Las cámaras frigoríficas utilizaban refrigerantes con un alto potencial de calentamiento global (PCG) y propiedades nocivas para la capa de ozono (ODP). A medida que se endurecen las normativas internacionales y aumenta la concienciación medioambiental, existe una necesidad urgente de pasar a refrigerantes ecológicos, sustancias que minimizan el impacto medioambiental y proporcionan una refrigeración eficiente.

Este artículo analiza los motivos para adoptar refrigerantes ecológicos, examina las opciones más comunes, debate las ventajas y los retos, y ofrece orientación para su implementación en aplicaciones de cámaras frigoríficas.

¿Por qué pasar a refrigerantes respetuosos con el medio ambiente?

Preocupaciones medioambientales

1. Potencial de calentamiento global (PCG): Muchos refrigerantes convencionales (por ejemplo, el R-404A y el R-507) tienen un PCG de miles, lo que significa que incluso pequeñas fugas pueden contribuir de manera significativa a las emisiones de gases de efecto invernadero.
2. Potencial de agotamiento del ozono (PAO): Los refrigerantes más antiguos, como los clorofluorocarbonos (CFC) y los hidroclorofluorocarbonos (HCFC), contribuyen significativamente al agotamiento de la capa de ozono. Aunque se han eliminado gradualmente en virtud del Protocolo de Montreal, algunos HCFC (por ejemplo, el R-22) siguen utilizándose en equipos existentes.
3. Presión normativa: Regiones como la Unión Europea, América del Norte y partes de Asia aplican calendarios estrictos de reducción gradual (por ejemplo, la Enmienda de Kigali al Protocolo de Montreal) para eliminar los refrigerantes con alto PCA.

Factores económicos y operativos

1. Eficiencia energética: Los refrigerantes modernos respetuosos con el medio ambiente suelen presentar propiedades termodinámicas superiores, lo que se traduce en un menor consumo de energía y una reducción de los costes operativos a lo largo del tiempo.
2. Preparación para el futuro: Al adoptar refrigerantes con bajo PCA y sin PAO, los operadores de cámaras frigoríficas pueden evitar costosas remodelaciones o sustituciones de equipos cuando se endurecen las normativas.
3. Objetivos de sostenibilidad corporativa: Muchas organizaciones se han comprometido a alcanzar objetivos de cero emisiones netas o de reducción de carbono. La transición a refrigerantes respetuosos con el medio ambiente es un paso tangible hacia el cumplimiento de esos objetivos.

Categorías de refrigerantes respetuosos con el medio ambiente

Los refrigerantes ecológicos se pueden clasificar en dos grandes categorías: refrigerantes naturales y refrigerantes sintéticos con bajo PCA:

1. Refrigerantes naturales: sustancias que se encuentran en la naturaleza o que se obtienen fácilmente a partir de fuentes naturales. Algunos ejemplos son:
   • Amoníaco (R-717)
   • Dióxido de carbono (R-744)
   • hidrocarburos (por ejemplo, propano R-290, isobutano R-600a)
2. Refrigerantes sintéticos con bajo PCA: fluidos diseñados para sustituir a los HFC con alto PCA. La clase más destacada es:
   • hidrofluoroolefinas (HFO), como el R-1234yf y el R-1234ze.

Cada categoría tiene ventajas y consideraciones distintas, especialmente en el contexto de las aplicaciones en cámaras frigoríficas.

Refrigerantes naturales

Amoníaco (R-717)

• PCG y PAO: PCG = 0; PAO = 0.
• Rendimiento termodinámico: Sus excepcionales características de absorción y transferencia de calor hacen del amoníaco uno de los refrigerantes más eficientes desde el punto de vista energético, especialmente en instalaciones a gran escala.
• Inflamabilidad y toxicidad: Muy eficiente, pero moderadamente tóxico (clase B2 según ASHRAE 34) y no inflamable en concentraciones típicas de refrigeración. Es obligatorio disponer de una ventilación adecuada, detectar fugas y cumplir las normas de seguridad (por ejemplo, EN 378, ASHRAE 15).
• Aplicaciones en cámaras frigoríficas:
  • Almacenamiento industrial de alimentos: Ampliamente utilizado en plantas de procesamiento de carne y lácteos.
  • Almacenamiento agrícola en frío: habitual en instalaciones grandes y centralizadas (por ejemplo, almacenamiento de frutas, verduras y flores).
• Retos y mitigación:
  • Sistemas de seguridad: requiere materiales resistentes al amoníaco, un mantenimiento regular y personal bien formado.
  • Cumplimiento normativo: la normativa local puede limitar los sistemas de amoníaco cerca de espacios ocupados; a menudo es necesario disponer de salas de máquinas remotas.

