Refrigeración comercial menor daño ambiental

Con los costos de energía a la alza y con limitaciones cada vez mayores para las emisiones de gases de efecto invernadero, el diseño de equipos e instalaciones con consumo eficiente de energía se hace cada vez más importante. Algunos sistemas que utilizan fluidos, como los de refrigeración, consumen una gran cantidad de energía.

René Ángeles Carranza

Con el fin de enfrentar los impactos negativos asociados con el crecimiento poblacional y económico, así como del uso de la energía, surgió el concepto de desarrollo sostenible, mediante el cual se busca que existan las condiciones necesarias para el avance económico de las naciones, haciendo un uso más eficiente de los recursos naturales y evitando, en lo posible, las implicaciones al medioambiente y a la salud de los seres vivos.

Se deben crear nuevos desarrollos tecnológicos en los sistemas de refrigeración y aire acondicionado, que permitan disminuir y sustituir el uso de refrigerantes sintéticos y con ello mitigar los efectos adversos que han generado en los ecosistemas.

En los supermercados existen oportunidades para sistemas de refrigeración que, por sus exigencias de seguridad, eficiencia y costos, el uso del refrigerante CO₂ resulta atractivo, aunque se debe de considerar que también cuenta con características diferentes que implican adaptar la tecnología.

Por otra parte, existen algunas barreras ligadas a su uso, como la disponibilidad de la tecnología, su adaptación, difusión, regulaciones, etcétera, que deben ser analizadas eventualmente.

Calentamiento global
El calentamiento de la tierra se ha incrementado a pasos muy acelerados debido al efecto de la actividad humana. Se estima que al ritmo de incremento actual, el cambio en la temperatura de la tierra a finales del siglo XXI pudiera ser de hasta 3 grados centígrados más.

En los sistemas de refrigeración comerciales, como en los supermercados, aún se utilizan refrigerantes sintéticos en gran volumen, como el R134a y R 404A, cuyo potencial de calentamiento global (GWP, por sus siglas en inglés) es demasiado alto (ver tabla 1).

Por otra parte, por su GWP bajo, potencial de agotamiento de ozono de cero y a sus excelentes propiedades como refrigerante, el CO₂ es una excelente opción para volverse a utilizar.

El CO₂ como refrigerante
Dentro de pocos años, los supermercados en cualquier parte del mundo requerirán reemplazar sus sistemas de refrigeración actuales con aquellos capaces de funcionar con refrigerantes totalmente amigables con el medioambiente.

Por sus características, la mejor opción en cuanto a este tipo de refrigerantes es el CO₂. Inclusive, algunas de sus propiedades físicas son muy benévolas con la eficiencia, como su alto calor latente y densidad de vapor (ver tabla 2). Por ejemplo, para un sistema que utilice CO₂ y que requiera una línea de succión de diámetro de 2.7”, requerirá un diámetro de 8.5” para R134a. El desplazamiento volumétrico de un compresor para un servicio de la misma capacidad es 13.1 veces mayor para el refrigerante R134a que para el CO₂.

Sin embargo, los niveles de presión del fluido son muy altos respecto de otros refrigerantes (por ejemplo, más de cuatro veces la presión de saturación comparado con el R410A, a 0 °C), lo cual demanda equipos, tuberías y accesorios adecuados al trabajar con presiones de diseño más altas que las manejadas tradicionalmente. Cuando la temperatura ambiente del lugar donde se usará implica una temperatura de condensación mayor de 31°C, se habla entonces de un sistema transcrítico (arriba del punto crítico). Por otra parte, con su uso, es posible tener una mejor recuperación de calor, con lo cual se incrementa el Coeficiente de Eficiencia Energética (COP, por sus siglas en inglés) del sistema de refrigeración = Pot. Frigorífica / Pot. eléctrica) invirtiendo en dispositivos para este fin.

Gráfica 1. Comparación de COP para sistemas de refrigeración

Tecnología para el CO₂
Actualmente, se encuentra disponible en el mercado una amplia gama de productos para sistemas de refrigeración que pueden lidiar con las altas presiones y temperaturas del CO₂, así como resistencia a la corrosión, fatiga, etcétera, como válvulas, tanques recibidores, evaporadores, condensadores, compresores, etcétera.

