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Viabilidad del CO2 en sistemas HVACR

La tendencia actual de encontrar alternativas eficaces para sustituir a los refrigerantes sintéticos, que se han comprobado perjudiciales para la salud y el bienestar planetario, ha puesto en escena a los refrigerantes naturales. Entre ellos, el CO2 ya se ha abierto paso en aplicaciones comerciales y de transporte. La pregunta que subyace es qué tan apropiado resulta para otro tipo de sistemas, en relación con su desempeño termodinámico y condiciones de seguridad

Christopher García

El uso del dióxido de carbono (CO2) como fluido refrigerante ha estado presente en la industria HVACR casi desde el inicio. Según señala el ingeniero Gildardo Yáñez, especialista en el tema de gases refrigerantes, con una amplia experiencia en el sector, “En 1823 el físico Michel Faraday fue el primero que logró producir CO2 en pequeñas cantidades”.

En los albores de la refrigeración mecánica, los tres refrigerantes predilectos ante la poca disponibilidad de sustancias eran el propano, el CO2 y el amoniaco. De ellos, el amoniaco ha permanecido en uso extensivo en el sector industrial.El experto señala que el estadunidense T. Lowe utilizó el CO2 por primera vez en un sistema de refrigeración por compresión para refrigerar carne en buques mercantes en 1866 y que, para 1881, Carl von Linde construyó el primer sistema de refrigeración por compresión con CO2 en Europa; sin embargo, “El uso de sistemas de refrigeración con CO2 como refrigerante inició en la década de 1890, cuando se convirtió en el refrigerante de elección para la congelación y el transporte de productos alimenticios perecederos vía marítima”, detalla el especialista.

A0MH0077215Durante la primera mitad del siglo XX, aproximadamente 90 por ciento de los sistemas de refrigeración en buques mercantes registrados usaban CO2, de acuerdo con las estadísticas del Registro Lloyd, sociedad de clasificación y análisis de riesgos, detalla el ingeniero Yáñez.

A pesar de su gran utilización para el transporte marítimo, ha sido hasta fechas recientes que el CO2 ha cobrado particular relevancia para otros sectores que emplean sistemas de refrigeración y congelación, como resultado de los problemas ambientales que enfrenta el planeta y que se relacionan con el uso de refrigerantes fluorados.

Al respecto, el estudio Las tendencias del mercado en materia y subsectores de refrigeración y de aire acondicionado, realizado por la Deutsche Gesellschaft für Internationale Zusammernabeit (GIZ), informa que los equipos de refrigeración y aire acondicionado usados en el mundo son responsables de 7 por ciento de las emisiones de gases de efecto invernadero, con una aportación de 3.7 gigatoneladas de CO2 equivalentes al año, derivadas del uso de refrigerantes con alto potencial de calentamiento global (PCG, por sus siglas en inglés) y de su consumo de energía.

El ingeniero Yáñez explica que, ante este escenario, “al sustituir las tecnologías que utilizan refrigerantes sintéticos de alto PCG por nuevas tecnologías que utilizan refrigerantes de bajo PCG y por refrigerantes naturales es posible evitar que alrededor de 40 por ciento de las emisiones provenientes del sector a nivel mundial sean liberadas para 2030”.

Añade que, debido a la demanda creciente de equipos de refrigeración, los bajos niveles de eficiencia y las altas tasas de fuga de los gases refrigerantes con elevado PCG en los países en desarrollo, las emisiones contaminantes podrían aumentar drásticamente si no se cambia a la siguiente tecnología.

Por ello, la Green Cooling Initiative, financiada por la Iniciativa Internacional del Clima del Ministerio Federal Alemán del Medio Ambiente, Conservación de la Naturaleza, Construcción y Seguridad Nuclear (BMUB) e implementada por GIZ Proklima, promueve el uso de refrigerantes naturales en el mundo, mediante la transferencia de tecnología a los países en desarrollo y a las llamadas economías emergentes. Entre las tecnologías propuestas, están aquellas basadas en CO2.

