Tendencias Tecnológicas Sustentables en la Industria de la Refrigeración Comercial

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1 Tendencias Tecnológicas Sustentables en la Industria de la Refrigeración Comercial Ing. Carlos C. Obella Director Técnico para América Latina Emerson Climate Technologies Inc. Miami, Florida, EEUU Existen tres tendencias globales a las que la industria de la refrigeración y el aire acondicionado deben dar respuesta inmediata: Sustentabilidad, Escasez de la Energía y la incorporación Controles Electrónicos cada vez más sofi sticados. En realidad, ya lo está haciendo, cuando busca nuevas alternativas para la aplicación de refrigerantes con GWP (Global Warming Potential) más bajo. O cuando busca soluciones que permitan disminuir el riesgo de posibles fugas y su impacto directo sobre el medio ambiente; ya sea mediante la detección temprana de ellas o mediante la disminución considerable la carga de gas refrigerante en los sistemas. Lo mismo cuando se diseñan sistemas energéticamente más efi cientes, gracias a la aplicación de compresores que operan con novedosas estrategias de modulación y que agregan sofi sticados, controles electrónicos. Los controles electrónicos permiten la total integración de los equipamientos, y abren la posibilidad de comunicación con diversos propósitos, tales como el gerenciamiento energético, diagnóstico y la protección del sistema. Existen tres factores claves que hoy en día impulsan una serie de cambios en la industria de la refrigeración comercial específi camente: El primero tiene que ver con la sustentabilidad, en términos de reducción del impacto ambiental debido a la actividad de nuestra industria. El segundo es la necesidad de optimizar costos operativos, en un clima de altísima competitividad. Y el tercero es la eliminación adelantada de los refrigerantes clorados, específi camente el R22, en economías maduras, extendiéndose rápidamente esta misma tendencia para países emergentes. Analicemos un poco más en detalle cuales son las principales fuentes de emisión de CO2 para tener una mejor idea de la magnitud de la infl uencia atribuible a nuestra industria sobre el total global.

2 Como vemos, apenas un 10% del total de las emisiones, tanto directas como indirectas, son atribuibles a aplicaciones de aire acondicionado y refrigeración. El resto de la actividad humana tiene un peso muchísimo mayor, especialmente el área de transporte e industrial. El 10% que mencionamos arriba, es el resultado de la suma de dos tipos de impacto, directo mas indirecto, lo cual genera el llamado impacto total equivalente o TEWI, medido en masa equivalente de CO2. El impacto directo se relaciona directamente con los escapes de gas refrigerantes con un GWP mayor que uno a la atmosfera. GWP = 1 es el valor base asignado al CO2. De ahí lo de masa de CO2 equivalente. El R22, por ejemplo, tiene un impacto veces mayor por unidad de masa que el CO2. El impacto indirecto se relaciona con el consumo energético del sistema. Depende, a su vez, de cuál sea la fuente de generación de la energía que ese sistema consuma. Por lo general, la electricidad es aun generada, en su mayoría, por plantas térmicas que queman combustibles fósiles, que a su vez generan CO2 como producto de la combustión. Aun en los casos en que la energía sea generada por represas hidroeléctricas, la eliminación de grandes espacios poblados de arboles, cubiertos por las aguas de los grandes lagos que generan los embalses, tiene un impacto indirecto medible y considerable. Pongamos estos conceptos en la perspectiva de los sistemas de refrigeración comercial.