Dichos componentes tienen características diferentes respecto de las tradicionales. Por ejemplo, respecto de los evaporadores para cámaras, el material de los serpentines es de mayor calibre, mientras el diámetro del tubo utilizado es más pequeño. Los cabezales utilizan tapas toriesféricas. En el caso de los intercambiadores de calor de placas, el espesor del material es mayor y cuenta con doble soldadura para mayor seguridad, entre otros detalles. En la gráfica 1, se muestran algunos ejemplos. Aún se trabaja en el desarrollo de equipos, como evaporadores de CO₂ a presiones de más de 50 bar. Los esfuerzos en investigación y desarrollo de los fabricantes apuntan hacia allá.

Configuración de los sistemas
Hablando de los sistemas de refrigeración para un supermercado, que requieren diferentes niveles de temperatura para diversos productos (frutas, carne, verduras, etcétera), aplicaciones (conservación, congelación), lugares (vitrinas, cuartos de conservación, de congelación, áreas de corte), etcétera, las configuraciones se pueden dividir en:

Sistema tradicional (CO₂ refrigerante en 1 etapa)
Una etapa de refrigeración en la que se utiliza un compresor con temperatura de evaporación de -10 grados centígrados y una temperatura de condensación de 35 grados centígrados. En este caso, se rebasa el punto crítico del compuesto CO₂, de 31 grados centígrados, por lo que es un sistema transcrítico. La presión de descarga del compresor es de 90 bar Abs. No es exacto llamar al equipo condensador debido a que no hay cambio de fase en esta condición, por lo que se le llama enfriador de gas (gas cooler).

Sistema indirecto (CO₂ recirculado por bombas como refrigerante secundario)
Se utilizan dos circuitos de refrigeración para dos niveles de temperatura. La parte de baja temperatura usa refrigerante CO₂ recirculado por bombas. En la parte de alta, para evitar manejar presiones elevadas, se utiliza un refrigerante como el amoniaco o un sintético, como el R404A.

Sistema en cascada (CO₂ como refrigerante de baja temperatura en expansión directa)
Utiliza un sistema de dos etapas en cascada, en el cual se lleva a cabo la evaporación en expansión directa del refrigerante CO₂ en la parte de baja temperatura, mientras en la alta temperatura se puede utilizar otro refrigerante como el amoniaco o algún sintético. De esta forma, la presión de condensación de la parte alta no es de 90 bar, sino de 12 bar para el amoniaco a 32 grados centígrados. El intercambiador de calor de cascada es condensador de CO₂ a la vez que evaporador de amoniaco.

Como observamos, los diseños de los sistemas no son universales y deben de ser adecuados al clima del lugar, costos de energía y de inversión, regulaciones, impuestos, capacitación, etcétera. Para obtener el mejor rendimiento, debe diseñarse un sistema integrado donde se aproveche la energía y los recursos de mejor manera conteniendo elementos de recuperación de calor, motores de última generación (EC) que se adaptan a la demanda (principalmente en condensadores), evaporadores de tiro forzado, enfriamiento con agua de mar (donde sea posible), bancos de hielo, etcétera.

Eficiencia y ventajas
Los sistemas de CO₂, dependiendo de un buen diseño, pueden tener inclusive mejores COP que sistemas de amoniaco, cuyo uso es muy común en la industria, y de refrigerantes sintéticos como el R22.

En la gráfica 1 se muestra un comparativo de los COP para diferentes combinaciones de sistemas y refrigerantes en un nivel de temperatura de -40 y -50 grados centígrados, con condensación de 25 grados centígrados. Como se puede observar la mejor combinación es un sistema en cascada con amoniaco y CO₂.

Existen muchos ejemplos de instalaciones que comprueban los beneficios del uso del CO₂ en los supermercados del mundo. En Europa, 1 mil 331 cadenas lo utilizan actualmente, entre ellas Auchan y Carrefour. En América Latina, existen casos de éxito también, donde se ha aplicado esta tecnología exitosamente.

Gráfica 2. Diagrama del sistema de refrigeración cascada R134a / CO2

En la tabla 3, se muestra un resumen de un caso en Brasil. En la gráfica 2 se observa un diagrama del sistema.

