El interés por el dióxido de carbono o CO2 como refrigerante en aplicaciones de venta de alimentos al menudeo nunca había sido tan intenso como lo es hoy y, como tal, ha habido mucha discusión con respecto a la eficiencia energética de estos sistemas. La discusión sobre la energía se centra en dos factores: el rendimiento climático y la justificación financiera
Por James Knudsen
El Life Cycle Climate Performance, o LCCP, es un método estándar de comparación de tecnologías con respecto a sus efectos sobre el cambio climático, medido por la liberación equivalente aproximada de libras de CO2. Los fluidos de refrigeración tradicionales (HFC) tienen dos componentes fuertes para el LCCP: la contribución directa y la indirecta.
La contribución directa es el resultado de la liberación del refrigerante a la atmósfera y se basa en el potencial de calentamiento global (PCG) del refrigerante (al igual que con el LCCP, el PCG se basa en el efecto del refrigerante sobre el cambio climático en comparación con el CO2).
La liberación de refrigerante nunca debe ser intencional (actualmente es ilegal en la mayoría de las jurisdicciones); sin embargo, rutinariamente ocurre durante la vida útil de un sistema de refrigeración de supermercados, generalmente a través de fugas. Si bien estas fugas pueden minimizarse, el uso de un refrigerante de bajo PCG como el CO2 puede hacer que este efecto sea insignificante (el CO2 tiene un PCG de 1, en comparación con ~ 4000 para un refrigerante como el R-404A). Es importante tener en cuenta que, con respecto a las fugas, hay reglas y reglamentos que se proponen (especialmente en California) que pueden agregar sanciones financieras a las sanciones ambientales asociadas con las fugas de refrigerantes.
El componente indirecto se debe al efecto de la energía utilizada en el funcionamiento del equipo de refrigeración; entre menos energía se necesite para operar el equipo, más baja será su contribución a los efectos en el ambiente. Dado que estos dos componentes (directo e indirecto) en un sistema tradicional de HFC son de aproximadamente la misma magnitud, incluso un sistema de PCG relativamente ineficiente puede proporcionar aún beneficios de cambio climático.
Justificación financiera-Eficiencia energética
La justificación financiera es tal vez lo más importante para que la amplia adaptación de los sistemas de CO2 se pueda dar, porque los sistemas de CO2 en América del Norte son más caros que los sistemas de refrigeración tradicionales. Esto se debe a que los sistemas de CO2 operan a altas presiones (agregando costos a los componentes), son más complicados que los sistemas de HFC tradicionales (con equipo adicional requerido, como una línea de derivación con válvula, una válvula de alta presión transcrítica en la salida del enfriador de gas refrigerante y controles adicionales) y los sistemas de CO2 todavía no tienen un volumen de compras en América del Norte que ayude a reducir los costos de componentes y de instalación.
Para estar justificados financieramente, estos sistemas deben superar la inversión inicial de capital al proporcionar reducciones continuas en los costos de operación.
Claramente, hay otras consideraciones financieras con los sistemas de CO2, como la relacionada con los impactos regulatorios y sociales a largo plazo, pero estos son mucho más difíciles de cuantificar. Sin embargo, es mucho más fácil si utilizamos un modelo financiero más simplificado que considera sólo la eficiencia energética para justificar el desembolso de capital adicional.
Existen propiedades del CO2 que ayudan a la eficiencia del sistema en aplicaciones de supermercados, incluida una excelente eficiencia volumétrica, baja relación de compresión y baja viscosidad (es más fácil de bombear)
Estrictamente, debido a sus propiedades físicas como refrigerante, el CO2 presenta algunos desafíos inherentes en comparación con los refrigerantes HFC con respecto a la energía. Estos desafíos surgen de la alta presión de trabajo (más de 1 mil psi vs alrededor de 200 psi para el R-22) y el rendimiento relativo a través del proceso de expansión y rechazo de calor. Si bien estas desventajas parecen ser importantes, hasta una penalización del 20 %, pueden mitigarse mediante el diseño del sistema.
Por otro lado, existen propiedades del CO2 que ayudan a la eficiencia del sistema en aplicaciones de supermercados, incluida una excelente eficiencia volumétrica (más de 6 veces el efecto de enfriamiento por volumen del R-22), baja relación de compresión (la relación entre presiones de entrada y salida en el compresor) y baja viscosidad (es más fácil de bombear). Además, se ha desarrollado una nueva tecnología que aprovecha las propiedades únicas del CO2 para mejorar la eficiencia.
