Primera parte de la conferencia en Refriaméricas 2023 del Ing. Ernesto Sanguinetti, Gerente de Ingeniería en Cold Import S.A.
Introducción
A lo largo de la historia el uso de refrigerantes en aplicaciones de refrigeración y aire acondicionado ha ido cambiando, tal como se puede apreciar en el gráfico siguiente:
Esa evolución desde los primeros refrigerantes que se usaron, los que estamos usando ahora y los que usaremos en el futuro obedece a varios factores dentro de los cuales podemos mencionar:
- Factores de Seguridad (toxicidad, inflamabilidad, otros)
- Factores medioambientales (daño a capa de ozona, calentamiento global)
- Factores de desempeño termodinámicos y energéticos (presiones, densidades, volúmenes específicos, COP, EER,SEER y otros)
- Factores económicos y disponibilidad
- Factores regulatorios
¿Son peligrosos los refrigerantes?
Podemos decir que sí, que todos los refrigerantes son peligrosos porque de una u otra manera producen o pueden generan problemas al usarlos:
A.- Casi todos pueden producir “quemaduras” si agarramos o tocamos líneas de descarga (+55°C y más) y/o líneas de succión (-5°C y menos). Ver puntos 2 y 1 respectivamente en los diagramas:
Igualmente “quema” si escapa refrigerante desde su envase metálico y descarga sobre alguna parte de nuestra piel (descarga a presión atmosférica).
B.- Muchos producen problemas respiratorios cuando fugan y hay vapor que desplaza el aire en la habitación o sala de máquinas. Tomar en cuenta por ejemplo:
Densidad del aire: 1.2 Kg/m3m; densidad del amoniaco: 0.723 Kg/m3 (es más liviano que el aire, obliga a colocar sensores a 1.50 m. de altura sobre el suelo); y densidad del Dióxido de Carbono: 1.98 Kg/m3 (es más pesado que el aire, obliga a colocar sensores a 0.30 m. y para mayor seguridad también a 1.50m de altura sobre el suelo).
¡Cuidado al trabajar con el Dióxido de Carbono o R-744 porque además trabaja con muy altas presiones comparado con cualquier otro refrigerante!.
C.- Algunos intoxican cuando se inhalan.
D.- Algunos son poco inflamables, otros poco inflamables.
E.- Algunos dañan la capa de ozono y producen “efecto invernadero”, y otros solo producen “efecto invernadero”.
F.- Hasta el agua y el aire que como refrigerantes secundarios para casi todas las aplicaciones son indispensables, son indeseables cuando se mezclan con el refrigerante principal dentro de los circuitos porque originan problemas de funcionamiento de los equipos.
Efecto Invernadero y Calentamiento de la Atmósfera
No hablaremos sobre el problema de depleción de la capa de ozono terrestre que causan los refrigerantes que en su composición contienen cloro, porque ya lo hemos hecho anteriormente, se conocen sus efectos y se está en últimas etapas de eliminación su importación y uso de ellos. Por lo tanto, hablaremos del otro problema: nuestro planeta tierra devolvía al espacio energía térmica mediante radiaciones de onda larga (infrarroja) luego de recibir energía térmica en onda corta (ultravioleta y luz visible) proveniente del sol, manteniendo un equilibrio térmico que permitía tener temperaturas atmosféricas estables de acuerdo a las estaciones y ubicación geográfica de los continentes. Los climas y sus temperaturas a lo largo de los años eran previsibles.
Pero debido a las emisiones de Gases de Efecto Invernadero “GEI” (emisiones antropogénicas porque son causadas por el hombre), la temperatura de la atmósfera está aumentando porque la Tierra devuelve al espacio un poco menos de energía de la que normalmente devolvía hacia el espacio, debido a que esos gases dificultan y disminuyen la salida de energía hacia el espacio, aumentando la temperatura del aire. A ello se denomina calentamiento atmosférico o calentamiento global.
Estudios demuestran que desde 1850 hasta ahora hay un incremento promedio entre 1°C a 1.2°C de la temperatura del aire ambiente y si la tendencia actual del crecimiento de emisiones de GEI continúa, al final del siglo podríamos llegar a aumentos de 3 a 4°C, con consecuencias funestas e irreversibles para nuestro planeta. Felizmente los países han firmado Protocolos, Acuerdos y Convenios que ojalá se cumplan para no llegar a esos extremos.
