Menor impacto ambiental en HVAC/R (I)

Análisis sobre las alternativas tecnológicas disponibles que influyen directamente para lograr un menor impacto ambiental en HVAC/R.

por Ing. Carlos C. Obella*

Tres tendencias globales clave en la industria de la refrigeración y el aire: existen tres tendencias globales clave a las que la industria de la refrigeración comercial y el aire acondicionado debe dar respuesta inmediata: Sustentabilidad, Eficiencia Energética y Conectividad (Fig. 1).

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Las tres tendencias están íntimamente ligadas entre sí. Un sistema de refrigeración o de aire acondicionado sustentable, con un menor impacto ambiental total, debe ser energéticamente eficiente. A su vez, debe contar con dispositivos electrónicos de control que le permitan operar sustentable y eficientemente.

Las mismas tres tendencias plantean el desafío de balancear la reducción en términos de impacto ambiental total, con el desarrollo tecnológico necesario para hacerlo, y el impacto económico que esto plantea.


Fig.1

Un “Círculo Histórico Completo” para los refrigerantes
La sustentabilidad como tendencia clave ha generado un fenómeno llamativo. La historia de la refrigeración se remonta a la aplicación de refrigerantes naturales a principios del siglo pasado (CO2, NH3, HC). Aspectos relacionados con la toxicidad, inflamabilidad y las altas presiones de operación hicieron que la industria desarrollara alternativas sintéticas no tóxicas ni inflamables. Es así como surgieron los llamados refrigerantes CFC (R12, R502, entre otros). El agotamiento de la capa de ozono, puesto de manifiesto a nivel internacional por el Protocolo de Montreal (1987), condujo la búsqueda de refrigerantes alternativos sin Cloro en su composición: los llamados HFC (R410A, R404A, R134a, y otros).

Ninguna de estas alternativas resultó ser “ecológica” ya que, si bien no afectan la capa de ozono, su impacto sobre el llamado “efecto invernadero”, conocido también como calentamiento global o cambio climático, es más que significativo.

Por lo tanto, a principios de este siglo empezaron a evaluarse alternativas con un menor impacto ambiental; y los refrigerantes naturales volvieron a escena, para cerrar el denominado “Circulo Histórico de los Refrigerantes” (Fig. 2)

Fig.2

Influencia de las Regulaciones Internacionales y las Organizaciones Mundiales: la Unión Europea con la llamada regulación “F-Gas”, que busca la reducción paulatina de las emisiones de los gases que impactan sobre el cambio climático en un 80% para en 2030; junto a otras incitativas en tal sentido como las llevadas adelante por “EPA” (Environmental Protection Agency) en los Estados Unidos; además de la Enmienda del Protocolo de Montreal, firmada en octubre de 2016, y en vigencia a partir de enero de 2019; incluso lo que está ocurriendo en “CARB” (California Air Resources Board) en los EEUU, y en “ECCC” (Environmental Climate Change Canadá). Todas estas iniciativas tendrán un impacto en las tendencias que gobiernan la evolución tecnológica en nuestros mercados en Latinoamérica.

Solo para dar una idea, más allá de 2021 en Europa será necesaria la transición a refrigerantes con GWP (Global Warming Potential) menor que 1.000, lo cual implica preparase para que a partir de allí solo se apliquen refrigerantes naturales o algunas mezclas sintéticas ligeramente inflables.

La Enmienda del Protocolo de Montreal en particular ha sido apalancada por el éxito obtenido a lo largo de más de 30 años de su a implementación original, después de haber contribuido en reducir considerablemente las emisiones de gases que afectan la capa de ozono. Latinoamérica es parte del grupo de países A5 firmantes dentro Grupo 1, para los cuales se prevé un congelamiento en 2024, una primera reducción de un 10% en 2029, y una reducción de más de un 80% en la fabricación, comercialización y aplicación de refrigerantes HFC en 2045 (Fig. 3).

Fig. 3

¿Cuándo un refrigerante es una opción a largo plazo?
Al considerar posibles alternativas a largo plazo que incluyan refrigerantes con un menor impacto ambiental, ya sean refrigerantes naturales o sintéticos, existen cuatro premisas básicas que deben analizarse con un enfoque “holístico”. Estas son seguridad, medioambiente, rendimiento, y economía (Fig.4).


