por James M. Calm*
Este documento hace una revisión de la evolución de los refrigerantes desde su uso más antiguo hasta la actualidad, y luego aborda las directrices y candidatos futuros. El artículo divide la historia en cuatro generaciones. Se discuten también el desplazamiento de los primeros fluidos de trabajo y la forma como volvió a surgir el interés por algunos de los primeros refrigerantes; por ejemplo, el interés renovado en aquellos que se identifican actualmente como “naturales”. También se examina en este documento una visión general de las opciones actuales en los contextos de acuerdos internacionales existentes, incluyendo los protocolos de Montreal y Kioto para prevenir el agotamiento del ozono estratosférico y el cambio climático mundial, respectivamente. Además hace una evaluación de las preocupaciones ambientales y otras medidas de control tanto locales como internacionales. Asímismo muestra cómo la atención aislada a los problemas ambientales individuales o requerimientos regulatorios, en contraste con las respuestas coordinadas a los diferentes asuntos conjuntos, puede dar como resultado un daño ambiental inesperado que requerirá casi con certeza futuras revocaciones.
Evolucion de los refrigerantes
La refrigeración natural se remonta a tiempos antiguos en los que se utilizaba hielo almacenado, vaporización de agua y otros procesos evaporativos. Numerosos investigadores en diferentes países estudiaron la física del cambio de fase en los años 1600 y 1700; sus principales hallazgos establecieron las bases para la refrigeración “artificial” (fabricada por el hombre). Oliver Evans propuso inicialmente el uso de un fluido volátil en un ciclo cerrado para congelar agua y convertirla en hielo (Evans, 1805). También describió un sistema que producía refrigeración evaporando éter bajo un vacío, y luego bombeaba el vapor a un intercambiador térmico refrigerado con agua para que se condensara y luego fuera reutilizado. Aunque no existen registros de que él hubiera construido una máquina que funcionara, sus ideas probablemente influenciaron tanto a Jacob Perkings como a Richard Trevithick. Este último propuso un sistema de ciclo de aire para refrigeración en 1828, pero tampoco construyó uno. Sin embargo, Perkins sí lo hizo con su invención de la máquina de compresión de vapor en los años 1830 e introdujo así los verdaderos refrigerantes, tal como los conocemos hoy en día. Su patente describe un ciclo utilizando un “fluido volátil con el objetivo de producir la refrigeración, la congelación y condensar al mismo tiempo dichos fluidos para ponerlos en operación sin que se presentaran desechos” (Perkins, 1834). Muchos expertos en refrigeración reconocen su histórica contribución a la identificación de este método mecánico de compresión de vapor como “El Ciclo Perkins”. Aunque fue diseñado para utilizar éter sulfúrico (etilo) como refrigerante, las primeras pruebas se realizaron realmente con caoutchoucine, un solvente industrial que Perkins utilizó y que por lo tanto tenía disponible en su negocio.
La Figura 1 muestra la evolución de los refrigerantes desde su advenimiento y hasta cuatro generaciones posteriores.
Primera Generación: los que funcionaran
Los refrigerantes más comunes durante los primeros cien años fueron solventes familiares u otros fluidos volátiles; constituyeron la primera generación de refrigerantes “los que funcionaran” y “los que estuvieran disponibles”. Casi todos eran inflamables, tóxicos, o ambas cosas, y algunos también eran altamente reactivos. Los accidentes eran comunes. Para tener una perspectiva, un número de compañías comercializaron el propano (R-290) como el “refrigerante seguro y sin olores” para promocionarlo sobre el amoníaco (R-717) (CLPC, 1922). Una histórica y efectiva publicidad indicaba que el propano “es un químico neutral; por consiguiente, no se presentan acciones corrosivas” y “no es nocivo ni desagradable, si la ocasión lo requiere, el ingeniero puede trabajar en el vapor sin ningún tipo de inconvenientes” (CLPC, 1922). La continua preferencia, incluso actual, del amoníaco sobre los hidrocarburos en aplicaciones industriales, sugiere que la alta inflamabilidad fue y sigue siendo una gran preocupación en los grandes sistemas.
