As câmaras frigoríficas utilizavam refrigerantes com elevado potencial de aquecimento global (GWP) e propriedades nocivas para a camada de ozono (ODP). À medida que as regulamentações globais se tornam mais rigorosas e a consciência ambiental cresce, há uma necessidade urgente de transição para refrigerantes ecológicos — substâncias que minimizam o impacto ambiental e proporcionam um arrefecimento eficiente.

Este artigo explora a lógica por trás da adoção de refrigerantes ecológicos, examina as opções mais comuns, discute os benefícios e desafios e oferece orientações para a implementação em aplicações de câmaras frigoríficas.

Por que fazer a transição para refrigerantes ecológicos?

Preocupações ambientais

1. Potencial de aquecimento global (GWP): Muitos refrigerantes convencionais (por exemplo, R-404A, R-507) têm GWP na casa dos milhares, o que significa que mesmo pequenos vazamentos podem contribuir significativamente para as emissões de gases de efeito estufa.
2. Potencial de destruição da camada de ozônio (ODP): Refrigerantes mais antigos, como clorofluorcarbonetos (CFCs) e hidroclorofluorcarbonetos (HCFCs), contribuem significativamente para a destruição da camada de ozônio. Embora tenham sido eliminados gradualmente pelo Protocolo de Montreal, alguns HCFCs (por exemplo, R-22) ainda são usados em equipamentos existentes.
3. Pressão regulatória: Regiões como a União Europeia, América do Norte e partes da Ásia aplicam cronogramas rigorosos de redução gradual (por exemplo, a Emenda de Kigali ao Protocolo de Montreal) para eliminar refrigerantes com alto GWP.

Fatores econômicos e operacionais

1. Eficiência energética: Os refrigerantes modernos e ecologicamente corretos geralmente apresentam propriedades termodinâmicas superiores, o que se traduz em menor consumo de energia e custos operacionais reduzidos ao longo do tempo.
2. Preparação para o futuro: Ao adotar refrigerantes com baixo GWP e sem ODP, os operadores de câmaras frigoríficas podem evitar adaptações ou substituições dispendiosas de equipamentos quando as regulamentações se tornam mais rigorosas.
3. Metas de sustentabilidade corporativa: Muitas organizações se comprometeram com metas de redução líquida ou eliminação de carbono. A transição para refrigerantes ecológicos é um passo concreto para atingir essas metas.

Categorias de refrigerantes ecológicos

Os refrigerantes ecológicos podem ser amplamente categorizados em refrigerantes naturais e refrigerantes sintéticos com baixo GWP:

1. Refrigerantes naturais: Substâncias que ocorrem na natureza ou são facilmente derivadas de fontes naturais. Exemplos incluem:
   • Amônia (R-717)
   • Dióxido de carbono (R-744)
   • Hidrocarbonetos (por exemplo, propano R-290, isobutano R-600a)
2. Refrigerantes sintéticos com baixo GWP: Fluidos projetados para substituir os HFCs com alto GWP. A classe mais proeminente é:
   • Hidrofluoroolefinas (HFOs), como R-1234yf e R-1234ze.

Cada categoria tem vantagens e considerações distintas, especialmente no contexto de aplicações em câmaras frigoríficas.

Refrigerantes naturais

Amônia (R-717)

• GWP e ODP: GWP = 0; ODP = 0.
• Desempenho termodinâmico: As características excepcionais de absorção e transferência de calor tornam a amônia um dos refrigerantes mais eficientes em termos energéticos, especialmente em instalações de grande escala.
• Inflamabilidade e toxicidade: Altamente eficiente, mas moderadamente tóxico (Classe B2 segundo a ASHRAE 34) e não inflamável em concentrações típicas de refrigeração. É obrigatória a ventilação adequada, a detecção de vazamentos e o cumprimento dos códigos de segurança (por exemplo, EN 378, ASHRAE 15).
• Aplicações em câmaras frigoríficas:
  • Armazenamento industrial de alimentos: Amplamente utilizado em fábricas de processamento de carne e laticínios.
  • Armazenamento refrigerado agrícola: comum em instalações grandes e centralizadas (por exemplo, armazenamento de frutas, vegetais e flores).
• Desafios e mitigação:
  • Sistemas de segurança: requer materiais robustos resistentes à amônia, manutenção regular e pessoal bem treinado.
  • Conformidade regulatória: os regulamentos locais podem limitar os sistemas de amônia perto de espaços ocupados; muitas vezes requer salas de máquinas remotas.