Fig. 4

Esto significa que cada una de estas cuatro premisas no pude considerarse aisladamente del resto. Por lo tanto, las consideraciones que se planteen siempre van a implicar algún nivel de compromiso a asumir. Veamos a continuación de qué se trata esto:

– La “Seguridad” se relaciona con la posible toxicidad e inflamabilidad del refrigerante adoptado, además de sus presiones de trabajo. El R744 (CO2), por ejemplo, plantea una opción relativamente segura para los dos primeros factores (no es tóxico, si bien puede generar asfixia en altas concentraciones dentro de espacios cerrados); pero sus presiones de operación pueden alcanzar valores relativamente muy altos, al punto que se requieran ciertas medidas de seguridad particulares a adoptarse en el diseño y en la operación de los sistemas que lo apliquen, lo cual tendrá impacto en la “Economía” o en el costo del sistema. Esto más allá de que el costo del R744 puede considerarse como mucho más bajo que el de otras alternativas sintéticas posibles que hoy se plantean.

– El impacto sobre el “Medioambiente”, se relaciona con las regulaciones que intentan reducir las emisiones que afectan la capa de ozono o que impactan sobre el llamado “Efecto Invernadero”, “Calentamiento Global”, o “Cambio Climático”. El R410A, por ejemplo, plantea una opción con ODP=0 versus el R22 para aplicaciones en aire acondicionado y bombas de calor residenciales y comerciales. Pero su valor de GWP (~1800) es algo mayor que el del R22 (~1700), por lo que su impacto directo es mayor que el de este último. Aunque su presión de operación es mayor, y sus propiedades termodinámicas y de transferencia de calor son mejores que las del R22.

Esto significa que con R410A se pueden diseñar sistemas con intercambiadores de calor más eficientes, que empleen una menor carga de gas, con un menor riesgo de fugas y un menor impacto ambiental tanto directo, como indirecto que con el R22. Pero ¿qué impacto tiene esto el costo del rediseño de los sistemas que pasen de aplicar R22 a R410A? La industria del aire acondicionado ya ha pasado por esto y ahora se enfrenta a un nuevo desafío: buscar un reemplazo con menor impacto ambiental directo que el R410A, como el R32 o algunas mezclas que son ligeramente inflamables (por ejemplo, R454B entre otras posibles).

Hay casos extremos como el R404A cuyo GWP es del orden de ~3900, aunque su ODP sea 0. Salir del R22 para moverse al R404A en instalaciones de refrigeración comercial con grandes cargas de gas y altos riesgos de fugas, significa moverse en sentido contrario, en términos de impacto ambiental, bajo las regulaciones actuales y futuras. La industria de la Refrigeración busca alternativas intermediarias, con GWP el orden 1500, mientras continua la evolución de las normas, estándares, y códigos que regirán la aplicación de refrigerantes ligeramente inflamables o inflamables, como el Propano, por ejemplo.

– El “Rendimiento” depende de las propiedades físicas y termodinámicas del refrigerante. Pero, fundamentalmente, depende de cómo estas mismas propiedades afectan de manera positiva o negativa tanto a la capacidad como a la eficiencia energética del sistema en el que se esté aplicando ese mismo refrigerante, a ciertas y determinadas condiciones de operación.

– La “Economía” depende del costo de implementación de los cambios tecnológicos que deban aplicarse y del costo total del sistema; no solo del costo del refrigerante considerado.

Un refrigerante con ODP =0 y bajo GWP en comparación con R22, cuya aplicación sea segura, pude no ser económica, si su capacidad volumétrica es más baja que la del R22, por lo cual se requiere la aplicación de compresores con desplazamientos mayores para alcanzar la misma capacidad, en ciertas y determinadas aplicaciones y condiciones. Ese puede ser el caso del R134a o el de algunas otras mezclas con GWP < 1500, que trabajan con bajas presiones de operación en ciertas y determinadas aplicaciones (no en todos los casos).

Estos son tan solo algunos ejemplos de lo que se intenta enunciar como enfoque holístico de un análisis que debe hacerse en cada caso en particular, evitando las consideraciones generales.

Posibles refrigerantes con menor impacto ambiental para refrigeración y aire acondicionado:
La figura 5 muestra las opciones actuales más comunes y algunos de los posibles candidatos a futuro, con sus respectivos valores comparativos de GWP.


Fig. 5

El R22 es el único refrigerante con ODP distinto de cero en la figura, y ha sido incluido solo a modo de referencia y como comparación con el resto, ya que su aplicación futura está totalmente descartada.

El gráfico está dividido en franjas horizontales que definen las aplicaciones más comunes en la industria. Por ejemplo, la franja central reúne diversas opciones actuales y futuras para aplicaciones comunes de refrigeración comercial y aire acondicionado residencial y comercial.

De manera general, todos los refrigerantes que se encuentran en una misma franja horizontal poseen características similares de capacidad y presión de trabajo.

Los colores de los recuadros pequeños coinciden con el código especificado en ASHRAE 34, en relación a la inflamabilidad y la toxicidad.