3 Por ejemplo, en sistemas con baja carga de gas refrigerante (unidades condensadoras, sistemas distribuidos, chillers, equipos de aire acondicionado, sistemas herméticos, etc.), el riesgo de fugas es menor, los tendidos de tuberías son más cortos o no existen casi, los compresores son en su mayoría herméticos, etc. Esto hace que el impacto indirecto tome una mayor importancia frente al directo, bajo el punto de vista de la efi ciencia energética. En cambio, para un sistema que posee una gran carga de gas refrigerante, como los sistemas centralizados de locales comerciales grandes, el peso del impacto directo será mucho mayor. Tal es el caso de un sistema centralizado de refrigeración de un supermercado, cargado con R404A, por ejemplo. Este tipo de sistemas poseen largos tendidos de tuberías cargadas de refrigerante, que comunican las salas de máquinas con evaporadores y condensadores distantes. Las fugas son casi inevitables, fundamentalmente en las salas de máquinas, equipadas con compresores semi-herméticos, debido al efecto de las vibraciones sobre innumerables conexiones roscadas. Hablar de porcentajes de fuga del orden del 15 al 20% de la carga total de refrigerante al año, no es para nada exagerado. Para este tipo de sistemas centralizados grandes, el Impacto total se transforma en un tema de efi ciencia, si se controlan y reducen las fugas, disminuyendo la carga de gas. Por lo tanto, los refrigerantes con menor GWP que se apliquen, deben operar con igual o mayor efi ciencia en el sistema.

4 El R404A, lo mismo que R507 han venido siendo ampliamente difundidos en aplicaciones de refrigeración comercial, a partir de la paulatina desaparición del R22. Como se ve en la grafi ca, el R404A es muy discutible como solución sustentable, en temimos de impacto directo, debido a su alto GWP, especialmente para sistemas con grandes cargas de gas. El R407A & C aparece como alternativa muy interesantes para reducir hasta en un 50% el impacto directo en sistemas centralizados grandes, aplicando un refrigerante con un GWP más bajo que el del R404A, con los mismos componentes que se aplican con el tradicional R22 básicamente. Si bien el R134a presenta un valor de GWP más bajo, su aplicación está restringida a alta y media temperatura. Comparativamente, requiere mayores desplazamientos para alcanzar una misma capacidad, lo cual impacta en el tamaño y el costo el sistema. En base a los tres factores planteados más arriba, y como parte de las respuestas y tendencias que nuestra industria está siguiendo en un panorama global, podemos plantear algunas opciones posibles de arquitectura de sistemas de refrigeración comercial, tomando como base el clásico sistema centralizado de expansión directa con R404A, y compararlo con sistemas distribuidos (también de expansión directa), sistemas de ciclo secundario, sistemas compactos o modulares de ciclo secundario y sistemas de tipo cascada. Las cargas frigorífi cas totales para media y baja temperatura se mantienen a lo largo de toda esta comparación. La ubicación geográfi ca es siempre la misma, y las comparaciones energéticas anuales tienen en cuenta las variaciones diarias y estacionales de la temperatura ambiente exterior.

5 Hablemos primero de los sistemas centralizados de expansión directa, tomados como base para la comparación. Este tipo de arquitectura es la más conocida y aplicada en nuestra industria hoy en día. Cuenta con largos tendidos de tuberías, llenos de gas refrigerante, que alcanzan evaporadores remotos, desde una sala de máquinas, lo cual acrecienta el riesgo de fugas. Estos sistemas son comparativamente muy efi cientes, aunque su rendimiento está penalizado por el sobre-calentamiento en las líneas de succión y en las de líquido sub-enfriado, además de las pérdidas de carga en la línea de succión específi camente. Antes de hablar de la siguiente alternativa en arquitectura de sistemas, es necesaria una breve introducción al concepto aplicado en los compresores scroll que allí se aplican. Este concepto tecnológico se denomina inyección de vapor, la sigla en inglés es EVI o enhanced vapor injection. En resumen, una parte del líquido que sale del condensador, se expande dentro de un intercambiador de calor para sub-enfriar el líquido que va al evaporador. El vapor sobre-calentado que sale del intercambiador es inyectado entre las espirales del compresor scroll, como parte de un proceso similar al de un economizador en un sistema de compresión en dos etapas. El aumento del salto entálpico en el evaporador se traduce en un gran incremento de la capacidad para un mismo desplazamiento, frente a un muy pequeño incremento del consumo energético del compresor. Este efecto es tanto mayor, cuanto mayor sea el radio de la compresión. Esto último explica la ventaja de aplicar este concepto fundamentalmente en ciclos para baja temperatura.

