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La industria del frío ante el cambio climático

Ante la urgencia medioambiental, la industria de la refrigeración enfrenta diversos desafíos. El creciente uso de refrigerantes naturales se anota como uno de los aspectos cruciales para atender esta problemática, cuyo progreso dependerá de los desarrollos tecnológicos del sector y de las condiciones climatológicas de cada región. Éste es un breve panorama

Eleazar Rivera

Los estudios científicos indican que si las emisiones de los gases de efecto invernadero continúan al paso actual, las temperaturas atmosféricas seguirán aumentando y podrían pasar el umbral de dos grados Celsius más respecto de la temperatura preindustrial. Eso significa que el mundo será más caliente, que los niveles del mar incrementarán, las tormentas e inundaciones serán más fuertes, al igual que las sequías, y que habrá escasez de alimentos y más condiciones extremas.

Erradicar el daño al medioambiente ha empujado a la industria HVACR a investigar refrigerantes con un bajo impacto ecológico. Una buena transición dependerá de la comprensión de los beneficios, las regulaciones actuales  y la capacitación que los técnicos adquieran. Los refrigerantes usados dictaminan los equipos mecánicos, de control y materiales por utilizar dentro de un sistema; su selección es fundamental para el proceso de ingeniería básica, conceptual y a detalle de cada proyecto.

En materia legal, en marzo de 2009, México fue el primer país en desarrollo en proponer una meta para reducir sus emisiones, con la expectativa de disminuir en 50 por ciento sus Gases de Efecto Invernadero (GEI) para 2050. El Acuerdo de París entró en vigor el 4 de noviembre de 2016, un mes después de que 55 países, que representan el 55 por ciento de todas las emisiones, firmaran el compromiso de la COP21 ante las Naciones Unidas.

Asimismo, el contexto nacional dice que en 2012 se aprobó la Ley General de Cambio Climático, la cual establece las bases en materia de adaptación y promueve la transformación hacia una economía baja en carbono, competitiva y sustentable.

De esta Ley se desprende el Reglamento de la Ley General de Cambio Climático (octubre 2014). Éste menciona, en su Artículo 6, que los establecimientos sujetos a reporte serán aquellos que emitan más de 25 mil toneladas de dióxido de carbono (CO2) equivalente al año.

En diciembre de 2015, prácticamente todos los países del mundo (195 en total; Siria y Nicaragua son los únicos que no son parte) se sumaron al primer pacto global para reducir las emisiones de GEI, que contribuyen a aumentar la temperatura global. Fue un logro diplomático histórico conocido como Acuerdo de París.

La idea es que cada país, desarrollado o no y sin importar su PIB, establezca metas para reducir las emisiones de dióxido de carbono.

La histórica Enmienda de Kigali –que llevó siete años de negociaciones y mantuvo activas a las partes que forman el Protocolo de Montreal sobre el uso de sustancias Agotadoras la capa de ozono– llegó a un acuerdo en su 28 reunión el 15 de octubre de 2016 en Kigali, Ruanda.

Suecia se convirtió en el vigésimo país que ratificó la histórica Enmienda de Kigali al Protocolo de Montreal. Esto significa que la Enmienda cumple con el umbral para que el acuerdo entre en vigencia lo más pronto posible; de acuerdo con el tratado, para el 1 de enero de 2019.

La enmienda ha sido descrita por expertos como un pilar clave en la búsqueda para detener el cambio climático global y evitar hasta medio grado de calentamiento para 2100. El Programa de Naciones Unidas para el Medioambiente la calificó como “la mayor contribución del mundo” a los Acuerdos de París.

El Acuerdo busca eliminar los hidrofluorocarbonos, químicos de efecto invernadero más conocidos como HFC, que generalmente se usan en refrigeradores y aires acondicionados, que son, entre otros, los culpables de calentar el planeta.

Con la Enmienda, los fabricantes de refrigerantes están obligados a producir gas (tecnología) de enfriamiento alternativo que sea menos nocivo para el clima.

Por su parte, ASHRAE recibió el 27 de noviembre de 2017 el prestigioso premio por su asociación con el programa de las Naciones Unidas para el Medio Ambiente (UN Environment, en inglés), de la Secretaría del Ozono, por el extraordinario compromiso y contribución al progreso y logros del Protocolo de Montreal relativo a las sustancias agotadoras de la capa de ozono que está celebrando su trigésimo aniversario.

