El interés por el dióxido de carbono como refrigerante nunca había sido tan notable como ahora, sobre todo en el segmento de venta de alimentos al menudeo. Y como tal existe mucha discusión con respecto a la eficiencia energética que ofrece, la cual se centra en dos aspectos: el desempeño climático de su ciclo de vida y el factor financiero
James K. Knudsen
El Rendimiento Climático del Ciclo de Vida (LCCP, por sus siglas en inglés) es un método estándar para la comparación de tecnologías, referente a los efectos que éstas tienen sobre el cambio climático, medido por la liberación equivalente aproximada de libras de díoxido de carbono (CO2). Los sistemas de refrigeración tradicionales a base de HFC tienen dos componentes fuertes para LCCP: la contribución directa e indirecta.
El componente de la contribución directa es el resultado de la liberación del refrigerante a la atmósfera y se basa en el potencial de calentamiento global (GWP) del refrigerante (al igual que el LCCP, el GWP se basa en el efecto de la sustancia sobre el cambio climático en comparación con el CO2). La liberación de refrigerante nunca debe ser intencional (actualmente es ilegal en la mayoría de las jurisdicciones); sin embargo, ocurre rutinariamente durante la vida útil de un sistema de refrigeración de supermercados, por lo general a través de fugas. Si bien es posible minimizarlas, el uso y manejo de refrigerantes con bajo GWP como el dióxido de carbono puede lograr que este efecto sea insignificante (el CO2 tiene un GWP de 1, en comparación con ~4000 para un refrigerante como el R-404A). Con respecto al tema de las fugas, cabe destacar que existen normas y reglamentos que pueden agregar sanciones financieras a las multas ambientales asociadas con las fugas de refrigerantes.
La contribución indirecta, por su parte, se debe al efecto de la energía utilizada en el funcionamiento del sistema de enfriamiento. Cuanta menos energía se necesite para operar el equipo, más bajo será su impacto ambiental. Dado que estos dos componentes en un sistema tradicional de HFC, directo e indirecto, son de aproximadamente la misma magnitud, incluso un sistema de GWP relativamente ineficiente puede proporcionar aún beneficios relacionados con sus efectos sobre el cambio climático.
Factor financiero y eficiencia energética
La justificación financiera es tal vez el aspecto más importante para la adopción de los sistemas de CO2 en América, debido a que éstos resultan más caros que los sistemas de refrigeración convencionales. Esto porque operan a altas presiones (agregando costos a los componentes) y son más complicados que los sistemas HFC tradicionales, ya que requieren accesorios adicionales, como una línea de derivación con válvula, una válvula de alta presión transcrítica en la salida del enfriador de gas refrigerante y controles adicionales. Asimismo, los sistemas de CO2 todavía no tienen un volumen de compras en América que permita reducir los costos de los componentes y de la instalación.
Para estar justificados financieramente deben superar este desembolso inicial de capital, a fin de proporcionar reducciones continuas en los costos de operación.
Claramente, existen consideraciones de índole financiera, como la relacionada con los impactos regulatorios y sociales a largo plazo de los sistemas de CO2 que son mucho más difíciles de cuantificar. No obstante, si utilizamos un modelo financiero simplificado que considere sólo el tema de la eficiencia energética para justificar el desembolso de capital adicional, su adopción será mucho más sencilla.
En virtud de sus propiedades físicas como refrigerante, el dióxido de carbono comporta algunos desafíos inherentes con respecto a su desempeño energético en comparación con los HFC. Estos desafíos surgen de la alta presión de trabajo (más de 1000 psi versus los 200 psi del R-22) y el rendimiento relativo a través de los procesos de expansión y de rechazo de calor. Si bien estas desventajas parecen ser importantes, hasta una penalización del 20 por ciento, éstas pueden mitigarse mediante un buen diseño del sistema.
Por otro lado, el CO2 posee propiedades que ayudan a la eficiencia del sistema en aplicaciones de supermercados, incluida una excelente eficiencia volumétrica (más de seis veces el efecto de enfriamiento por volumen del R-22), baja relación entre presiones de entrada y salida en el compresor y baja viscosidad (es más fácil de bombear). Además, en los últimos años se han desarrollado nuevas tecnologías que aprovechan mejor sus propiedades únicas, a fin de maximizar su eficiencia.
Ahorro de energía en Sistemas de HFC y CO2
Para volver todavía más complicada esta discusión, cabe señalar que existen tecnologías utilizadas en los sistemas de CO2 que también son aplicadas en los equipos tradicionales de HFC, y con buenos resultados. Estos elementos pueden lograr que el costo inicial de un sistema que opera con CO2 parezca incluso más alto en comparación con uno de HFC básico; sin embargo, estas aplicaciones pueden ser analizadas por separado y estar justificadas financieramente en cualquier tipo de sistema. Muchos supermercados han descubierto que implementar tecnología avanzada de ahorro energético en sistemas de HFC vale la pena en términos de costos.