6 En la arquitectura distribuida de expansión directa, los sistemas de refrigeración son más pequeños y más simples. Se instalan más cerca de los evaporadores; por lo general el techo del supermercado. Este tipo de arquitectura presenta varias ventajas frente a una centralizada. No requiere sala de máquinas, lo cual permite un mejor aprovechamiento de la superfi cie de ventas. Los tramos de tuberías son más cortos, por lo que las pérdidas de carga y por sobre-calentamiento en las líneas de succión son mucho menores. Los compresores scroll son herméticos y la carga de gas es mucho menor a la de un sistema centralizado, por lo que el riesgo de fugas se reduce considerablemente. La aplicación del concepto de inyección de vapor permite independizar el sub-enfriamiento del sistema de baja del de media temperatura, aumentando su rendimiento. Si bien la instalación es más rápida y sencilla, habrá un mayor número de sistemas que conectar, arrancar, operar y mantener. Además, la ingeniería civil del supermercado debe tener en cuenta el peso adicional y la ubicación de estos equipos, junto a otros servicios que también se instalan en el techo. Los sistemas de ciclo secundario emplean un fl uido intermediario, que es enfriado por un sistema de refrigeración convencional, equipado con intercambiadores de placas para tal fi n. El fl uido intermediario es bombeado a los intercambiadores de calor en las vitrinas y los cuartos fríos del supermercado. En este caso, uno de los intercambiadores del sistema de media, sub-enfría el líquido del de baja. El fl uido intermediario de este último es CO2, que evoluciona, a su vez, a través de los intercambiadores de las vitrinas y los cuartos fríos de baja temperatura, impulsado por bombas, sin cambiar en ningún momento su estado líquido. El gas refrigerante empleado para refrigerar los fl uidos intermediarios nunca abandona la sala de máquinas. Los tramos de tuberías son todavía más cortos que el caso anterior, por lo que el riesgo de fugas, la carga de gas, las pérdidas de carga y por sobrecalentamiento en las líneas de succión son mucho menores todavía. De todas maneras, el intercambio secundario agrega algunas inevitables inefi ciencias.

7 Los sistemas compactos de ciclo secundario son similares al caso anterior. También emplean fl uidos intermediarios, que son enfriados por intercambiadores de placas. La confi guración del sistema es modular, en este caso. Cada módulo puede contar con uno o más compresores, con sus correspondientes intercambiadores de calor para fl uido intermediario y condensación por agua. Una vez más, el fl uido intermediario es bombeado a los intercambiadores de calor en las vitrinas y los cuartos fríos del supermercado. El fl uido intermediario del sistema de baja es CO2, impulsado por bombas, sin cambiar en ningún momento su estado líquido. Los compresores scroll son ideales para este tipo de sistemas, gracias a su menor peso y tamaño. En este caso, los compresores del sistema de baja están equipados con inyección de vapor. El gas refrigerante empleado para refrigerar el fl uido intermediario nunca abandona la sala de máquinas. Una vez más, los tramos de tuberías son extremadamente cortos, por lo que la carga de gas, las pérdidas de carga y por sobre-calentamiento en la líneas de succión son mucho menores todavía, lo mismo que riesgo de fugas. El enfriador de agua requiere mantenimiento adicional, en comparación con la condensación por aire, que ha venido considerándose en los casos anteriores. Por último veamos la arquitectura en cascada. En este caso, un sistema secundario refrigera, mediante intercambiadores de placa, el fl uido intermediario que es bombeado a las vitrinas y cuartos fríos de media temperatura. Uno de los intercambiadores de placa del sistema de media es, a su vez, el condensador del sistema de baja, que funciona con CO2 en un ciclo sub-crítico de compresión de vapor y expansión directa. En este caso, si hay cambio de estado por parte del CO2. Los compresores del sistema de baja temperatura son scroll, lo que aporta efi ciencia, bajo nivel de ruido, menor peso y tamaño. Este tipo de sistemas son más complicados que los anteriores. Su efi ciencia es comparable, en términos generales. Simplifi ca la solución para el sistema de baja temperatura con CO2, en comparación con los casos anteriores. La carga de gas es muy baja, y solo el CO2 (GWP = 1) abandona la sala de máquinas.