Dióxido de carbono (R-744)

• GWP e ODP: GWP = 1; ODP = 0.
• Pressões operacionais: Pressões muito altas (~8–10 MPa para refrigeração de temperatura média e ~3–4 MPa para refrigeração de baixa temperatura). São necessários compressores e tubulações especializados para alta pressão.
• Benefícios termodinâmicos: Excelente capacidade de refrigeração volumétrica; adequado para sistemas em cascata (compressores de CO₂ acoplados a um circuito secundário de refrigerante).
• Aplicações em câmaras frigoríficas:
  • Sistemas em cascata: Frequentemente combinado com amônia (cascata NH₃/CO₂) ou um refrigerante secundário (circuito de glicol).
  • Sistemas de CO₂ transcrítico: Viáveis em climas mais frios, onde as temperaturas ambientes permanecem abaixo de ~20 °C para manter uma maior eficiência do ciclo.
• Desafios e mitigação:
  • Equipamentos de alta pressão: Aumento dos custos de capital para compressores, trocadores de calor e dispositivos de segurança.
  • Sensibilidade à temperatura ambiente: Em regiões mais quentes, a eficiência diminui, a menos que seja utilizado um resfriador de gás adiabático ou compressão paralela.

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

• GWP e ODP: GWP < 5 (por exemplo, R-290 GWP = 3; R-600a GWP = 3); ODP = 0.
• Inflamabilidade: Classificado como A3 (altamente inflamável). Requer um projeto cuidadoso para limitar o tamanho da carga e implementar componentes à prova de explosão.
• Características de desempenho:
  • R-290 (propano): Capacidade térmica e eficiência energética comparáveis ou superiores às dos HFCs para aplicações de baixa e média temperatura.
  • R-600a (isobutano): Comumente usado em pequenas instalações de refrigeração comercial e residencial, mas menos comum em grandes instalações de câmaras frigoríficas devido a restrições de inflamabilidade.
• Aplicações em câmaras frigoríficas:
  • Unidades de pequeno a médio porte: Câmaras frigoríficas walk-in e reach-through, frequentemente finalizadas com carga de hidrocarbonetos abaixo dos limites regulamentares (por exemplo, <150 g na Europa para R-290).
  • Sistemas split e unidades condensadoras: Unidades condensadoras especializadas em hidrocarbonetos estão disponíveis para câmaras frigoríficas modulares em pequenos supermercados e lojas de conveniência.
• Desafios e mitigação:
  • Limitações de carga: Normas como a IEC 60335-2-89 restringem a carga permitida por motivos de segurança.
  • Requisitos de ventilação e sensores: Devem incluir componentes classificados para hidrocarbonetos, detecção de vazamentos e ventilação adequada para evitar misturas inflamáveis.

Refrigerantes sintéticos de baixo GWP (HFOs)

R-1234yf

• GWP e ODP: GWP ≈ 4; ODP = 0,
• Inflamabilidade: Ligeiramente inflamável (classificação A2L segundo a ASHRAE 34).
• Desempenho: Concebido principalmente como substituto do R-134a em aplicações automotivas e comerciais leves. Em câmaras frigoríficas, tem um desempenho moderadamente bom em níveis de temperatura média (−5 °C a +10 °C), mas menos bom em temperaturas muito baixas.
• Aplicações em câmaras frigoríficas:
  • Câmaras frigoríficas de temperatura média: Em locais onde o risco de inflamabilidade é controlável (por exemplo, salas de máquinas dedicadas, afastadas de áreas públicas).
  • Potencial de retrofit: Os sistemas R-134a existentes podem, por vezes, ser adaptados, embora possa ser necessária a compatibilidade do óleo e pequenas alterações nos componentes (por exemplo, válvulas de expansão).
• Desafios e mitigação:
  • Precauções contra inflamabilidade: É necessário seguir as diretrizes A2L — detecção de vazamentos, ventilação e uso de componentes classificados para refrigerantes levemente inflamáveis.
  • Otimização do ciclo: Como as propriedades termodinâmicas do R-1234yf diferem das dos HFCs, o ajuste do sistema (por exemplo, dimensionamento do condensador e do evaporador) é fundamental.