Gases que producen efecto invernadero
Los principales gases que se quedan en la TROPOSFERA produciendo el fenómeno que se ha denominado “efecto invernadero” que origina el Calentamiento Atmosférico o Calentamiento Global son:
Dióxido de Carbono (CO2)
Se produce por la combustión de combustibles fósiles usados en: Generación de electricidad en centrales térmicas, hornos para fabricación de cemento, ladrillos, acero, aluminio, vidrio; motores para propulsión de vehículos terrestres, marítimos y aéreos.
La deforestación también se considera como fuente porque perdemos un aliado crucial para mantener el exceso de carbono fuera de la atmósfera, porque los árboles y las plantas en general, a través de la fotosíntesis, captan el CO2 de la atmósfera y lo transforman en carbono orgánico que pasa a formar parte de la biomasa vegetal.
Una vez que está en la atmósfera, el dióxido de carbono puede seguir afectando al clima durante muchos años y por ser el gas más abundante que está produciendo éste efecto, se lo ha tomado como base para comparar el calentamiento global que producen otros gases, por ello su Potencial de Calentamiento Atmosférico (PCA) o en inglés Global Warming Potential (GWP), se considera como la unidad. PCA = GWP = 1. De allí nace lo que conocemos como HUELLA DE CARBONO porque toda emisión se compara con el efecto equivalente del CO2 que contiene Carbono.
Metano (CH4)
Cuya principal fuente es el ganado vacuno debido a que el estómago de ellos utiliza CO₂ e hidrógeno para generar metano (CH₄) y agua. La mayor parte de metano es eliminado hacia el medio ambiente mediante eructos y otra por flatulencia. El Metano (CH4), desaparece de la atmósfera por reacción química, aunque persiste durante unos doce años. Aunque el metano es un gas de efecto invernadero más potente (PCA = GWP = 21 a 28), su efecto es relativamente de corta duración.
Óxido Nitroso (NO2)
Tiene como fuentes principales de su presencia en la atmósfera:
-La agricultura, porque para que la tierra produzca más alimento es necesario utilizar fertilizantes nitrogenados cuyos excesos liberan principalmente óxido nitroso (N2O) y es muy difícil saber las dosis exactas en cada aplicación. La agricultura intensiva y la aplicación de fertilizantes también liberan nitratos al suelo y a las masas de agua.
-Combustión de combustibles, debido a que se emite CO2 pero también NO2. La cantidad de N2O que se emite depende del tipo de combustible, su pureza y de la tecnología de combustión, del mantenimiento de los equipos y de las prácticas operativas.
-Algunos procesos industriales, como derivado durante la producción de sustancias químicas como el ácido nítrico, que se utiliza para producir fertilizante comercial sintético, y en la producción de ácido adípico, que se usa para fabricar fibras (como el nylon) y otros productos sintéticos. También algunos tipos de residuos, como en el tratamiento de aguas residuales domésticas durante la nitrificación y desnitrificación del nitrógeno presente, usualmente en la forma de urea, amoníaco y proteínas.
El Oxido Nitroso (NO2), tiene PCA muy alto (PCA = GWP = 296), felizmente se emana poco hacia la atmósfera.
Los F-gases
Cuyas fuentes de emisión son:
–Fugas en los equipos de refrigeración y de aire acondicionado, que utilizan como sustancias de trabajo refrigerantes CFC (todavía los hay), refrigerantes HCFC, refrigerantes HFC; que tienen cloro y/o flúor en su composición.
–Aerosoles, que son básicamente envases donde se almacenan líquidos que se desean usar (pinturas, desodorantes, cremas para afeitar, perfumes, etc.) y contienen también gases a presión que sirven de propulsores o propelentes cuando se presiona la válvula de escape. Inicialmente como propulsor se usaban mezclas de CFC-11 y CFC-12 pero ahora se usan mezclas de propano (R-290) y butano (R-600) o iso-butano (R-600a). Con éstos últimos no se daña o se daña muy poco a la atmósfera; pero hay que tener bastante cuidado porque son fluidos inflamables.
