Cada vez son mayores las exigencias medioambientales que se aplican sobre los gases refrigerantes con potencial de calentamiento atmósferico.

Por esta razón, el sector del frío industrial se encuentra inmerso en una etapa llena de incertidumbres e inestabilidades normativas.  Hace tiempo que se trabaja en la búsqueda de un nuevo refrigerante sostenible, seguro y económico que dé un soplo de «aire fresco». La tendencia apunta al regreso a los refrigerantes naturales.

Situación del entorno

Años atrás ha quedado la prohibición de producir los gases refrigerantes (clorofluorcarbonos CFC, HCFC) según su potencial impacto en la capa de ozono (PCA). Éstos han ido reemplazándose progresivamente por otros también sintéticos, pero menos dañinos: mezclas de HFC y HFO.

Sin embargo, los principales fabricantes de gases refrigerantes (Solvay, Dupont, Linde, Kimikal, Honeywell, etc) tienen pendiente el reto de desarrollar nuevos refrigerantes alternativos más sostenibles, con buenas prestaciones termodinámicas y que sean operacionalmente viables.

Entorno normativo

La Unión Europea aprobó en 2014 el reglamento F-gas 517/2014 que limita el uso de gases refrigerantes con alto PCA (en inglés GWP). Este indicador establece el número de toneladas equivalentes de CO₂  por cada kg del gas refrigerante que lo cualifica.

No obstante, la tendencia global para medir el impacto de un fluido refrigerante en la atmósfera es la adopción de un nuevo indicador, llamado TEWI – Total Equivalente del Impacto en el Calentamiento – que reemplazaría al GWP (Potencial de Calentamiento Global). El TEWI es medido por la masa del total equivalente de CO₂ resultante de la suma del impacto directo generado por un escape de fluido refrigerante en el sistema (normalmente del 2%), y también del impacto indirecto generado por el CO₂ emitido en la producción de energía eléctrica equivalente.

La normativa F-gas fija las siguientes fechas futuras límite para la continuidad de los refrigerantes basados en gases flourados HFC:

• A partir del 1/1/2020:
  • PCA ≥ 150 para aparatos de aire acondicionado en espacios cerrados
  • PCA ≥ 2.500 en frigoríficos y congeladores comerciales sellados herméticamente
  • PCA ≥ 2.500 en equipos de refrigeración fijos excepto aquellos que operen a temperaturas por debajo de -50ºC
• A partir del 1/1/2022:
  • PCA ≥ 150 en frigoríficos y congeladores comerciales sellados herméticamente
  • PCA ≥ 150 en centrales frigoríficas multicompresor compactas, para uso comercial  con ≥ 40 kW, excepto en los circuitos primarios de sistemas en cascada, en que pueden emplearse gases con PCA <1.500
• A partir del 1/1/2025:
  • PCA ≥ 750 en sistemas partidos simples de aire acondicionado que contengan menos de 3 kg de HFC

Esta normativa también establece una reducción progresiva de las cuotas de comercialización que es del  30% en ciertos gases refrigerantes HFC para el periodo 2018-20.

Esto provocará la subida del precio por la mayor fiscalidad y el agotamiento de su inventario. Este escenario permite el relevo a refrigerantes naturales como el CO₂ y el NH₃  para determinadas instalaciones.

Clasificación de los refrigerantes

Por si esto fuera poco, el sector espera la publicación de un nuevo Reglamento de Seguridad en Instalaciones Frigoríficas que introducirá más rigor en la montaje, inspección y mantenimiento de nuevas instalaciones.

Los gases refrigerantes se clasifican en función de diferentes criterios:

1. Inflamabilidad a presión atmosférica y temperatura ambiente:
   • Grupo 1: no inflamables con cualquier concentración de aire
   • Grupo 2: límite inferior de inflamabilidad igual o superior al 3,5% en volumen cuando se mezcla con el aire
   • Grupo 3: límite inferior de inflamabilidad inferior al 3,5%
2. Toxicidad:
   • Grupo A: sin efectos adversos para una jornada laboral y concentraciones medias ≥ 400 ppm en volumen.
   • Grupo B: sin efectos adversos para una jornada laboral y concentraciones medias < 400 ppm en volumen.

Por tanto, por agrupación de los dos criterios anteriores, se obtiene la clasificación de seguridad:

• Grupo L1 de alta seguridad: A1 (no inflamable y no tóxico) como el CO₂
• Grupo L2 de media seguridad: A2, B1 y B2 (amoníaco o R-413A)
• Grupo L3 de baja seguridad: A3, B3 (altamente inflamables) como el propano

Cuadro comparativo

En el siguiente cuadro se compara una relación de gases refrigerantes clasificados en función de su impacto ambiental (PCA); su producción frigorífica volumétrica (q_v) y su clasificación de seguridad por código de color (i.e: grupo A3 en color rojo).

CO₂: una alternativa de futuro

Resulta paradójico que, después de todo lo que se ha escrito sobre el efecto de este gas en el calentamiento global, se posicione el dióxido de carbono (R744) como un gas refrigerante con recorrido a largo plazo debido a sus propiedades termodinámicas y su seguridad.

No en vano, es la mejor apuesta de una parte importante de fabricantes e instaladores de frío industrial, para grandes plantas frigoríficas, aunque también se empieza a ver en equipos autónomos.

Booster CO₂ con ciclo transcrítico

Se acompaña un ejemplo de la solución del ciclo de refrigeración que en un supermercado, cuyo diseño ha sido realizado con Coolpack. Este ciclo de refrigeración es la solución de diseño para prestar el servicio a un armario de congelación de pan en zona climática A (temp. amb. 32ºC).

En este ejemplo se observa que el rendimiento del ciclo es de un COP de 2,2 para una temperatura de descarga del segundo compresor de 71ºC.

Por tanto, el ciclo transcrítico del CO₂ es el más apropiado para zonas climáticas cálidas como es el caso de España (límite temp. crítica de 31 ºC del CO₂), cumple normatica ambiental y es una solución viable a largo plazo.

Sin embargo, tiene por contrapartida que la instalación requiere de mayor inversión y de instaladores cualificados.

Conclusión

El funcionamiento de un sistema de refrigeración depende en gran medida de las propiedades del gas refrigerante utilizado.

No existe el refrigerante perfecto para todas las aplicaciones, por lo que el proyectista deberá encontrar el equilibrio deseado entre múltiples variables: PCA, rendimiento (COP), temperaturas de descargas, aceites lubricantes, consumos energéticos, seguridad, eficiencia energética y TEWI, entre otros.