La primera búsqueda sistemática y documentada de un refrigerante que ofrecíera un diseño práctico con desempeño mejorado llegó alrededor de 1920, con el examen de los refrigerantes para enfriadores (Carrier y Waterfill, 1924). Willis H. Carrier, conocido por sus avances en psicometría y acondicionamiento de aire, y R.W. Waterfill, investigaron un rango de candidatos para su adecuación en máquinas de compresión centrífuga (turbo radial) y de desplazamiento positivo, con énfasis en el desarrollo de la compresión centrífuga. Concluyeron (sin análisis de los ciclos trans-críticos) que el desempeño del dióxido de carbono (R-744) dependería del ciclo y la cantidad de sub-refrigeración de líquido, pero que esto conduciría al menor desempeño pronosticado de los fluidos analizados. También anotaron que el amoníaco y el agua (R-718) requerirían excesivas etapas para los compresores centrífugos y para las condiciones observadas, y que el agua “aporta una baja eficiencia de desempeño”. Rechazaron el dióxido de sulfuro (R-764) por motivos de seguridad y el tetracloruro de carbono (R-10) por su incompatibilidad con los metales, especialmente en presencia del agua. Finalmente, seleccionaron el dieleno (1,2-dicloroeteno, R-1130) para la primera máquina centrífuga, aunque esta selección requirió luego de una búsqueda internacional para encontrar una fuente (Ingels, 1952).
Segunda Generación: Seguridad y Durabilidad
La segunda generación se distinguió por un cambio hacia los fluoroquímicos por su seguridad y durabilidad. Las repetidas fugas, de los entonces prevalentes formatos de metilo (R-611) y dióxido de azufre (R-764), retrasaron los primeros esfuerzos para comercializar los refrigeradores. Con la instrucción de que “la industria de refrigeración necesita un nuevo refrigerante, si ellos esperan obtenerlo en cualquier parte”, Thomas Midgley, Jr. y sus asociados Albert L. Henne y Robert R. McNary, buscaron por toda la tabla de propiedades para encontrar químicos con el punto de ebullición deseado. Ellos restringieron la búsqueda para escoger los conocidos como estables, pero que no fueran tóxicos ni inflamables. El punto de ebullición publicado para el tetrafluoruro de carbono (R-14) dirigió la atención a los fluoruros orgánicos, pero sospecharon correctamente que la temperatura real de ebullición era mucho más baja que la publicada. Volviendo a la tabla periódica de los elementos, Midgley eliminó rápidamente aquellos que producían volatilidad insuficiente. Luego, eliminó los que resultaban en compuestos inestables y tóxicos, así como los gases inertes, con base en sus bajos puntos de ebullición. Solamente quedaron ocho elementos, a saber, carbono, nitrógeno, oxígeno, azufre, hidrógeno, flúor, cloro y bromo (Midgley, 1937). Después de tres días de haber iniciado, en 1928, Midgley y sus colegas hicieron observaciones importantes con respecto a la inflamabilidad y toxicidad de los compuestos que tenían estos elementos. También anotaron que cada refrigerante conocido, combinaba a la vez solo siete de esos elementos (todos excepto el flúor). Su primera publicación sobre refrigerantes fluoroquímicos muestra cómo la variación de la cloración y la fluoración de hidrocarburos influye en los puntos de ebullición, la inflamabilidad y la toxicidad (Midgley, 1930).
La producción comercial de R-12 comenzó en 1931, seguida del R-11 en 1932 (Downing, 1966 y 1984). Los clorofluorocarbonos (CFCs) y luego (especialmente a comienzos de los años 1950 en acondicionadores de aire y bombas de calefacción comerciales pequeños y residenciales) los hidroclorofluorocarbonos (HCFCs) dominaron la segunda generación de refrigerantes. El amoníaco siguió siendo (y lo sigue siendo actualmente) el refrigerante más popular en sistemas grandes a escala industrial, especialmente para el procesamiento y almacenaje de alimentos y bebidas.
Tercera Generación: Protección del Ozono
La unión de los CFCs liberados (incluyendo los refrigerantes CFC) para el agotamiento de la capa de ozono catalizó la tercera generación con un enfoque en la protección del ozono estratosférico. La Convención de Viena y el resultante Protocolo de Montreal obligó a terminar con el uso de las sustancias agotadoras del ozono (ODSs). Los fluoroquímicos conservaban el primer enfoque, con énfasis en los HCFCs para uso transicional y los hidrofluorocarbonos (HFCs) para un tiempo más prolongado. Los cambios produjeron un renovado interés en los “refrigerantes naturales” (particularmente el amoníaco, el dióxido de carbono, los hidrocarburos y el agua), junto con el mayor uso de la absorción y otros métodos (los que no utilizan sistemas de compresión de vapor con refrigerantes fluoroquímicos). Los programas de investigación públicos y privados examinaron sistemáticamente tanto los candidatos adicionales no fluoroquímicos como el hidrofluoroeter (HFE), pero representaban pocas opciones promisorias.
Los fabricantes comercializaron los primeros refrigerantes alternativos a finales de 1989 y, en los siguientes 10 años, introdujeron reemplazos para la mayoría de las sustancias agotadores del ozono. Los países no incluidos en el artículo 5 (la mayoría de ellos desarrollados) eliminaron gradualmente el uso de refrigerante CFC en los nuevos equipos hacia el año 1996, tal como lo había requerido el Protocolo de Montreal. Los países incluidos en el artículo 5 lo harán hacia el año 2010. La distinción del “artículo 5” se relaciona con el nivel de uso anterior de sustancias agotadoras del ozono, tal como fue definido en el protocolo. Excepto por lo restringido por las regulaciones nacionales, el uso y servicio continuos siguen siendo permitidos para los equipos existentes que utilizan refrigerantes CFC, hasta que sean retirados de otra forma.
