Por James M. Calm*
Recuento: En la primera parte de este artículo se realizó una revisión de la evolución de los refrigerantes desde su uso más antiguo hasta la actualidad dividiendo la historia en cuatro generaciones. Mientras que en esta entrega se intentará abordar las directrices y candidatos futuros.
Proxima generación de refrigerantes
Los fabricantes de refrigerantes respondieron rápidamente a la directiva sobre el Gas F, con anuncios de nuevos refrigerantes. Al menos tres fabricantes multinacionales reportaron un desarrollo propio de innovadores refrigerantes para cumplir con el límite de GWP de 150 (DuPont, 2006; Honeywell, 2006; e INEOS Fluor, 2006). Considerando el valor tan grande de mercado de las ventas de refrigerantes automotrices, es seguro asumir que la mayoría de compañías están buscando soluciones, especialmente ahora que algunas de las mayores empresas están registradas a la espera de cumplir con las normas sobre el Gas F.
Estas entidades han publicado datos preliminares sobre ambiente, seguridad y desempeño, pero están restringiendo la divulgación total de las composiciones de refrigerantes por motivos competitivos, ya que las formulaciones finales todavía siguen siendo perfeccionadas y por que todavía no existen datos definitivos. Algunas de las principales patentes presentan una idea sobre las sustancias consideradas, ya sea individualmente o como componentes combinados (por ejemplo, Singh et al., 2005, y Mnor et al., 2006). La Tabla 1 hace una ampliación de esta información.
Las patentes sugieren que algunos candidatos y usos pueden requerir compatibilizadores (como los aditivos anti-espuma o los desactivadores de superficie metálica), estabilizadores (como los inhibidores de oxidación), solubilizadores de lubricantes u otros aditivos.
Algunos de los fabricantes, sino todos, anticipan que las soluciones o variantes de las soluciones identificadas para satisfacer los requerimientos del Gas F tendrán un mayor potencial de aplicación. DuPont (2006), Minor et al. (2006), y Singh et al. (2005) identifican específicamente mayores oportunidades de aplicación tanto para refrigerantes en sistemas estáticos de refrigeración y acondicionamiento de aire como para aplicaciones de extinción de fuego y agentes para el soplado de espuma. La facilidad que se percibe (sin un compromiso aparente en seguridad, durabilidad o eficiencia), ocultó enormes inversiones para desarrollar los refrigerantes de tercera generación y lubricantes asociados, para optimizar y construir plantas de manufactura, para modificar y calificar diseños de equipos y componentes (especialmente compresores) y para capacitar técnicos de instalación, operación y mantenimiento. Las rápidas y muy optimistas respuestas al límite de GWP del Gas F para refrigerantes automotrices (el inicio de la próxima generación), representan una señal para los reguladores en el sentido de que existen opciones de refrigerantes que cumplen con más metas ambientales sostenibles, en lugar de involucrarse en los actuales Protocolos de Montreal y Kioto.
Sin embargo, cuatro puntos muy importantes deben tenerse en cuenta. Primero, los fabricantes habían examinado previamente e incluso realizaron pruebas limitadas de los principales refrigerantes de reemplazo. Los registros documentan específicamente las pruebas de refrigerantes sin ODS para reemplazar los CFCs, por ejemplo el uso continuo del R-134a en los refrigeradores domésticos, más de diez años antes del Protocolo de Montreal (Dupont, 1988). Excepto como componentes combinados (como el R-152a en R-500 y el R-23 en R-503), la industria evitó los refrigerantes de HFC, basada en las consideraciones de lubricantes antes de la eliminación gradual de ODS, aunque eran reconocidos como candidatos a comienzos de 1928.