A0MH0077214¿Por qué el CO2?
En términos generales, el CO2 como fluido refrigerante presenta dos ventajas principales en relación con los refrigerantes sintéticos: PCG igual a 1 y clasificación como refrigerante A1, lo que implica que es químicamente inactivo, no es inflamable y presenta baja toxicidad. Además, presenta una elevada eficiencia volumétrica, “lo que significa que en subcrítico es de seis a ocho veces mayor que el R-22 o el R-404A y en transcrítico es de cuatro a cinco veces mayor, en comparación con estos mismos gases refrigerantes”, pormenoriza el ingeniero Yáñez.

En términos de desempeño térmico, el CO2 presenta alta conductividad térmica y una alta densidad cuando está en fase gaseosa. Según el especialista, “estas características resultan en una buena transferencia de calor en los evaporadores, condensadores y enfriadores de gas; además, permiten la elección de equipos más pequeños en comparación con los que utilizan CFC, HCFC y HFC”, señala el ingeniero Yáñez.

Una ventaja más de este fluido refrigerante es que permite reducir el diámetro de las tuberías, debido a que presenta baja caída de presión. “Por ejemplo, para poder transportar por una línea de succión 11.37 toneladas de refrigeración, a una distancia de 30 metros y a una temperatura de evaporación de -10 grados centígrados, se necesitaría una tubería que tenga un diámetro de 2 1/8 de pulgada de OD con refrigerante R-404A; en cambio, si se usa CO2, se necesitará solamente una tubería de 7/8 de pulgada de OD para transportar las mismas toneladas de refrigeración con las características antes descritas”, explica.

Ahora bien, como se ha dicho, su uso como refrigerante hasta fechas recientes se ha mantenido en la industria de transporte marítico; no obstante, las investigaciones al respecto demuestran que también es posible aplicarlo en pequeños sistemas autocontenidos si se atiende a ciertas recomendaciones; por ejemplo, su operación en transcrítico puede lograrse, siempre y cuando el equipo esté en interiores y en un área que cuente con temperatura ambiente controlada.

Su uso en otro tipo de sistemas fue registrado por shecco en 2013 y publicado el año pasado, a través del estudio Natural refrigerants. Market growth for North America. En dicho estudio se menciona que existen, hasta la fecha, 2 mil refrigeradores refresqueros en operación en México que utilizan CO2.

Por otro lado, diversos medios enfocados en la industria de la refrigeración comercial y en el sector de supermercados hicieron público en fechas pasadas la decisión de diversas compañías estadunidenses, como Coca-Cola, Pepsico, Red-Bull y Carrier, de implementar formalmente en 2015 tecnologías a base de CO2 en sistemas para almacenamiento de bebidas, expendedoras automáticas y transporte refrigerado (ver “Panorama”, Mundo HVAC&R, enero 2015).

Por su parte, la empresa IMBERA ha desarrollado un enfriador a base de CO2 que reduce, según informa, hasta 40 por ciento el consumo de energía.

Ante la inminente expansión en el uso del CO2, emerge la pregunta ¿qué tan nocivo resulta para la estabilidad climática del planeta? El ingeniero Yáñez indica que al pertenecer al grupo de los refrigerantes naturales, sustancias que se presentan de manera natural en la biósfera, no daña la capa de ozono y suelen tener un bajo, incluso nulo, potencial de calentamiento global.

 Además, apunta que “el CO2 se comprime desde la atmósfera, se condensa para el envasado y más tarde emplearlo como gas industrial. No es un gas sintético producido por el hombre, como los equivalentes de CO2 o como los HFC, que son considerados como contaminantes climáticos de vida corta”, afirma el ingeniero Yáñez.

