatie met die extreem hoge temperaturen lager dan bij normaal gebruik, zodat er bij normaal of redelijk te verwachten gebruikscondities geen of weinig risico bestaat. In elk geval niet meer dan met andere stoffen als benzine en diesel, die je immers ook onder de motorkap gebruikt.

Onderdelen aircosysteem

De verschillende onderdelen van het aircosysteem.

Comprimeren

De twisten rond R1234yf zouden eenvoudig op te lossen zijn als er een alternatief gas zou zijn, dat niet brandbaar is en dat nog minder GWP heeft dan R1234yf. Dat zou CO2 kunnen zijn. In feite is dat verbrande koolstof. Wat al verbrand is kan niet meer branden. Het GWP is 1, dus dat is ideaal.

Helaas werkt het niet in conventionele airconditioningsystemen en dat heeft te maken met de verschillende warmte-eigenschappen, die deze gassen bij verschillende drukken en volumes hebben. Er is bij 25° slechts een druk van 6,6 bar nodig om R134a te condenseren.

Dat is een handelbare druk, die we onder de motorkap kunnen opwekken. R1234yf heeft bij 21° Celsius heeft het 6,1 bar nodig. Dat is geen onoverbrugbaar verschil, daarom kan R1234yf met lichte aanpassingen worden gebruikt in airconditioningsystemen, die voor R134a zijn ontwikkeld.

CO2

Vooral de Duitse industrie zette in op CO2 als koudemiddel van de toekomst. Maar dat kun je niet zomaar in een conventioneel aircosysteem gebruiken, want de eigenschappen van CO2 – of R744, zoals het als koudemiddel heet – zijn nogal verschillend.

Elektrische R744 Compressor

Hella-Behr levert de elektrisch aangedreven aircopompen voor R744, afkomstig van Sanden International.

CO2 heeft bij 14° Celsius 50 bar nodig om te condenseren. Dat is een veel hogere druk dan bij R134a en R1234yf en dat betekent dat er een andere aircopomp moet komen, die deze drukken kan opwekken. De leidingen en alle onderdelen van de airco moeten bestand zijn tegen deze drukken.

CO2 heeft als koudemiddel voor- en nadelen. Voordeel is dat er bij de hoge druk een hoge dichtheid heerst en dat er dus maar weinig koudemiddel verpompt hoeft te worden. Dat maakt de airco efficiënt. Nadeel is dat CO2 boven de 31° Celsius een “superkritische stof” wordt, die geen faseovergangen meer heeft. Dan werkt het in een airco minder goed, omdat het niet meer vloeibaar wordt en dus minder warmte-energie kan afvoeren.

Airco Maybach

De opvolger van deze Maybach uit 2002, de Mercedes-Maybach S-Klasse, beschikt sinds 2017 over een CO2-airco.

Mercedes Benz en VAG

Mercedes heeft het merendeel van de auto’s sinds 2017 toch uitgerust met een airco op basis van R1234yf. De S400 Coupé kreeg in 2017 wel een CO2-airco, later kregen ook alle modelvarianten van de S560 en de S400D een CO2-airco, terwijl dit systeem ook in de E-klasse leverbaar is als deel van het Thermotronic-systeem.

Het plan is om in de toekomst “case by case” te beslissen of de toepassing van CO2-airco wordt uitgebreid. VAG heeft tot nu toe alleen de A8 en de Phaeton voorzien van een CO2-airco, de elektrisch aangedreven ID-serie en e-Golf hebben ook een CO2-airco.

 

Reageer op dit artikel