La transición desde los HCFCs también está en proceso. El Protocolo de Montreal limita la producción de los HCFCs por etapas en 1996, 2004, 2010, 2015 y 2020, con una eliminación total en el 2030 en los países no incluidos en el artículo 5, e impone una reducción a comienzos del 2016 y la cesación de la producción en el 2040 en los países incluidos en el artículo. Los países adoptaron diferentes métodos de respuesta; la mayoría de países de centro y occidente de Europa aceleraron la eliminación gradual de los HCFC, mientras que los otros países desarrollados establecen límites, eliminando gradualmente los usos del propulsor y el agente de soplado (especialmente el R-141b) inicialmente, lo que requiere la eliminación gradual del R-22 (el refrigerante más utilizado actualmente) hacia el 2010, y luego la prohibición del uso de HCFC en los nuevos equipos hacia el 2020. La programación para los países incluidos en el artículo 5 comienza con un congelamiento en el 2016 y termina con la eliminación gradual hacia el 2040. Nuevamente, los futuros usos y servicios continuados se permiten para los equipos existentes que emplean refrigerantes HCFC, hasta que sean retirados de otra forma, excepto por lo restringido por las regulaciones nacionales. Aunque ya se discutió aquí como producción, el Protocolo de Montreal realmente regula el consumo, el cual define como producción más importaciones menos exportaciones y destrucción especificada. Como resultado, las exportaciones desde los países incluidos en el artículo 5 hacia los países no incluidos en el artículo 5, se restringen efectivamente para cumplir con los exigentes programas. Para evitar productos separados domésticos y de exportación y para explotar nuevas tecnologías derivadas de joint ventures (uniones de empresas con riesgos compartidos) y acuerdos de licencia, algunos productos en los países del artículo 5 incorporan los reemplazos antes de lo requerido.
Tres puntos garantizan la notificación. Primero, los refrigerantes constituyeron históricamente solo una pequeña fracción de las emisiones totales de ODS, pero la mayoría de los mismos CFCs y algunos de los HCFCs de uso común como refrigerantes, también se utilizaban en muchas más aplicaciones emisivas, incluyendo, como propulsores de aerosol, los agentes para el soplado de espuma y solventes. Segundo, y al menos comparable en importancia con los reemplazos de refrigerantes, es que las preocupaciones ambientales inspiraron los principales cambios en diseño, fabricación, instalación, servicio y los procedimientos de disposición final para reducir emisiones evitables (Calm, 2002).
En tercer lugar, la capa de ozono se está recuperando, a pesar de los informes de episodios de los orificios de ozono en la Antártica. El tamaño del orificio de la Antártica cada año resulta de factores variables tales como los vientos y oscilaciones polares del sur, lo cual induce el vórtice polar, y las severas temperaturas de invierno que regulan las eficiencias de la destrucción del ozono y la restauración natural. Las evaluaciones científicas internacionales documentan que tanto las nuevas liberaciones de ODS como las emisiones residuales anteriores están reduciéndose (WMO, 2006). Los científicos interpretan las tendencias de concentración mínima de ozono y área mínima de ozono que se muestran en la Figura 2, como una estabilización en los años recientes y el inicio de una recuperación, ya que ambas medidas alcanzaron sus peores niveles en 1998. El progreso en la recuperación del ozono es incluso más evidente cuando se mide a través del ozono promedio global en lugar del ozono en el vórtice aislado de la Antártica.
Aunque el aumento de las emisiones de ODS pudiera agudizar el agotamiento del ozono y prolongar o precluir la recuperación, las oportunidades de acelerar la recuperación de la capa de ozono son mucho más limitadas, especialmente si consideramos la enorme influencia de los CFCs, halógenos y otras ODSs liberadas en el pasado y que tuvieron largas duraciones. Este punto sugiere una consideración focal del tiempo de duración en la atmósfera (tatm) en la selección de alternativas, para evitar una repetición de acumulación atmosférica antes del descubrimiento de nuevas preocupaciones que puedan surgir en el futuro.