R-1234ze

• GWP e ODP: GWP ≈ 7; ODP = 0.
• Inflamabilidade: Não inflamável (classificação A1), oferecendo uma vantagem sobre o R-1234yf em termos de segurança.
• Desempenho: Adequado para refrigeração de temperatura média; às vezes pode substituir o R-134a ou o R-404A em cenários de retrofit.
• Aplicações em câmaras frigoríficas:
  • Sistemas de rack de temperatura média: Ideal para câmaras frigoríficas de supermercados, câmaras frigoríficas de pequeno a médio porte que requerem operação de −5 °C a +5 °C.
  • Retrofits de instalações R-404A: O GWP mais baixo e as pressões de operação semelhantes tornam-no um substituto atraente, embora possam ser necessários ajustes moderados de capacidade.
• Desafios e mitigação:
  • Compatibilidade do lubrificante: Requer óleos POE; os compressores existentes à base de óleo mineral podem necessitar de conversão.
  • Ajuste do trocador de calor: Curvas de pressão-entalpia ligeiramente diferentes exigem a recalibração dos condensadores e evaporadores.

Benefícios dos refrigerantes ecológicos em câmaras frigoríficas

1. Impacto ambiental reduzido: Eliminar ou reduzir drasticamente as emissões associadas ao GWP ajuda a atingir as metas de sustentabilidade corporativa e a cumprir acordos internacionais como a Emenda de Kigali.
2. Maior eficiência energética: Os refrigerantes naturais (amônia, CO₂, hidrocarbonetos) geralmente apresentam um coeficiente de desempenho (COP) superior em comparação com os HFCs, resultando em contas de energia mais baixas.
3. Conformidade regulatória e incentivos: Os primeiros a adotar podem se beneficiar de incentivos fiscais, descontos ou financiamento favorável, dependendo das políticas regionais que promovem o uso de refrigerantes com baixo GWP.
4. Confiabilidade operacional: Os sistemas refrigerantes ecológicos modernos, quando projetados adequadamente, podem igualar ou superar a confiabilidade dos sistemas antigos, especialmente à medida que os fabricantes otimizam os equipamentos para esses fluidos.
5. Resiliência futura: À medida que os cronogramas internacionais de redução gradual dos refrigerantes com alto GWP se aceleram, os equipamentos que funcionam com refrigerantes ecológicos enfrentarão menos riscos de obsolescência.

Estudo de caso: Cascata de CO₂ em uma instalação de armazenamento refrigerado de alimentos

Um centro de distribuição de alimentos de médio porte no norte da Europa fez a transição de seus freezers de -25 °C e câmaras frigoríficas de +2 °C do R-404A para um sistema em cascata de amônia/CO₂. Principais resultados:

Economia de energia:

O consumo total de energia caiu aproximadamente 20% devido à alta eficiência da amônia em baixas temperaturas e à eficaz rejeição de calor do CO₂.

O calor recuperado do condensador de alta pressão de CO₂ foi usado para aquecimento ambiente durante o inverno, melhorando ainda mais a eficiência geral da instalação.

Impacto ambiental:

As emissões anuais de CO₂ equivalente (CO₂e) provenientes de vazamentos de refrigerante caíram mais de 90%, uma vez que a amônia tem GWP = 0 e o CO₂ tem GWP = 1.

Resiliência operacional:

Apesar dos custos iniciais mais elevados (≈15% a mais do que um sistema HFC convencional), a instalação alcançou um período de retorno do investimento de 4,5 anos, graças às contas de energia mais baixas, à redução do imposto sobre refrigerantes e aos incentivos de um programa nacional de eficiência energética.

Desafios enfrentados:

Os regulamentos de segurança locais exigiam que a sala de máquinas de amônia fosse colocada a 50 metros do prédio principal. Um resfriador remoto de amônia com circuitos de glicol alimentando a cascata interna de CO₂ mitigou essa exigência.