Segundo, los refrigerantes de reemplazo generalmente son menos eficientes que las opciones anteriores. Con pocas excepciones, las ganancias de eficiencia que se logran en la maquinaria que utiliza los refrigerantes alternativos se derivan principalmente de las mejoras en el diseño de los equipos en lugar de las propiedades de los más nuevos fluidos de trabajo. Diciéndolo en forma sencilla, la mejor optimización con los antiguos refrigerantes habría producido incluso mayor eficiencia en la mayoría de los casos y los refrigerantes alternativos reducen los márgenes para mejoras adicionales en la eficiencia del producto.
Tercero, ninguno de los actuales refrigerantes candidatos es ideal y el futuro descubrimiento de refrigerantes ideales es extremadamente improbable (Calm y Didion, 1997). Las intensas restricciones obligan a adquirir nuevos compromisos entre los diferentes objetivos ambientales, de seguridad, de desempeño, de costos, y otros; no amplían las opciones finitas disponibles. Y en cuarto lugar, la atención secuencial a los problemas ambientales individuales arriesga la eliminación de importantes (o incluso críticas) opciones para soluciones generales equilibradas, con base en el menor impacto (o incluso insignificante) en los problemas individuales (Wuebbles y Calm, 1997).
Equilibrio entre las diferentes metas ambientales
Con los nuevos refrigerantes surgen preguntas interesantes sobre el equilibrio entre los contradictorios objetivos ambientales y entre las metas ambientales y la seguridad o compatibilidad. La eliminación gradual de ODS reduce las opciones de tratar el cambio climático a partir de consecuencias directas o a partir de consecuencias indirectas tales como las emisiones relacionadas con energía. Dos ejemplos son las contradictorias metas para el R-13I1 (CF3I, un fluoro-yodocarbono, FIC) como componente potencial en refrigerantes automotrices de bajo GWP (Singh et al., 2005) y el R-123 (un HCFC) como refrigerante de enfriadores (Calm, 2006). Estos dos refrigerantes ofrecen una corta duración en la atmósfera, bajo nivel de GWP, baja toxicidad aguda por inhalación y no es inflamable. Ambos son efectivos supresores de fuego. Sin embargo, ambos tienen bajo nivel (pero no cero) de ODP, entre 0.011 y 0.018 (modelado), dependiendo de la latitud o la altitud de liberación para el R-13I1 y 0.02 semi-empírico (0.012 modelado) para el R-123*. El R-13I1 ofrece potencial como componente mezclado en combinación con olefinas fluoradas (alquenos no saturados) para suprimir si inflamabilidad, minimizando tanto el ODP como el GWP. A pesar de ser una ODS, aunque con un nivel muy bajo de ODP, el R-13I1 no está controlado por el Protocolo de Montreal ya que no se encontraba en uso comercial en 1992, que fue la última vez en que las sustancias fueron agregadas al Protocolo.
El R-123 es el refrigerante más eficiente para enfriadores de agua, diferente al R-11 y el R-141b (UNEP, 2007a), los cuales tienen niveles significativamente mayores de ODP y mayores niveles de GWP. Aún así, el R-123 seguía en eliminación en Europa como una ODS y su eliminación gradual está programada, excepto por algunas reconsideraciones, en los nuevos enfriadores hacia el 2020 en los países no incluidos en el artículo 5 y hacia el 2040 en países incluidos en el artículo 5. El R-123 tiene un impacto general muy bajo en el ambiente debido a su bajo nivel de ODP, a su muy bajo nivel de GWP, a su muy corta duración en la atmósfera, a las muy bajas emisiones en los actuales diseños y a su eficiencia (UNEP, 2007a).
El Protocolo de Montreal permite una producción limitada para las necesidades de servicio hasta el 2030 en los países no incluidos en el artículo 5. No impone límite en ninguna parte para el uso y servicio continuados de los equipos existentes o los refrigerantes almacenados o recuperados. Estos ejemplos ilustran las claras contradicciones en los objetivos ambientales para tratar el agotamiento del ozono y el cambio climático. Al menos una evaluación reciente sugiere una reconsideración de las anteriores propuestas en relación con la eliminación gradual de todas las ODSs. Esto indica que “la producción y el consumo de químicos específicos, a los cuales se les comprobó que no eran nocivos para la capa de ozono, podrían ser permitidos luego de la evaluación, realizando algunos ajustes al Protocolo” (UNEP, 2007b).