Dióxido de carbono (R-744)

• PAG y PAO: PAG = 1; PAO = 0.
• Presiones de funcionamiento: Presiones muy altas (~8-10 MPa para refrigeración a temperatura media y ~3-4 MPa para refrigeración a baja temperatura). Se necesitan compresores y tuberías especiales de alta presión.
• Ventajas termodinámicas: Excelente capacidad de refrigeración volumétrica; muy adecuado para sistemas en cascada (compresores de CO₂ acoplados a un circuito secundario de refrigerante).
• Aplicaciones en cámaras frigoríficas:
  • Sistemas en cascada: A menudo se combinan con amoníaco (cascada de NH₃/CO₂) o un refrigerante secundario (circuito de glicol).
  • Sistemas de CO₂ transcrítico: Viables en climas más fríos, donde las temperaturas ambientales se mantienen por debajo de ~20 °C, para mantener una mayor eficiencia del ciclo.
• Retos y mitigación:
  • Equipos de alta presión: Mayor coste de capital para compresores, intercambiadores de calor y dispositivos de seguridad.
  • Sensibilidad a la temperatura ambiente: En regiones más cálidas, la eficiencia disminuye a menos que se emplee un enfriador de gas adiabático o compresión paralela.

Hidrocarburos (R-290, R-600a, R-1270)

• PCG y PAO: PCG < 5 (por ejemplo, R-290 PCG = 3; R-600a PCG = 3); PAO = 0.
• Inflamabilidad: Clasificado como A3 (altamente inflamable). Requiere un diseño cuidadoso para limitar el tamaño de la carga e implementar componentes a prueba de explosiones.
• Características de rendimiento:
  • R-290 (propano): Capacidad calorífica y eficiencia energética comparables o superiores a las de los HFC para aplicaciones de baja y media temperatura.
  • R-600a (isobutano): Se utiliza comúnmente en la refrigeración comercial y residencial a pequeña escala, pero es menos habitual en instalaciones de cámaras frigoríficas de gran tamaño debido a sus limitaciones en cuanto a inflamabilidad.
• Aplicaciones en cámaras frigoríficas:
  • Unidades de tamaño pequeño a mediano: Las cámaras frigoríficas con acceso directo y las cámaras frigoríficas con acceso lateral suelen tener una carga de hidrocarburos inferior a los límites reglamentarios (por ejemplo, <150 g en Europa para el R-290).
  • Sistemas split y unidades condensadoras: Existen unidades condensadoras de hidrocarburos especializadas para cámaras frigoríficas modulares en pequeños supermercados y tiendas de conveniencia.
• Retos y mitigación:
  • Limitaciones de carga: Normas como la IEC 60335-2-89 restringen la carga permitida por motivos de seguridad.
  • Requisitos de ventilación y sensores: Deben incluir componentes aptos para hidrocarburos, detección de fugas y ventilación adecuada para evitar mezclas inflamables.

Refrigerantes sintéticos de bajo PCA (HFC)

R-1234yf

• PCA y PAO: PCG ≈ 4; PAC = 0,
• Inflamabilidad: Ligeramente inflamable (clasificación A2L según ASHRAE 34).
• Rendimiento: Diseñado principalmente como sustituto del R-134a en aplicaciones automovilísticas y comerciales ligeras. En cámaras frigoríficas, funciona moderadamente bien a temperaturas medias (de −5 °C a +10 °C), pero menos bien a temperaturas muy bajas.
• Aplicaciones en cámaras frigoríficas:
  • Cámaras frigoríficas de temperatura media: En lugares donde el riesgo de inflamabilidad es controlable (por ejemplo, salas de máquinas específicas alejadas de las zonas públicas).
  • Potencial de reconversión: Los sistemas R-134a existentes pueden reconvertirse en algunos casos, aunque puede ser necesario cambiar la compatibilidad del aceite y algunos componentes menores (por ejemplo, las válvulas de expansión).
• Retos y mitigación:
  • Precauciones contra la inflamabilidad: Deben seguirse las directrices A2L: detección de fugas, ventilación y uso de componentes homologados para refrigerantes ligeramente inflamables.
  • Optimización del ciclo: Dado que las propiedades termodinámicas del R-1234yf difieren de las de los HFC, es fundamental ajustar el sistema (por ejemplo, el tamaño del condensador y del evaporador).