Cuarta Generación:Calentamiento Global
La respuesta exitosa al agotamiento del ozono contrasta altamente con la situación de deterioro con el cambio climático, tal como se muestra en la Figura 3. Los nuevos hallazgos y el debate político del calentamiento global se han vuelto eventos del diario vivir, especialmente en los meses recientes. El Cuarto informe de evaluación (AR4) del Panel Intergubernamental sobre Cambio Climático (IPCC) refleja el más reciente consenso científico que establece que “el calentamiento del sistema climático es inequívoco, como actualmente es evidente por las observaciones de los incrementos en el aire promedio global y las temperaturas oceánicas, el gran derretimiento de la nieve y el hielo y el creciente promedio global del nivel del mar” (IPCC, 2007). La evaluación concluyó que “la mayoría del incremento observado en las temperaturas promediadas globalmente desde mediados del siglo 20 se debe muy probablemente al incremento observado en las concentraciones antropogénicas de gas de invernadero” y que “las discernibles influencias humanas se extienden actualmente a otros aspectos del clima, incluyendo calentamiento oceánico, temperaturas continentales promedio, temperaturas extremas y patrones de vientos” (IPCC 2007).
El Protocolo de Kioto, de acuerdo con la Convención Internacional sobre Cambio Climático, establece el cumplimiento obligatorio de los objetivos para las emisiones de gas de invernadero, con base en equivalentes calculados de dióxido de carbono, metano, óxido nitroso, HFCs, perflurocarbonos (PFCs) y hexafluoruro de azufre. No habla de las ODSs cubiertas por el Protocolo de Montreal, aunque algunas también son GHGs muy potentes. Las leyes y regulaciones nacionales para implementar el Protocolo de Kioto difieren, pero generalmente prohíben las emisiones evitables de refrigerantes HFC y PFC y, en algunos países, controlan o imponen impuestos a su uso. Las medidas más recientes (adoptadas o propuestas) a nivel regional, nacional, estatal y municipal son más estrictas. Estas restricciones están forzando cambios para una cuarta generación de refrigerantes definida por su enfoque en el calentamiento global. El Parlamento Europeo estableció la regulación de tiempo con una directriz que prohíbe los refrigerantes fluoroquímicos (Gas F) que tengan GWP (potencial de calentamiento global) por encima de 150 para integración de 100 años en acondicionadores de aire para automóviles de modelo nuevo, efectivo a partir del 2011, y para todos los automóviles nuevos, a partir del 2017. Las regulaciones adoptadas también requieren una inspección periódica de sistemas de papelería que utilizan HFCs.
El Parlamento de la UE rechazó las medidas recomendadas que prohibieran HFCs como los propulsores de aerosol hacia el 2006, como los agentes de soplado de espuma hacia el 2009, y como refrigerantes en acondicionadores de aire y refrigeración hacia el 2010. El voto contencioso sobre el último ítem fue de 262-368, más del 40% a favor. Este significativo nivel de apoyo invita a una futura reconsideración, especialmente con los recientes hallazgos científicos en relación con el comienzo del cambio climático, que cada vez es más rápido y más severo. El efecto inmediato de estas mediciones es una prohibición sobre el R-134a en su más grande aplicación y, como refrigerante, en su mayor aplicación emisiva (acondicionadores de aire móviles). El límite de GWP adoptado permite intencionalmente una consideración de los HFCs de bajo GWP (notablemente el R152a, aunque inflamable). Las medidas del Gas F también sancionan regulaciones nacionales más estrictas, algunas de las cuales prohíben los HFCs en sistemas grandes, explícitamente prohíben el uso de HFC en enfriadores, o imponen impuestos indirectos de acuerdo con la carga del GWP en refrigerantes HFC. Los gremios en Europa están presionando por la adopción de medidas más estrictas para restringir las emisiones de gases de invernadero.
Un número de estados y ciudades en los Estados Unidos de América han propuesto restricciones sobre las emisiones de GHG, ya sea individualmente o regionalmente, aunque los impactos específicos sobre los HFCs individuales son inciertos. California, un estado que generalmente es pasivo y que tiene la mayor población, aprobó una legislación a finales del 2006, con la que se impone un capítulo de emisiones único en la nación sobre servicios públicos, refinerías y plantas de manufactura, con el único objetivo de recortar las emisiones de gases de invernadero y lograr las registradas en 1990 en el 2020. La ley requiere que el ente regulador estatal determine los requerimientos reales, para incluir probablemente las medidas para los sistemas de refrigeración y acondicionadores de aire de automóviles. Al menos otros ocho estados están propensos a seguir la iniciativa de California, si realmente regula los usos o emisiones de HFC. Un número de estados del nororiente y del atlántico medio se unieron en un pacto en 2007 para imponer capítulos sobre emisiones de plantas de energía y promover la comercialización de permisos entre las empresas de servicios públicos, y los gobernadores de cinco estados acordaron en el 2007 la Iniciativa Regional Occidental de Acciones Climáticas, con objetivos similares. Espere en la próxima edición de ACR Latinoamérica la segunda parte de este artículo
*Consultor de Ingeniería
Correo electrónico: [email protected]
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