8 Es tiempo de resumir comparativamente las cinco arquitecturas descritas. Como ya hemos visto, en las arquitecturas centralizadas, empleadas como base del estudio, la efi ciencia se ve fuertemente penalizada por el sobre-calentamiento y las pérdidas de carga en las largas líneas de succión. La carga de gas es grande y el porcentaje de fugas anual es muy alto. Los sistemas distribuidos son menos sensibles a las pérdidas parásitas, gracias a sus tuberías más cortas, lo que los hace más efi cientes, e incluso se ajustan mejor a la variación de la carga frigorífi ca, con un riesgo de fugas menor. En los sistemas de ciclo secundario, las tuberías más cortas compensan en alguna medida, la inefi ciencia del intercambio secundario, aunque no lo sufi ciente para hacerlos más efi cientes que los dos casos anteriores. La carga de gas es menor, lo mismo que el riesgo de fugas. Los sistemas de ciclo secundario compactos mejoran su efi ciencia gracias a la condensación por agua, con una carga de gas refrigerante mucho menor. Por último, los sistemas en cascada no son necesariamente más efi cientes, aunque la carga de gas es pequeña y el riesgo de fugas es bajo. Un análisis similar puede hacerse bajo el punto de vista del impacto ambiental, en términos de Impacto Total Equivalente de Calentamiento (TEWI). Como hemos visto, el valor asignado al impacto directo es signifi cativo en la arquitectura centralizada, debido a la gran carga de gas, largos tendidos de tubería y alto riesgo de fugas. La arquitectura distribuida presenta una mejora signifi cativa en su impacto total, gracias a una menor carga gas, tuberías más cortas y

9 menor riesgo de fugas, con un impacto indirecto también menor, gracias a una mayor efi ciencia, debido a la aplicación de tecnologías scroll optimizadas. Los sistemas secundarios presentan un impacto total aun menor, fundamentalmente por la incidencia de una carga de gas considerablemente más chica. Lo mismo ocurre con los sistemas compactos de ciclo secundario, donde el impacto indirecto es pequeño, gracias a una mayor efi ciencia lograda al condensar por agua. Finalmente, los sistemas en cascada son efi cientes en baja temperatura con CO2 sub-crítico, aunque no tanto en media, con un impacto total menor al de un sistema de ciclo secundario, gracias a la aplicación de CO2 sub-crítico (GWP = 1) en baja temperatura. Si bien, al momento de decidir por tal o cual arquitectura de sistema, el impacto ambiental es importante, también hay otros aspectos a tener en cuenta, como el costo total de inversión inicial tanto del sistema en si, como el de su instalación, además del costo de operación, el cual involucra el consumo energético y el costo por mantenimiento a la largo la vida útil del sistema. La familiaridad técnica requerida para la instalación, puesta en marcha, operación y mantenimiento es también un punto muy importante a tener en cuenta. Incluso, ciertas cadenas de supermercados dan a la imagen un papel preponderante, al mostrar respeto por la comunidad que los rodea y el medio ambiente, además de ofrecer mayores espacios de ventas arquitectónicamente más confortables. Y cuál es el futuro de los refrigerantes? Esta es una pregunta que recibimos a diario, para la cual no hay una respuesta absoluta. Específi camente, el impacto directo y la infl amabilidad son obstáculos contrapuestos a vencer. Como veremos, por lo general, las alternativas con menor GWP tienden a mostrar un cierto grado de infl amabilidad, mientras que las alternativas más seguras poseen GWP más altos, excluyendo al CO2 de este análisis preliminar.