A grandes rasgos, existen tres tecnologías clave que entran en esta categoría:
- Electrónica: las válvulas de expansión electrónica con controladores de cámaras y vitrinas permiten que la presión de succión sea optimizada para minimizar la carga en los compresores a medida que cambian las condiciones
- Variadores de velocidad: su uso posibilita que la capacidad del compresor y del condensador o enfriador de gas coincida con los cambios en la carga
- Recuperación de calor: al utilizar el calor residual del ciclo de refrigeración, particularmente en sistemas HFC, se emplea para complementar los requisitos de agua caliente de la instalación, debido a la baja calidad (es decir, baja temperatura) del calor residual.
En los sistemas de enfriamiento de CO2, la temperatura del calor residual resulta mucho mayor, lo que permite que ésta pueda utilizarse para generar agua caliente, calefacción de confort, recalentamiento de deshumidificación, regeneración del desecante, etcétera.
Diseño a la medida
Las tecnologías específicas de dióxido de carbono consideran el diseño del sistema. Por ejemplo, los sistemas Booster acomodan la tubería del compresor para permitir que el compresor de baja temperatura ayude a impulsar la presión de succión de los compresores de media temperatura, ahorrando trabajo y energía.
La compresión paralela utiliza una porción de la capacidad del compresor de media temperatura, para recuperar y volver a comprimir a una relación de compresión más baja, el flash gas que es formado cuando el vapor comprimido sale del enfriador de gas que es expandido y permitir que se condense en líquido. Es posible que una gran parte del flash gas en el recibidor se considere como pérdida de capacidad para el sistema, por lo cual recuperar esta capacidad mediante una cantidad mínima de trabajo puede aumentar la eficiencia del mismo hasta en 20 por ciento durante la operación transcrítica.
El desarrollo más reciente es un dispositivo llamado multi-eyector; éste puede utilizar el gas de alta presión que sale del enfriador de gas y aprovechar la diferencia de presión que normalmente se desperdicia en el elemento de expansión, para así incrementar la presión del flash gas, lo que permite que sea introducida en la succión de los compresores en paralelo, reduciendo el trabajo necesario para aumentar la presión del gas refrigerante.
Esta tecnología es de suma efectividad para lidiar con uno de los aspectos más ineficientes de la refrigeración a base de dióxido de carbono, además de que supera las desventajas inherentes de los sistemas transcríticos de CO2 en zonas de clima cálido.
Resumen de ahorro de energía
A continuación, se muestran los números representativos para aplicaciones de CO2 en climas cálidos, luego de un año completo de operación:
Aunque las mejoras energéticas en climas más fríos pueden ser más bajas, la eficiencia general de los sistemas transcríticos aumenta con temperaturas ambiente más frías (es decir, menos tiempo de funcionamiento en modo transcrítico). No se incluye en este resumen el uso de condensadores/refrigeradores de gas adiabáticos o evaporativos, que pueden proporcionar otro cinco por ciento más de eficiencia en cualquier tipo de sistema. De hecho, con atención adicional al diseño del sistema, es posible configurar un refrigerador de gas de CO2 transcrítico para lograr un ahorro sustancial de agua, hasta 80 por ciento menos consumo que un evaporador de HFC. Las actuaciones de estos dispositivos varían con el clima local y son específicos para cada sistema. En este sentido, se trata de otra tecnología interesante que deberá contemplarse.
Si bien este análisis está lejos de ser riguroso o absoluto para todas las aplicaciones, el propósito de este artículo ha sido resumir la situación de las tecnologías disponibles, a fin de ofrecer una visión más clara de lo que es posible lograr en la actualidad. De este modo, la tecnología de CO2 transcrítica está lista para implementarse en casi cualquier región climática del mundo, además de que puede proporcionar beneficios ambientales y financieros sustanciales.
James K. Knudsen
Gerente del segmento de Food Retail para América del Norte de Danfoss. Licenciado en Física por la Universidad Estatal de Michigan y MBA Ejecutivo por el Baldwin-Wallace College, ha ocupado puestos en Desarrollo Comercial, Internacional, Desarrollo de Productos e Ingeniería. Líder en industrias tan diversas como la fabricación y refrigeración de semiconductores, componentes y controles, fue nombrado uno de los 25 principales Movers and Shakers en refrigerantes naturales por la revista Accelerate America en 2017.