Este Premio de Asociación reconoce el trabajo de la sociedad civil y otras organizaciones internacionales que han desempeñado un papel fundamental en el desarrollo de la Enmienda de Kigali y/o la implementación del Protocolo de Montreal.

Los gases
Existen dos términos muy importantes para comprender las nuevas políticas con relación al aspecto técnico referente a la selección de refrigerantes:

  1. ODP (reducción potencial del ozono). Es la razón entre el impacto sobre el ozono causado por una sustancia determinada y el impacto causado por una masa similar de CFC-11 (el potencial de agotamiento del CFC-11 está definido como 1)
  2. GWP (calentamiento global potencial) indica el efecto de los refrigerantes sobre el efecto invernadero en comparación con un valor de dióxido de carbono de 1.0

Desde hace algunos años, los refrigerantes naturales han sido el medio más empleado en grandes sistemas de refrigeración industrial dentro de la industria alimentaria y de bebidas, tanto para producción como almacenamiento.

Debido al creciente temor sobre los efectos perjudiciales que pueden ejercer sobre el entorno, los refrigerantes naturales han experimentado un renacimiento, especialmente el Amoniaco (NH3) y el CO2 utilizados con propósitos industriales y con bajas temperaturas.

Amoniaco
Clasificado por ASHRAE bajo la nomenclatura R-717, dentro del grupo de refrigerantes naturales, el amoniaco no destruye la capa de ozono y por sus propiedades tiene la ventaja de producir temperaturas de hasta -70°C. A diferencia del CO2, el amoniaco sí puede utilizarse en sistemas actuales.

Esta sustancia tiene características deseables como refrigerante que son conocidas desde hace aproximadamente un siglo. Es un refrigerante alternativo tanto para sistemas de refrigeración como para equipos de aire acondicionado. Además, puede utilizarse en equipos nuevos y en los ya existentes. Tiene un punto de vaporización bajo (-33 ºC) y un potencial de disminución de la capa de ozono de cero cuando se libera a la atmósfera. Esto significa que no contribuye directamente al calentamiento global y tiene un alto calor latente de vaporización. Este gas permanece en la atmósfera tan sólo unos días, por lo que se considera un gas biodegradable.

Para análisis de retorno a la inversión, el costo del amoniaco es mucho menor que cualquier refrigerante sintético, de manera general cuesta de un 10 a un 20 por ciento menos en instalación. Termodinámicamente, el amoniaco es de 3 a 10 por ciento más eficiente que los otros refrigerantes; como resultado, un sistema de refrigeración de amoniaco tiene menor consumo eléctrico.

Alrededor del mundo, los llamados sistemas de refrigeración naturales están cobrando una importancia exponencial respecto del tiempo. Lo anterior se ve reflejado en el número de actividades técnicas y la presencia de éste tema en seminarios y congresos durante 2017, como los realizados por el Institute of industrial Ammonia Refrigeration (IIAR), ASHRAE, por mencionar algunas instituciones.

Especialmente, el amoniaco apunta a ser una alternativa rentable para detener el cambio climático, debido a los efectos de los refrigerantes sintéticos sobre nuestra atmósfera. Uno de los grandes retos que enfrentan diseñadores, instaladores y dueños de instalaciones de industrias envueltas en la cadena de frío son los relacionados con la seguridad, desde la fase inicial hasta la operación.

El amoniaco ha sido utilizado como refrigerante durante ya varios años por esta industria; sin embargo, existen factores que apuntan a esta sustancia como la alternativa ideal hacia los nuevos retos. Algunas de las principales propiedades en las que se basa el pronóstico del aumento y la importancia que tomará este compuesto son:

  1. Eficiencia: Las propiedades del amoniaco lo hacen perfecto para el uso de refrigeración. Por ejemplo, la capacidad de enfriamiento del amoniaco es mayor que otros refrigerantes
  2. Rentable: Debido a que el amoniaco es muy eficiente, las compañías con equipos de refrigeración industrial o enfriamiento pueden ahorrar mucha energía usando equipos más compactos. Los ahorros a veces son del 15 por ciento o más. Esto representa ahorros sustanciales en una operación grande
  3. Bueno para el medioambiente: Aunque el NH3 emite humos tóxicos para el ser humano, estos humos no son peligrosos para el medioambiente. Cuando el amoniaco se libera a la atmósfera, aumenta rápidamente porque es más liviano que el aire. El amoniaco sólo tarda unos días en descomponerse y libera nitrógeno en el proceso, el cual se encuentra en la atmósfera en mayor proporción que otro gas. A diferencia de algunos refrigerantes, el amoniaco no daña la capa de ozono y no es un peligro después de que entra en la atmósfera
  4. Humos: Los humos de amoniaco son tóxicos, pero fáciles de detectar. Cuando hay una fuga en un sistema, lo sabrá rápidamente y podrá tomar medidas

La mayor parte de la preparación que debe enfrentar la industria de la refrigeración se relaciona con éste último punto. Todos los involucrados en la cadena de refrigeración deben enfocar su conocimiento multidisciplinario cumpliendo con normas de seguridad; sin embargo, actualmente se cuenta con información especializada, como la que brinda la Occupational Safety & Health Administration (OSHA), en el caso de los riesgos y buenas prácticas asociadas con la seguridad y salud ocupacional.

Asimismo, los riesgos relacionados con la refrigeración con amoniaco pueden reducirse sustancialmente mediante una administración y mantenimiento cuidadosos. Parte de ese proceso es el etiquetado claro de las tuberías y el equipo que se utiliza. Como expertos de la industria en este campo, el IIAR mantiene un código de recomendaciones para el etiquetado de equipos de refrigeración. Este sistema coherente simplifica el mantenimiento y promueve la seguridad, y es compatible con el estándar ANSI / ASME A13.1, que es el más utilizado para marcado de tuberías de instalaciones generales. En dicho estándar, la abreviatura de la tubería, el contenido de la misma y la dirección del flujo se mostrarán en impresión negra sobre un fondo naranja.

Dióxido de carbono
Conocido comúnmente como R-744 al ser usado como refrigerante, el CO2 es competitivo, pues su presencia en la atmósfera está integrada en varios ciclos naturales. Es un fluido inodoro, incoloro y menos pesado que el aire; su GWP equivale a cero, pero es un gas de efecto invernadero que puede modificar el medioambiente si su concentración en la atmósfera aumenta en gran medida.

No es inflamable y posee una baja toxicidad, aunque al no desprender ningún tipo de aroma puede ocasionar que al haber alguna fuga, no se detecte.

Analizándolo desde su desempeño termodinámico, el CO2 posee una alta conductividad térmica y alta densidad en fase gaseosa, factores importantes para una buena transferencia de calor en los evaporadores, condensadores y enfriadores de gas. Estas características permiten una selección de equipos más pequeños en comparación con los que utilizan gases sintéticos fluorados. Otra ventaja respecto del diseño es que debido a que tiene una baja caída de presión permite reducir el diámetro de las tuberías.

Una buena opción por analizar serían los sistemas de CO2 transcríticos. Las propiedades fisicoquímicas del dióxido de carbono hacen de éste un excelente compuesto para el transporte de calor; su temperatura crítica es aproximadamente de 31°C (87°F), mientras que la presión crítica, también aproximada, son 73 bars (1045 psig).

Los sistemas de refrigeración que basan su funcionamiento en este compuesto operan de diferente forma según estén por encima o por debajo del punto crítico, que no es más que el punto donde el cambio de fase líquido-vapor se mantiene en equilibrio. En resumen, en un sistema subcrítico la temperatura del CO2 en la etapa isotérmica tras la compresión del fluido está por debajo de la temperatura crítica, mientras que en los sistemas transcríticos, el CO2 se enfría pero no se condensa en la salida del enfriador de gas, manteniéndose por encima de la temperatura crítica.

Los sistemas transcríticos, al igual que los sistemas subcríticos, evaporan el CO2 debajo de su punto crítico. Sin embargo, en estos sistemas, la descarga de presión del compresor es muy alta (arriba de 1069 psia/ 73 .7 Bar) y por encima del punto crítico, donde el CO2 existe sin una distinción clara entre el estado líquido y vapor. En consecuencia, el fluido sobrecalentado debe ser constantemente enfriado en un enfriador de gas, en vez de enfriar y condensarlo a líquido, como en un ciclo subcrítico. El fluido comprimido y refrigerado recibe una reducción en presión por debajo del punto crítico, en la que una parte del fluido se condensa en líquido para ser alimentado en el evaporador.

Si el disipador de calor del gas está suficientemente frío, el ciclo podría transitar a subcrítico y, entonces, la condensación de cierta parte del fluido a líquido podría suceder en el enfriador de gas. Esto no causa ningún problema operacional si la válvula reguladora de presión a la  salida del enfriador está controlada correctamente. Debemos tener en cuenta que el término “crítico” no significa que se trabaja bajo condiciones serias o de peligro, más bien, se refiere al punto específico entre los estados del refrigerante.

La siguiente figura muestra un sistema transcrítico básico trazado en un diagrama PH (presión-entalpía). Algunas partes del proceso se producen por encima del punto crítico y otras por debajo de la presión crítica.

Ciclo transcrítico del CO2

También se puede hacer un ciclo de CO2 que intercambia calor con el exterior. En este caso se trata de un ciclo transcrítico, como en ciertos periodos del año en los que la temperatura exterior está cerca o alrededor de los 31.1 °C.

La siguiente figura muestra la etapa simplificada para un circuito de refrigeración transcrítica sobrepuesto en un diagrama de presión-entalpía. El calor del enfriador del gas es rechazado a un disipador a mayor temperatura que la temperatura crítica. La región supercrítica de gases.

Esquema del sistema

A partir de enero 2014, el Estándar 15 de ASHRAE requirió un Diseño de la Presión de Trabajo (DWP, por sus siglas en inglés) de 20 por ciento más alto que la presión máxima desarrollada por la presión del elemento impuesto. Sin embargo, hay una propuesta cambio en el Estándar 15 de ASHRAE para bajar el margen de 20 por ciento al 10 en las partes críticas del sistema.

Los sistemas de doble etapa de CO2 transcrítico actualmente son las soluciones más prometedoras para utilizar los refrigerantes naturales. Éstos implican dos etapas de compresión del mismo refrigerante, por lo tanto el dióxido de carbono descargado por los compresores de baja temperatura fluye a través de un intercambiador, hasta el punto de succión de los compresores de temperatura media. Debido a lo anterior, estos sistemas están cobrando importancia en el ámbito del retail, sobre todo para climas no tan cálidos como lo muestra la siguiente figura.

Potencial de Distribución Global

Normalmente los sistemas de doble etapa se caracterizan por cuatro secciones con diferentes presiones:

Baja presión: la zona de los evaporadores de baja temperatura de las válvulas de presión hasta la aspiración de los compresores de baja (en azul), seguridad 45 bars
Alta presión: la zona de impulsión de los compresores de media temperatura hasta la válvula HPV (en rojo), configuración de seguridad 130 bars
Presión intermedia: la zona desde la válvula HPV hasta todas las válvulas de expansión (en naranja), seguridad 90 bars
Presión media: la sección desde los evaporadores de media temperatura de las válvulas de expansión hasta la aspiración de los compresores de media (en azul), seguridad 60 bars

Existen diversas configuraciones según la aplicación, sobre todo por el uso de intercambiadores de placas que aumentan la eficiencia del sistema a la vez que ayudan a su correcto funcionamiento.

Sin embargo, aunque el CO2 es una buena alternativa para la refrigeración, en México aún se presentan algunas dificultades para su uso. Si se desea aplicar CO2 en instalaciones de tiendas de conveniencia, autoservicio o Cedis, la situación geográfica del país hace que los sistemas donde es usado como fluido secundario sean más eficientes que los enfriados por aire.

Aunado a ello, por los parelos en los que se encuentra México, el uso de los gases refrigerantes naturales debe tener una revisión estricta por aspectos de seguridad, donde los refrigerantes sintéticos siguen siendo una respuesta y donde la tecnología que se desarrolla al respecto continúa buscando atender la normativa de cuidado medioambiental.

Normas nacionales que regulan el uso del amoniaco
NOM-010-STPS
Trata de las condiciones de seguridad e higiene en los centros de trabajo donde se manejen, transporten, procesen o almacenen sustancias químicas capaces de generar contaminación en el medioambiente laboralNOM-005-STPS
Trata de las condiciones de seguridad e higiene en los centros de trabajo para el manejo, transporte y almacenamiento de sustancias químicas peligrosasNOM-018-STPS
Es el sistema para la identificación y comunicación de riesgos por sustancias químicas peligrosas en los centros de trabajo

NOM-020-STPS-2011
Recipientes sujetos a presión, recipientes criogénicos y generadores de vapor o calderas – Funcionamiento – Condiciones de Seguridad.

Fuente: Gildardo Yañez

Uso de sistemas de R-744

·        El transcrítico (enfriado por aire) se usa en áreas donde la temperatura ambiente promedio anual es generalmente baja

·        20 °C a 25 °C, como el norte de Europa y Canadá

·        Los sistemas subcríticos (en cascada y secundarios) se usan en temperatura ambiental alta, como en el sur de Europa, los Estados Unidos, gran parte de América Central y del Sur, el sudeste de Asia, África y Australia

Fuente: Gildardo Yañez

El Protocolo de Montreal en México
El 16 de septiembre de 1987, 24 países, entre ellos México, se reunieron para firmar el Protocolo de Montreal, acuerdo ambiental que ha permitido la eliminación de las sustancias que dañan la capa de ozono.En 1988, México fue el primer país en ratificarlo y ahora, en su trigésimo aniversario, el acuerdo cuenta con el apoyo de 197 países que comparten el objetivo de mitigar el cambio climático. Durante décadas, la emisión de sustancias utilizadas en procesos químicos industriales agrícolas y farmacéuticos provocaron la reducción de los estratosféricos, causando un daño significativo al planeta.La emisión de grandes cantidades de CFC atrajo la atención de los científicos Mario  Molina y Jörg Butt Rowland, quienes en 1974 advirtieron que estos gases llegaban hasta la estratósfera y destruyen la capa de ozono, descubrimiento que les valdría ganar el Premio Nobel de Química en 1995.

Estos hallazgos despertaron la preocupación de la comunidad internacional, ya que el adelgazamiento de la capa de ozono aumenta la exposición a la radiación ultravioleta del Sol. Para revertir este deterioro en el planeta, el Protocolo de Montreal estableció metas para eliminar el consumo y producción de las sustancias que dañan la capa estratosférica de ozono.

Desde 1990, México ha desarrollado más de 120 proyectos que han permitido eliminar el 99 por ciento del consumo de sustancias agotadoras del ozono, erradicando así el uso de clorofluorocarbonos, tetracloruro de carbono, halones y bromuro de metilo. Estos logros son producto de la cooperación internacional, ya que, para poner en marcha el Protocolo de Montreal, los países firmantes aportaron recursos al Fondo Multilateral de Inversiones.

Además de contar con el valioso apoyo de la ONU para el desarrollo industrial, ONUDI, el PNUD, para 2014, con la participación de productores agrícolas y empresas de almacenaje que recibieron asesoría técnica y donación de equipos con tecnología de punta, México eliminó el consumo de bromuro de metilo.

Nuestro país cumple su último compromiso ante el Protocolo de Montreal al crear el plan nacional de eliminación de hidroclorofluorocarbonos utilizados en aires acondicionados, aerosoles, solventes industriales, fabricación de espumas, entre otras.

A través de los centros de recuperación y reciclado autorizados en México, se han logrado captar más de 113 toneladas de gases residuales, principalmente de equipos de refrigeración y aire acondicionado. Por lo anterior, se puso en marcha un proyecto para destruir dichas sustancias con apego a las regulaciones ambientales. Asimismo se ha capacitado a más de  15 mil técnicos de diferentes sectores, lo que ha permitido modernizar las técnicas, obtener una producción ambientalmente limpia y generar empleos especializados y mejor remunerados

Desde hace 30 años, México participa en el Protocolo de Montreal para revertir el agotamiento de la capa de ozono, con lo cual para 2030 se habrá evitado 2 millones de casos anuales de cáncer de piel, además de evitar lesiones oculares, daños al sistema inmunológico y de proteger los ecosistemas.

El país ratifica su compromiso con el Acuerdo de París, y con la adopción de la Enmienda de Kigali se permitirá la reducción del consumo de los hidrofluorocarbonos para evitar un incremento del 0.5 grados en la temperatura del planeta para el año 2100. Con la Agenda 2030 para el Desarrollo Sostenible, se impulsará el crecimiento inclusivo y equitativo, así como el bienestar de las personas y del planeta.

Fuente: Semarnat

[author ]Eleazar Rivera
Presidente 2017-2018 de ASHRAE Capítulo Monterrey. Químico Industrial egresado de la Facultad de Ciencias Químicas de la Universidad Autónoma de Nuevo León y maestro en Finanzas por la Escuela de Graduados en Administración e Ingeniería Industrial de la misma facultad. Cuenta con orientación en Ciencias de los Materiales, además de experiencia en el área de Investigación y Desarrollo en Electroquímica, Aplicaciones en Química del Agua y comercialización de proyectos HVAC.[/author]

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