La categoría A2L, de color morado, reúne a aquellos refrigerantes denominados Ligeramente Inflamables. De manera general, un refrigerante es considerado Ligeramente Inflamable o A2L (según ASHRAE 34), cuando se requieren grandes concentraciones para que se inicie una combustión que, a su vez, requerirá una energía muy alta en la chispa para iniciarse; la llama se propagará con una muy baja velocidad una vez iniciada la combustión, y con un muy bajo calor generado durante el proceso; todo esto en comparación con los refrigerantes comprendidos en la categoría A3 o “Inflamables” (Ver Fig. 6 más adelante).

Volviendo a la figura 5 que nos ocupa, el eje de abscisas muestra niveles aproximados de GWP, medido en valores de masa, para emisiones equivalentes de dióxido de carbono (CO2). Los refrigerantes R404A y R507 caen fuera de la escala práctica de la figura, por lo que su ubicación relativa es solo ilustrativa, en comparación con el resto. Lo mismo ocurre si se consideran las presiones de operación del CO2 en comparación con las del resto de las sustancias en el gráfico.

Las líneas diagonales de trazos reúnen mezclas con componentes similares, aunque en diferentes proporciones de R32 y/o HFO entre otros componentes. De manera general, cuanto mayor sea la proporción de R32 en la mezcla, mayor es la capacidad volumétrica y la presión de trabajo.

El gráfico también permite sacar algunas conclusiones preliminares de manera general. A medida que se intenta disminuir el GWP en una misma diagonal que reúne refrigerantes con categorías ASHRAE A1 o A2L, las capacidades y las presiones de trabajo se reducen también. Incluso mantener los niveles de eficiencia se torna un desafío.

Por otro lado, si se intenta reducir el GWP en una misma franja horizontal, a similares presiones de operación, las opciones se tornan ligeramente inflamables (A2L) a partir de valores de GWP por debajo de 600.

El R410A por ejemplo, ha sido ampliamente adoptado como una solución a largo plazo por los países industrializados en Europa y Norte América para aplicaciones de aire acondicionado residencial y comercial, aunque su valor de GWP es algo mayor en comparación con el desplazado R22.  Las presiones de trabajo más altas del R410A, su mayor capacidad volumétrica, mejor coeficiente de transmisión, mayor densidad, y mayor eficiencia isoentrópica permiten compensar un valor más alto de impacto directo, con una menor carga de gas refrigerante y una operación más eficiente del sistema, con un menor impacto ambiental total. El 50% de la composición del R410A es R32. Este último componente aparece ahora como una alternativa para R410A, con un menor impacto ambiental.

En la misma franja horizontal en la que se encuentra el R32 como sustancia pura, aparecen algunas mezclas que lo contienen, con valores de GWP del orden de los 400 a 750, todas ellas ligeramente inflamables. Tanto el R32 como sus mezclas con HFO en esta misma franja horizontal, pueden presentar características de rendimiento muy similares a las del R410A, convirtiéndose en opciones potenciales futuras a mediano plazo, especialmente en ciertos países que aún no han hecho una transición completa para salir R22, y que no desean transitar múltiples rediseños.

La franja horizontal central muestra algunas alternativas zeotrópicas intermediarias al R22, R507, y R404A con GWP menor a 1500, en la categoría A1. Más a la izquierda, aparecen mezclas con capacidades y presiones de trabajo similares a las anteriores, con valores de GWP en el orden de 150 y 300, todas ellas ligeramente inflamables (A2L). Más a la izquierda aparece el R290 (Propano), como hidrocarburo inflamable (A3).

En la franja horizontal inferior, se encuentra el R134a con un GWP < 1500. La aplicación del R134a se extiende un poco más en el tiempo a través de las regulaciones globales existentes para aplicaciones de refrigeración comercial de ciclo secundario y en cascada directa o híbrida, en combinación con R744. A la izquierda se ven algunas mezclas azeotrópicas A1 que pueden reemplazarlo a mediano plazo, con valores de GWP del orden de los 600.

El gráfico también incluye los HFO puros (Hidro Fluoro Olefín) ligeramente inflamables, y con bajas presiones de operación.


Fig. 6
Nota: La segunda parte de este interesante artículo será publicada en la próxima edición impresa (ACR 22-6 Nov / Dic.) y próximamente en esta edición digital.

* Ing. Carlos C. Obella. VP de Servicios de Ingeniería y Gerenciamiento de Producto
Emerson Commercial & Residential Solutions Latinoamérica. carlos.obella@emerson.com

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Duván Chaverra
Author: Duván Chaverra
Editor Jefe
Jefe Editorial en Latin Press, Inc,. Comunicador Social y Periodista con experiencia de más de 12 años en medios de comunicación. Apasionado por la tecnología. Director Académico del Congreso RefriAméricas.

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