–Aislantes térmicos, porque como agente de expansión en la fabricación de espumas aislantes como el poliestireno y el poliuretano se usaban inicialmente los refrigerantes CFC-11 y CFC-12 o más aún una mezcla de ellos; luego y hasta hace pocos años se usaba como agente de expansión del poliuretano el HCFC-141b. Por las regulaciones del Protocolo de Montreal y sus revisiones en Kioto y Kigali se empezaron a buscar otros fluídos expansores de menor impacto ambiental, hasta que se encontraron los espumantes denominados de la tercera generación con ODP = 0 (no dañan la capa de ozono) y GWP = muy bajo (no producen calentamiento global). Estos son hidrocarburos (HC) como el ciclopentano (C5H10) y el isopentano (C5H12). El primero de ellos ahora predomina en la producción de aislantes de poliuretanos rígidos.
Compromisos que tenemos en nuestra especialidad
Para reducir cada vez más el impacto medioambiental tanto de los refrigerantes como de equipos de refrigeración y de aire acondicionado tenemos dos compromisos:
1.-Utilizar refrigerantes con nulo o muy bajo Potencial de Calentamiento Atmosférico o Global (PCA = GWP). 2.-Utilizar equipos con la mayor eficiencia energética posible.
En ésta presentación estamos tratando principalmente sobre el primer ítem como un factor para la elección de un refrigerante. Pero paralelamente debemos realizar el análisis del segundo ítem porque la elección del refrigerante se hace desde la perspectiva de su eficiencia energética trabajando dentro de un equipo (reemplazo de refrigerante en equipo existente que utilizaba otro refrigerante con mayor PCA o en nuevo equipo diseñado para éste nuevo refrigerante).
Todo ello implica tener en cuenta el ahorro de energía buscando el menor costo evaluando adecuadamente las soluciones de eficiencia energética mediante análisis de impacto de costo-beneficio. Nota: Ya se han visto casos en que el refrigerante con el menor PCA no siempre es la “opción más ecoeficiente”.
Además, no olvidemos que la situación geopolítica, económica y medioambiental en cada país provocará que los precios de la energía sigan subiendo en los próximos años. El rendimiento energético y las ganancias económicas pueden ir de la mano y no son despreciables. Conciliar el menor consumo de energía, la mejor potencia frigorífica, el menor costo de los equipos más su instalación y mantenimiento será la regla general los próximos años.
Efecto Directo y efecto indirecto en el calentamiento global de los equipos de refrigeración y de aire acondicionado
Las fugas de refrigerante son Emisiones Directas y producen Efectos Directos en la atmósfera. Por otro lado, al usar equipos con alta Eficiencia Energética no solo se consigue ahorro de energía sino que también reducimos la “huella de carbono” porque si la energía eléctrica proviene de centrales térmicas de generación, también estaremos emitiendo menos CO2 a la atmósfera que es lo que denominamos Emisiones Indirectas que producen Efectos Indirectos en la atmósfera.
Se puede calcular el Equivalente de Impacto Ambiental Total (TEWI) durante la vida útil de un equipo, en Kilos o en Toneladas métricas de CO2 equivalentes, con cualquier refrigerante cargado en dicho equipo conociendo su PCA y los parámetros que aparecen en la siguiente relación:
Donde:
PCA = Potencial de Calentamiento Atmosférico, en Kg. CO2/Kg. de refrigerante. T = Tasa anual de refrigerante liberado a la atmósfera por fugas, en Kg. /año. V = Vida útil de la instalación, en años. C = Carga total de refrigerante al iniciar funcionamiento luego de su instalación, en Kg. R = Porcentaje de refrigerante recuperado si se remodela la instalación o se cambia totalmente. E = Consumo anual de energía eléctrica de toda la instalación, Kw-h /año. B = Emisiones de CO2 a la atmósfera debido al consumo de energía eléctrica de la instalación. El factor “B” depende de la Matriz Energética de cada país y ese dato generalmente lo proporciona el Ministerio de Energía. Por ejemplo en Perú producir 1 Kw-hr = 0.452 Kg de CO2 (dato del 2021).
La matriz energética del Perú se muestra gráficamente para el 2019 (donde aproximadamente el 38% de la energía eléctrica era producida por centrales térmicas) y la proyección que se tiene para el 2030:
