El papel de los refrigerantes naturales en la climatización y refrigeración

El papel de los refrigerantes naturales - INTARCON

El papel de los refrigerantes naturales en la climatización y refrigeración

Nos encontramos en un momento decisorio de lo que es una nueva era en el sector de la refrigeración. En esta nueva década de «lucha contra el cambio climático» se abandonarán definitivamente los refrigerantes fluorados de alto efecto invernadero en favor de refrigerantes y soluciones alternativas. Los refrigerantes naturales están llamados a ocupar un lugar privilegiado, con sus ventajas e inconvenientes. Contrarrestar estos inconvenientes son los retos tecnológicos a los que nos enfrentamos hoy en día.

Arrastramos medio siglo de oleadas de innovación en refrigerantes sintéticos, muy seguros y manejables, que han permitido todo el desarrollo del sector de la refrigeración comercial y el aire acondicionado, pero desgraciadamente a costa de perjuicios medioambientales inicialmente desconocidos.

Cada nuevo refrigerante sintético ha dado lugar a una nueva amenaza para el medio ambiente: los CFCs a la destrucción de la capa de ozono (ODP), los HFCs al calentamiento global (PCA) y para los HFOs la comunidad científica advierte ya de la potencial amenaza del ácido trifluoroacético (TFA).  Y es que solo el retorno a refrigerantes naturales parece garantizar la sostenibilidad del planeta a largo plazo.

La denominación de «refrigerante natural» es controvertida, pues a la postre todos los refrigerantes se producen o sintetizan en la industria. Pero a diferencia de los denominados «refrigerantes sintéticos» los refrigerantes naturales son sustancias ya presentes en la naturaleza en grandes cantidades. Es por ello que su liberación a la atmósfera por la mano del hombre, ya sea deliberada o accidental, no altera el equilibrio medioambiental. Tal es el caso, por ejemplo, del amoniaco, que se origina en la descomposición de la materia orgánica, y forma parte del ciclo del natural del nitrógeno.

Son las políticas medioambientales, principalmente lideradas por la Unión Europea, las que han forzado la reducción del uso de gases fluorados e impulsado el desarrollo de los refrigerantes naturales; inicialmente en el sector de la refrigeración comercial, y seguidamente en el sector de la climatización. En efecto, en la última reunión de evaluación de la efectividad del reglamento F-gas, se puso de manifiesto una reducción del 37% en la comercialización de gases fluorados,  o el equivalente del 47% en emisiones de CO2.

Evolución emisiones gases fluorados

Esta reducción de emisiones de 2014 a 2019, cifrada en 44 MtCO2eq, ha sido en su mayor parte debida a los avances en el sector de la refrigeración (62%), tanto por la introducción de los HFO como gracias a los refrigerantes naturales. Para los próximos años se esperan similares reducciones en el sector de la climatización, y la refrigeración móvil, donde la inminente revisión del reglamento FGas introducirá nuevas medidas.

Actualmente, los principales refrigerantes naturales utilizados en el sector son el amoniaco, el dióxido de carbono, y los hidrocarburos como el propano o el isobutano. Otros refrigerantes naturales como el propileno o el etano, tiene un uso más marginal.

Amoníaco

El amoníaco o R717 es conocido por ser un excelente refrigerante con un alto rendimiento frigorífico, gracias a sus inigualables propiedades termodinámicas. Sin embargo, su alta toxicidad, antes que su ligera inflamabilidad, es el inconveniente para su uso en locales públicos o cerca de ellos. Razón por la cual ha quedado tradicionalmente relegado a los grandes sistemas industriales, donde ha sobrevivido a los avatares del sector. No obstante, las recientes tecnologías de amoniaco de baja carga han logrado aumentar la seguridad del sistema mediante la reducción de la carga de refrigerante necesario para producir frío. Como ejemplo, los recientes desarrollos de plantas enfriadoras de amoniaco, con condensación en microcanal, carga crítica y expansión seca, han logrado cargas específicas de refrigerante de tan solo  70 gramos por kilovatio frigorífico, la menor de toda la historia de la refrigeración.

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Planta enfriadora de 700kW de baja carga de amoniaco en industria cárnica

Otra interesante aplicación de la tecnología de amoniaco de baja carga, que está cosechando gran éxito en Australia, son los sistemas de expansión directa en oposición a los sistemas de amoniaco bombeado. El avance en sistemas electrónicos de control de la expansión de refrigerante, junto con el desarrollo de aceites miscibles en amoniaco han permitido resolver las dos principales dificultades. La nueva tecnología consigue reducir la carga de amoniaco del sistema a menos de una veinteava parte, con las ventajas en términos de seguridad que esto supone.