Sistemas de HFC vs sistemas de CO2
Haciendo mas complicada esta discusión, existen tecnologías utilizadas en los sistemas de CO2 que también son aplicadas en sistemas tradicionales de HFC con buenos resultados. Estos elementos pueden hacer que el costo inicial de un sistema de CO2 parezca incluso más alto en comparación con un sistema de HFC básico, pero estas tecnologías pueden ser analizadas por separado y estar justificadas financieramente en cualquier sistema. Muchos supermercados han descubierto que implementar tecnología avanzada de ahorro de energía en sus sistemas de HFC justifica la inversión.
Hay tres tecnologías clave que entran en esta categoría. La primera es electrónica: válvulas de expansión electrónica con controladores de cámaras y vitrinas, que permiten que la presión de succión sea optimizada para minimizar la carga en los compresores a medida que cambian las condiciones.
Las válvulas de expansión electrónica con controladores de cámaras y vitrinas permiten que la presión de succión sea optimizada para minimizar la carga en los compresores a medida que cambian las condiciones
La segunda es el uso de variadores de velocidad para permitir que la capacidad del compresor y del condensador o enfriador de gas coincidan con mayor cercanía con los cambios en la carga.
La tercera es la recuperación de calor al utilizar el calor residual del ciclo de refrigeración.
La recuperación de calor, particularmente en sistemas de HFC, se usa principalmente para complementar los requisitos de agua caliente de la instalación debido a la baja calidad (es decir, baja temperatura) del calor residual.
En los sistemas de CO2, la temperatura del calor residual es mucho mayor, lo que permite que sea utilizado para agua caliente, calefacción de confort, recalentamiento de deshumidificación o regeneración de desecante, entre otras alternativas.
Tecnologías diseñadas para el CO2
Las tecnologías específicas de CO2 tienen en cuenta el diseño del sistema. Los sistemas Booster acomodan la tubería del compresor para permitir que el compresor de baja temperatura ayude a impulsar la presión de succión de los compresores de media temperatura, ahorrando trabajo y energía.
La compresión paralela utiliza una porción de la capacidad del compresor de media temperatura para recuperar y volver a comprimir, a una relación de compresión más baja, el flash gas que se forma cuando el vapor comprimido que sale del enfriador de gas es expandido para permitir que se condense en líquido. Una gran parte del flash gas en el recibidor puede considerarse como pérdida de capacidad para el sistema, por lo cual recuperar esta capacidad mediante una cantidad mínima de trabajo puede aumentar la eficiencia del sistema hasta en 20 % durante la operación transcrítica. El desarrollo más reciente es un dispositivo llamado eyector. Un eyector puede usar el gas de alta presión que sale del enfriador de gas y aprovechar la diferencia de presión, que normalmente se desperdicia en el elemento de expansión, para incrementar la presión del flash gas, permitiendo que se introduzca en la succión de los compresores en paralelo, lo que reduce el trabajo necesario para aumentar la presión del gas refrigerante.
Esta tecnología es muy eficaz para lidiar con uno de los aspectos más ineficientes de la refrigeración de CO2 y puede superar la desventaja inherente de los sistemas transcríticos de CO2 en climas cálidos.
Cabe señalar que, si bien las mejoras energéticas en climas.fríos pueden ser más bajas, la eficiencia general de los sistemas de CO2 transcrítico aumenta con temperaturas ambiente más frías (es decir, menos tiempo de funcionamiento en modo transcrítico). No se incluye en este resumen el uso de condensadores / refrigeradores de gas adiabáticos o evaporativos, que pueden proporcionar otro 5 % de eficiencia a cualquiera de los sistemas. De hecho, con atención adicional al diseño del sistema, un refrigerador de gas de CO2 transcrítico se puede configurar para usar hasta 80 % menos agua que un evaporador de HFC.
El desempeño de estos dispositivos varía sustancialmente de acuerdo con el clima local y son específicos de su sistema. Dicho esto, es otra tecnología interesante por considerar. Si bien este análisis está lejos de ser riguroso para todas las aplicaciones, el propósito de este artículo es resumir la situación y las tecnologías disponibles para ofrecer una visión más clara de lo que es posible hoy en día. La tecnología de CO2 transcrítica está claramente lista para implementarse en casi cualquier clima y puede proporcionar beneficios ambientales y financieros sustanciales.