R-1234ze

• PAG y PAO: PAG ≈ 7; PAO = 0.
• Inflamabilidad: No inflamable (clasificación A1), lo que ofrece una ventaja sobre el R-1234yf en términos de seguridad.
• Rendimiento: Adecuado para refrigeración a temperatura media; en ocasiones puede sustituir al R-134a o al R-404A en situaciones de reconversión.
• Aplicaciones en cámaras frigoríficas:
  • Sistemas de rack de temperatura media: ideales para cámaras frigoríficas de supermercados y cámaras frigoríficas pequeñas y medianas que requieren un funcionamiento entre −5 °C y +5 °C.
  • Retrofits de plantas R-404A: Su menor PCA y sus presiones de funcionamiento similares lo convierten en un sustituto atractivo, aunque puede ser necesario realizar ajustes moderados de la capacidad.
• Retos y mitigación:
  • Compatibilidad con lubricantes: Requiere aceites POE; es posible que sea necesario convertir los compresores existentes basados en aceites minerales.
  • Ajuste del intercambiador de calor: Las curvas de presión-entalpía ligeramente diferentes requieren la recalibración de los condensadores y evaporadores.

Ventajas de los refrigerantes respetuosos con el medio ambiente en las cámaras frigoríficas

1. Reducción del impacto medioambiental: La eliminación o reducción drástica de las emisiones asociadas al PCA ayuda a alcanzar los objetivos de sostenibilidad de las empresas y a cumplir acuerdos internacionales como el Enmienda de Kigali.
2. Mayor eficiencia energética: Los refrigerantes naturales (amoníaco, CO₂, hidrocarburos) suelen presentar un coeficiente de rendimiento (COP) superior al de los HFC, lo que se traduce en una reducción de la factura energética.
3. Cumplimiento normativo e incentivos: Los primeros en adoptarlos pueden beneficiarse de incentivos fiscales, descuentos o financiación favorable, en función de las políticas regionales que promuevan el uso de refrigerantes con bajo PCA.
4. Fiabilidad operativa: Los sistemas refrigerantes ecológicos modernos, cuando se diseñan adecuadamente, pueden igualar o superar la fiabilidad de los sistemas tradicionales, especialmente a medida que los fabricantes optimizan los equipos para estos fluidos.
5. Resiliencia futura: A medida que se aceleran los calendarios internacionales de eliminación gradual de los refrigerantes con alto PCA, los equipos que funcionan con refrigerantes ecológicos se enfrentarán a menos riesgos de obsolescencia.

Caso práctico: Cascada de CO₂ en una instalación de almacenamiento en frío de alimentos

Un centro de distribución de alimentos de tamaño medio del norte de Europa sustituyó sus congeladores rápidos a −25 °C y sus cámaras frigoríficas a +2 °C por un sistema en cascada de amoníaco/CO₂. Resultados principales:

Ahorro energético:

El consumo energético total se redujo en aproximadamente un 20 % gracias a la alta eficiencia del amoníaco a bajas temperaturas y a la eficaz eliminación del calor del CO₂.

El calor recuperado del condensador de alta etapa de CO₂ se utilizó para la calefacción de los espacios durante el invierno, lo que mejoró aún más la eficiencia general de la instalación.

Impacto medioambiental:

Las emisiones anuales de CO₂ equivalente (CO₂e) procedentes de fugas de refrigerante se redujeron en más del 90 %, ya que el amoníaco tiene un PCA = 0 y el CO₂ tiene un PCA = 1.

Resiliencia operativa:

A pesar de los mayores costes iniciales (≈15 % más que un sistema HFC convencional), la instalación alcanzó un periodo de amortización de 4,5 años, gracias a la reducción de las facturas de energía, la reducción del impuesto sobre los refrigerantes y los incentivos de un programa nacional de eficiencia energética.

Retos abordados:

Las normas de seguridad locales exigían que la sala de máquinas de amoníaco se situara a 50 metros del edificio principal. Un enfriador de amoníaco remoto con circuitos de glicol que alimentan la cascada interna de CO₂ mitigó este requisito.