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“La tecnología del CO2 será más común y bajará su precio gradualmente, hasta llegar al punto en el que será posible utilizarla en México en subcrítico y transcrítico”: Gildardo Yáñez

 Desventajas para su uso en México
A pesar de ofrecer diversas ventajas en términos de desempeño, el CO2 presenta limitantes en algunas aplicaciones, como tiendas de conveniencia, locales de autoservicio o centros de distribución en México. Esto se debe a la ubicación geográfica del país. “La situación geográfica de México lo ubica muy lejano de las latitudes donde se puede operar en transcrítico, es decir, enfriado por aire. Con la tecnología actual, para poder utilizarlo en México tiene que ser en subcrítico (sistema en cascada, sistema híbrido o como fluido secundario)”, explica el especialista.

La República Mexicana se encuentra muy alejada del paralelo 45 de la tierra, zona en donde el subcrítico del CO2 logra operar adecuadamente, ya sea en conexión, en cascada o híbrida (en la que se condensa con otro gas refrigerante), incluso si se llega a usar como fluido secundario.

Asimismo, las temperaturas ambiente promedio del país hacen que la operación en transcrítico sea inviable. El consumo de energía en transcrítico se puede reducir en 5 por ciento en climas fríos, como sucede en los países del norte de Europa; sin embargo, en climas más cálidos, como los del sur de Europa, EUA o todos los estados de México, incrementa en 5 por ciento su consumo, por lo que el ahorro previsto en consumo de energía se disipa.

Una desventaja adicional es que el punto crítico del CO2 se presenta a los 31 grados centígrados, lo que hace que requiera de operación transcrítica para un solo estado y en conexión compuesta para aplicaciones de doble estado. En cuanto a la presión de descarga que presenta, ésta es elevada y requiere de medidas de seguridad especiales.

Otro factor que hace que no sea tan útil está en el limitado uso práctico que tiene cuando es enfriado por aire en comparación con los HFC, pues su eficiencia volumétrica es de 3.5 a seis veces menor.

Panorama de crecimiento
Aunque hasta ahora su uso se encuentra atomizado, el potencial del CO2 es vasto. Un aliciente para su expansión son las fechas límite para la eliminación de los HFC en Europa y EUA, marcadas en 2025 y 2020, respectivamente.

Para el caso de México, la fecha de eliminación aún es lejana, pero esto puede ser una ventaja: “Somos un país Artículo 5, por lo que debemos estar al pendiente del proceso de eliminación de los HFC en los países desarrollados, en los cuales el CO2 se utilizará cada vez más. Con el paso del tiempo, la tecnología del CO2 será más común y bajará su precio gradualmente, hasta llegar al punto en el que sea posible utilizarse en México, en subcrítico y en transcrítico”, afirma el experto.

Empresas con presencia en México, como Carrier, Emerson, Johnson Controls y Danfoss, han anunciado su adhesión al uso del CO2 en sus tecnologías, lo que podría acelerar la adopción de esta alternativa en el país.

Comentarios

2 comentarios en “Viabilidad del CO2 en sistemas HVACR

  1. Julio Cesar dice:

    Interesante artículo, a eso tiene que ir toda la comunidad técnica, a la utilización de refrigerantes naturales, aunque en mi opinión particular creo que para países en vía de desarrollo la variante de utilizar tecnologías de CO2 aun es muy cara, en mi experiencia particular es más viable la utilización de hidrocarburos refrigerantes pues en muchos casos solo basta la reconversión mediante un simple Drop-ind pagándose su inversión en un tiempo relativamente corto. tengamos presente que alrededor del 15 % de la energía producida en 2011 era para la refrigeración y climatización, y que en países como india el uso solo de Split se duplico desde 2003 al 2007, razón por la que los técnicos debemos adoptar posturas sustentables y sostenibles.

  2. Editorial dice:

    Julio César, agradecemos tu comentario. Te adelantamos que en próximas ediciones de la revista Mundo HVAC&R publicaremos un artículo de sistemas de refrigeración que funcionan con hidrocarburos.

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