Mot en grönare värmepump

Rör och slangar slingrar sig mellan mätapparater, tankar och kompressorer. På labbet för tillämpad termodynamik och kylteknik vid Kungliga tekniska högskolan, KTH, har forskningen om maskiner som kan producera värme och kyla en lång och stolt tradition. I ett hörn står en prototyp till von Platens och Munters berömda kylskåp, det första utan rörliga delar som ut­vecklades på KTH under början av 1920-talet.

Numera ligger fokus på värmepumpar, ett område där Sverige ligger i topp, sett till andelen installationer. Enligt statistik från Energimyndigheten finns värme­pumpar i drygt 1,3 miljoner svenska småhus.

EU vill nu att övriga Europa ska följa efter. Kriget i Ukraina har satt fokus på beroendet av gas som dominerar husuppvärmningen i många länder. Målet är att ersätta minst 10 miljoner gaspannor med värmepumpar till 2027. Till 2030 är målet minst 30 miljoner.

– Menar vi allvar med att vi ska fasa ut fossila bränslen i Europa så finns det inget alternativ. I framtiden måste vi producera vår värme från el, och då är det värmepumpar som gäller, säger Björn Palm, seniorprofessor i energiteknik vid KTH.

Tillsammans med Per Lundqvist, också han professor i energiteknik, har han forskat om värme­pumpar i 40 år.

En värmepump fungerar enligt samma principer som ett kylskåp. Ett köldmedium cirkulerar i en sluten krets och flyttar värme från omgivningen till huset. Köldmediet har mycket låg kokpunkt så det behövs ingen hög temperatur för att det ska börja koka och absorbera värme från omgivningen. Gasen som bildas när det kokar komprimeras i en kompressor och när trycket ökar höjs också temperaturen. Den heta gasen leds genom en värmeväxlare där gasen kondenserar och den frigjorda värmen förs över till husets värmesystem. Cykeln börjar sedan om från början.

Finessen är att processen är väldigt effektiv. En värmepump kan ge flera gånger mer värmeenergi än den elenergi som matas in i kompressorn, eftersom värmeenergi också hämtas från omgivningen.

Så här långt låter ju allt väldigt bra, men det finns en baksida. Många av de köldmedier som används för att driva processen är kraftfulla växthusgaser. Det handlar om syntetiskt framställda ämnen som innehåller kol och fluor. Med ett samlingsnamn kallas den här typen av fluorkolväten för f-gaser och de kan ha flera tusen gånger starkare klimateffekt än koldioxid.

Från 1990 till 2014 fördubblades utsläppen av f-gaser och EU införde regler för att få dem att minska. Men minskningstakten var inte tillräcklig och bland annat mot bakgrund av det ökade behovet av värmepumpar har reglerna skärpts. Från och med den 11 mars i år gäller en ny förordning som skyndar på utfasningen av f-gaser. Förbud för olika typer av utrustning införs stegvis från och med 2025 fram till 2032.

För värmepumpstillverkarna gäller det nu att ställa om och fasa ut f-gaserna. Huvudalternativet är att byta till så kallade naturliga köldmedier. Hit räknas bland annat koldioxid, ammoniak och olika kolväten, ämnen som användes redan under kylskåpens barndom för drygt 100 år sedan.

Dessa ämnen övergavs dock på grund av problem med att de var brandfarliga eller giftiga. Till de giftiga ämnen som användes hörde svaveldioxid och metylklorid.

– På den tiden kunde man inte bygga helt täta system, och eftersom vissa köldmedier var giftiga hände det att folk blev sjuka eller till och med dog. Kylskåpstillverkarna insåg att det behövdes bättre köldmedel om försäljningen skulle ta fart, säger Björn Palm.

Kemisternas lösning blev en grupp ämnen som innehöll kol, klor och fluor. De nya kemikalierna, mest kända under handelsnamnet freon, var både brandsäkra och ogiftiga och slog igenom på bred front. Men de populära freonerna visade sig som bekant bryta ner ozon i atmosfären och förbjöds genom Montrealprotokollet 1987. Kemisterna fick gå tillbaka till ritbordet. För att få bort påverkan på ozonskiktet plockades kloratomerna bort. Resultatet blev f-gaser.

– De tog över helt tills nästa bomb kom, när man insåg att f-gaser har en betydande effekt på klimatet. Man löste ett problem men satt plötsligt med Svarte Petter i alla fall, säger Per Lundqvist.

Det fanns tidigt en kunskap om att f-gaserna är kraftfulla växthusgaser, men det dröjde till 2016 innan ett internationellt avtal om en minskning kom på plats i form av det så kallade Kigali­tillägget till Montrealprotokollet. Beräkningar hade då visat att f-gaserna kunde öka jordens medel­temperatur med upp till en halv grad om ingenting gjordes.

Både Per Lundqvist och Björn Palm anser att vägen framåt är en återgång till naturliga köld­medier och för värmepumpar är huvudkandidaten propan.  Som köldmedier betraktade är propan och andra naturliga ämnen minst lika bra som de syntetiska.

– I grunden handlar det om termodynamiska egenskaper och att de ligger rätt i temperatur och tryck, och här har propan till och med bättre egenskaper, förklarar Per Lundqvist.

Utmaningen är att gasen är brandfarlig. Det är ett mindre problem om värmepumpen står utomhus. Den typen av värmepumpar säljs också redan med propan. Men om värmepumpen ska stå inomhus gäller det att minimera brandfaran. Ett sätt är att minska mängden köldmedium.  Så länge en apparat inte innehåller mer än 150 gram propan kan den användas inomhus utan särskilda säkerhetsåtgärder.

På labbet har forskarna utvecklat bergvärmepumpar som kommer under den gränsen. Förutom propan har de använt sig av ett annat kolväte, isobutan, som används i kylskåp.

Det är inte bara den nya f-gasförordningen som tvingar fram nya köldmedier. Förutom att de är kraftfulla växthusgaser klassas f-gaser, med enstaka undantag, som PFAS-ämnen. Ett förslag om totalförbud för PFAS-ämnen ligger på den europeiska kemikaliemyndigheten Echas bord. Därmed kan det bli två olika regelverk som slår mot f-gaser från olika håll.

– Det som för stunden verkar bra, visar sig senare ha dåliga effekter. Vi i branschen ser ingen annan utväg än att sluta cirkeln och gå tillbaka till naturliga köldmedier, säger Martin Forsén, ansvarig för internationella frågor på den svenska värmepumpstillverkaren Nibe.

Nibe har sedan länge propan i vissa modeller. Nu jobbar företaget även med att utveckla bergvärmepumpar med propan.

Utmaningen är att anpassa och kombinera de olika komponenterna på ett fiffigt sätt för att optimera systemet så att det fungerar lika bra, trots en mindre mängd köldmedium. På labbet på KTH går arbetet bland annat ut på att hitta rätt typ av kompressor och att konstruera effektiva värmeväxlare.

Medan arbetet med att utveckla lite mer miljö­vänliga värmepumpar pågår påminner Per Lundqvist om att inte glömma bort att den första och bästa åtgärden är att försöka minska behovet av både kyla och värme, till exempel genom bättre isolering.

När värmepumpen väl är på plats kan det också vara en god idé att köra den på natten, när elen är billig, och spara värmen till dagen.