10 El cuadro muestra las consideraciones a tener en cuenta bajo el aspecto de la Seguridad. Infl amabilidad y Toxicidad específi camente. En resumen, los refrigerantes más comunes y conocidos no son infl amables ni tóxicos y están en la categoría A1. Otros refrigerantes con cierto grado de infl amabilidad y baja toxicidad aparecen en la categoría intermedia A2L. Como veremos, esta categoría esta bajo discusión hoy en día, ya que agrupa un número signifi cativo de posibles alternativas de bajo GWP. Mientras que A3 agrupa a los que pueden considerarse como defi nitivamente infl amables. Como hemos visto, los refrigerantes naturales bajo discusión, presentan algún grado de infl amabilidad. Este gráfi co muestra la relación entre la velocidad de propagación y la energía generada durante la combustión de algunos posibles refrigerantes alternativos. Dentro de la clase 2 están varias de las alternativas más populares hoy en día. La subdivisión 2L agrupa a aquellos refrigerantes con baja velocidad de propagación de llama (< 10 Cm/Seg) y baja energía producida durante la combustión (< 20 MJ/kg). Puede verse claramente donde van a parar los HC (clase 3, con alta infl amabilidad) y el porqué de ello.

11 Un nuevo análisis muestra la relación entre la concentración mínima necesaria para generar una llama y la energía mínima requerida para tal fi n. Tanto el R32 como el HFO-1234yf escapan del grupo de gases infl amables, que son HC en su mayoría. La pregunta es: pueden considerarse a estos dos refrigerantes como infl amables cuando requieren veces más energía para la ignición, además de altas concentraciones presentes para generar una llama, con una baja velocidad de propagación y poco calor generado? El HFO-1234yf ha aparecido recientemente como una alternativa viable en aplicaciones de transporte, fundamentalmente, en reemplazo del R134a. El HFO-1234yf posee excelentes propiedades ambientales, con muy bajo GWP y ODP = 0. No presenta deslizamiento como las mezclas zeotrópicas, es estable, con un buen rendimiento, compatible con componentes para R134a y su muy baja infl amabilidad no debe ser un problema. Este es un gráfi co muy interesante que intenta mostrar diversos caminos posibles que la industria de la refrigeración puede llegar a tomar, a partir de las opciones actuales más comunes. El camino 1 muestra la posible evolución hacia mezclas con un menor GWP, una capacidad similar o algo superior a la del R22 & R404A/507, y presiones de operación similares. El camino 2 muestra la posible evolución hacia opciones de más capacidad, menor GWP y presiones de operación más altas. El camino 3 muestra la posible transición a refrigerantes con menor GWP, capacidad algo menor y presiones de operación más bajas. Los colores identifi can las correspondientes categorías de infl amabilidad. Es importante tener en cuenta que existe una relación inversa entre la capacidad y el tamaño / costo del sistema. Es decir que a mayor capacidad, el sistema tendrá un tamaño menor y, consecuentemente un costo menor. Irán apareciendo más opciones de menor GWP a corto y mediano plazo. Fundamentalmente mezclas. Debe hacerse un análisis de

12 rendimiento durante el ciclo vida (LCCP), teniendo en cuenta la efi ciencia del sistema y el costo de aplicación total, antes de tomar cualquier decisión. Esta es otra forma de plantear el análisis que venimos llevando adelante. En este caso, la comparación se basa en impacto ambiental, teniendo en cuenta la potencial toxicidad e infl amabilidad; el impacto sobre el sistema, y el impacto sobre el compresor específi camente. Como se puede observar, ninguna de las opciones propuestas ubica todos los puntos sobre el perímetro ideal de la circunferencia empleada como base de referencia para el análisis. En esta otra forma de análisis comparativo se ve una vez más que ninguna de las alternativas cubren en un 100% lo que los tradicionales HFC ofrecen hoy, pese a sus indiscutibles falencias en términos de impacto ambiental. Conclusiones fi nales Las arquitecturas de los sistemas de refrigeración comercial están cambiando dinámicamente. Hay varios factores que deben ser evaluados en conjunto al momento decidir por tal o cual posible arquitectura y/o refrigerante alternativo aplicado. El propósito fi nal es disminuir el Impacto Ambiental Total, a lo largo de la vida útil del equipamiento. Esto implica disminuir el impacto directo, disminuyendo la carga de gas refrigerante y el riesgo de fugas, aplicando refrigerantes con un GWP más bajo, que además sean capaces de hacer que el sistema sea energéticamente más efi ciente. El costo inicial y de operación del sistema no puede dejarse de lado. Como tampoco la complejidad y la familiaridad que los operadores tengan con las diversas opciones tecnologías aplicadas.