Ventajas registradas por el supermercado

• El sistema no contribuye al adelgazamiento de la capa de ozono y reduce el efecto en el calentamiento global.
• Reducción del consumo de la energía eléctrica (20 al 35 por ciento) con respecto a otras tiendas de la misma cadena que utilizan refrigerantes R404A y R22.
• La baja rel. de compresión del CO₂ resulta en un incremento de horas de operación del compresor.
• Reducción de carga de refrigerante y bajo costo del mismo.
• Reducción de tamaños de diámetros de tubería, compresores, y tamaño de la instalación en general, entre otros.
• Suministro completo de agua caliente a la instalación así como del calentamiento de pisos de cámaras con el calor recuperado del sistema.

Crecimiento y futuro del CO₂
El crecimiento del consumo del dióxido de carbono como refrigerante en dos años (2008-2010) fue de 88 por ciento en Europa. Los países que llevan la cabeza en este sentido son Dinamarca y Alemania. No ha sido el tema de ahorro de energía el que ha guiado a estos países hacia esta evolución, sino las regulaciones ambientales, impuestos y esquemas de financiamiento gubernamental los que la han promovido. El motor del cambio ha sido la conciencia sobre el desarrollo sostenible. Por otra parte, existen programas de la Organización de las Naciones Unidas, como los bonos de carbono, que apoyan el financiamiento de proyectos mediante el empleo de dinero de las compañías que emiten más contaminantes.

A escala local, aún falta mucho por hacer en lo que se refiere a la difusión del tema por parte de todos los que conformamos el sector de la refrigeración, como los usuarios finales, los técnicos, los contratistas, los fabricantes, las firmas de ingeniería, etcétera. La capacitación en el diseño y el uso de los sistemas, sobre la tecnología existente y sobre la seguridad, es una demanda actual que permitirá extender su uso en una escala mucho más amplia. Existe también el factor psicológico como una barrera para que el cambio se suscite, lo cual debemos de ir diluyendo conforme crezca la base instalada y se acumule más experiencia. Adicionalmente, la regulación local todavía no ha sido lo suficientemente contundente en la promoción del uso de los sistemas más modernos, pero sí se han registrado avances al respecto, como el lanzamiento del Plan Nacional de Eliminación de HCFC, que fue logrado recientemente gracias a la colaboración de Gobierno e industria.

Conclusiones

• Los refrigerantes sintéticos en los supermercados deben ser sustituidos paulatinamente por opciones menos contaminantes, debido a los severos daños que generan sobre el medioambiente.
• La mejor opción es el CO₂, amigable con el medioambiente.
• Se puede utilizar en sistemas tradicionales de una sola etapa, sistemas de refrigerante secundarios, o bien, en sistemas de cascada.
• Los sistemas de refrigeración actuales deben ser más integrales, de manera que contemplen la incorporación de otras tecnologías y el aprovechamiento de la energía.
• Ya existen en el mercado equipos con tecnología novedosa para hacer el cambio hacia los refrigerantes naturales, en particular el dióxido de carbono, que cumplen con las exigentes condiciones de trabajo, aunque todavía se encuentran en proceso de  evolución.
• Debido a las características como refrigerante del dióxido de carbono, un buen diseño y una selección adecuada pueden resultar en un mejor COP del sistema comparado con aquellos que funcionan ciento por ciento a base de refrigerantes sintéticos.
• Existen numerosos ejemplos en Europa, principalmente, y en América Latina, sobre el uso exitoso de dióxido de carbono en sistemas de refrigeración en supermercados.
• El tema en legislación ambiental es el promotor de su uso en países desarrollados.
• El reto es difundir su utilización, principalmente mediante la capacitación y la conciencia de responsabilidad ambiental con el desarrollo sostenible, en todos los niveles.

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René Ángeles Carranza
Ingeniero Quimíco por la UNAM. Ingeniero de Ventas para la empresa Alfa Laval México, área refrigeración. Ha cursado diplomados en Análisis de Riesgo Ambiental, y en Energía. Desarrollo sustentable y efectos en el medioambiente.