Dióxido de carbono

El R744, CO2 o dióxido de carbono se viene utilizando nuevamente como refrigerante desde principios de siglo en diversas aplicaciones. Es por excelencia el mejor refrigerante para la producción frigorífica en baja temperatura en refrigeración industrial y principalmente en Europa se utiliza, tanto como fluido secundario con cambio de fase como como refrigerante de la etapa de baja temperatura en ciclos en cascada.

En refrigeración comercial, el ciclo transrítico de CO2 se ha popularizado en Europa y Japón como una de las mejores soluciones para grandes supermercados, gracias a las excelentes características del CO2 para el transporte de frío. Sin embargo, el rendimiento mediocre del ciclo transcrítico con temperaturas ambiente superiores a los 25ºC ha requerido del desarrollo de ciclos avanzados para la extensión de estos sistemas a climas cálidos del sur de Europa. Entre las distintas sofisticaciones que la industria ha propuesto a lo largo de la última década, desde el subenfriamiento mecánico a los eyectores, la compresión paralela parece ser la que ha cosechado mejores resultados. Basados en este principio, también son prometedores los recientes desarrollos en compresores scroll con inyección de vapor a media presión. Y es que la extensión del CO2 en la refrigeración comercial viene acompañada de una mejor y más amplia oferta de componentes y una reducción de los precios. En los próximos años veremos pues como los sistemas de CO2 extienden su aplicación en el rango de menores potencias con unidades y minicentrales compactas con gas cooler incorporado.

Minicentrales con ciclo de CO2 trasncrítico con compresión paralela

La menor eficiencia del ciclo transcrítico con altas temperaturas de evaporación, ha sido y sigue siendo el obstáculo para su aplicación en el sector de la climatización. Con la notable excepción de la de bomba de calor para producción instantánea de agua caliente, donde el ciclo del CO2 transcrítico proporciona un buen rendimiento. Este tipo de equipos viene comercializándose en Japón con gran éxito desde hace una década.

Hidrocarburos

Las propiedades de los hidrocarburos como refrigerantes se conocen desde los principios de la refrigeración mecánica. Sin embargo, su alta inflamabilidad los ha excluido tradicionalmente como primera opción.

Entre los hidrocarburos, el isobutano o R600a se ha estandarizado para la refrigeración doméstica con millones de unidades fabricadas cada año. La carga de apenas 100 gramos de refrigerante no supone un riesgo apreciable en una cocina.

Por su parte el propano o R290 se utiliza con éxito en pequeños equipos compactos de climatización y refrigeración, tales como monoblocks de cámaras frigoríficas, y mobiliario frigorífico con grupo incorporado. Otra reciente aplicación es la utilización del R290 en sistemas con condensación indirecta, los sistemas waterloop, para los que recientemente se han desarrollado diversas unidades y equipos compactos condensados en bucle de agua, y que se están utilizando con éxito en aplicaciones de refrigeración comercial como pequeños supermercados o cocinas industriales.

Por otra parte, la utilización de R290 en plantas enfriadoras de media potencia ha permitido popularizar los sistemas indirectos en aplicaciones de refrigeración comercial en supermercados de medio tamaño. El excelente rendimiento frigorífico del R290 compensa los inconvenientes del circuito secundario, y un diseño adecuado de los equipos con una reducida carga, junto con su ubicación al exterior, hacen de esta una solución segura. La versatilidad, fiabilidad  y manejabilidad de los sistemas indirectos frente a la alternativa de expansión directa de CO2, ha propiciado una emergente demanda de plantas enfriadoras de R290 en el centro y norte de Europa.

Los recientes cambios normativos en Europa (EN 378) y en España (RSIF 2019) abren una interesante posibilidad para la aplicación de refrigerantes inflamables como el amoniaco o el propano en aplicaciones de climatización, que antes tenían vetadas. Las tecnologías de baja carga aplicadas en ambos refrigerantes permiten reducir el riesgo a niveles asumibles. Es por ello que hoy en día es planteable el uso del amoniaco o del propano en plantas enfriadoras y bombas de calor para climatización.En definitiva, nos encontramos en un momento decisorio en el que, tras un periodo de transición y convivencia con los refrigerantes fluorados de moderado efecto invernadero, los refrigerantes naturales están llamados a cubrir las distintas necesidades del sector de la refrigeración y climatización. Existe en la actualidad una amplia oferta de soluciones, con sus ventajas e inconvenientes para las diversas aplicaciones, que tendrán que encontrar su nicho de mercado. Su evolución y perfeccionamiento condicionarán el alcance de cada una de ellas, y no olvidemos que, tan importante como el tipo de refrigerante, por razones de seguridad y coste, la reducción de la carga de los sistemas jugará un papel esencial.
Rango de aplicación de gases según gama de productos- INTARCON

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