Comparando la Figura 2 y la Figura 3, así como las opciones a tener en cuenta y las consecuencias del agotamiento del ozono atmosférico y el cambio climático, se sugiere una mayor dificultad y una mayor urgencia para la mitigación del calentamiento global. Estas comparaciones desafían la rutinaria eliminación de las escasas opciones que tienen una influencia insignificante (o incluso imperceptible) sobre el ozono atmosférico, pero también el significativo (o incluso fuerte) potencial para mitigar el cambio climático global. Ambos problemas ambientales son importantes, pero la ausencia de candidatos ideales que solucionen ambos problemas en forma conjunta, sin degradar la seguridad, requiere un equilibrio entre los objetivos.
Aunque es especulativo, los creadores del Protocolo de Montreal probablemente habrían puesto más cuidado en la amplia eliminación de los químicos de acuerdo a su clase, que a través de la determinación individual, si hubieran tenido la conciencia que tienen actualmente sobre la severidad del calentamiento global y el reconocimiento de las limitaciones de respuesta del momento. Sin embargo, el Protocolo aseguró los futuros ajustes con base en evaluaciones científicas, lo cual ofrece una opción (aunque políticamente difícil) para las revisiones para tratar los pocos, pero significativos, casos de este tipo.
Otros problemas surgen en las compensaciones ambientales. El principal reemplazo seleccionado por los fabricantes para el R-22, que es actualmente el refrigerante de mayor uso, es el R-410A (una combinación de R-32 y R-125 de HFCs). Aunque este sustituto ofrece prácticamente cero ODP, aumenta el GWP en 16% (de 1810 a 2100 para integración de 100 años) y disminuye la eficiencia alcanzable para los acondicionadores de aire convencionales con ciclos simples en 6% (Calm y Domanski, 2004). Los refinamientos del producto hacen posible ajustar (o incluso mejorar) las eficiencias de las condiciones estándares de clasificación, especialmente con la explotación de la transferencia térmica superior de la mezcla, pero es menor la oportunidad para una futura mejora en el desempeño.
Además, la eficiencia del R-410A se degrada más rápidamente que la del R-22 a mayores temperaturas ambientales que se acercan a la temperatura crítica del R-125, así que la máxima demanda de energía es mayor con el R-410A para sistemas de enfriamiento de aire para las mismas eficiencias estacionales clasificadas. Esa desventaja es especialmente significativa cuando consideramos la costosa generación de electricidad, aunque es más sostenible. Igualmente, el R-32 y algunas otras mezclas de R-32 (aunque son marginalmente inflamables) evitan esta preocupación y ofrecen mayores eficiencias y menores niveles de GWPs (Calm y Domanski, 2004).
Las fluoro-olefinas, al igual que las consideradas como refrigerantes automotrices de bajo nivel de GWP, generalmente son más reactivas que los compuestos, con solamente enlaces simples de carbono-carbono. Esta reactividad implica una menor duración en la atmósfera, menores niveles de ODP (para aquellos que contienen cloro, bromo o yodo) y menor nivel de GWP, pero también implican menor estabilidad y mayor toxicidad. Igualmente, los químicos con los menores niveles de GWPs tienden a descomponerse cerca a la superficie, predominantemente en la proximidad al lugar de liberación. Algunos pueden ser creadores de smog y otros pueden descomponerse o contribuir directamente o catalíticamente a la formación de otros químicos con mayor nivel de GWPs que el químico original, presentándose por lo tanto mayores niveles indirectos de GWP que directos, y las influencias de temperatura, latitud, altitud e incluso la presencia de otros contaminantes atmosféricos, complican la determinación de los niveles netos de GWPs para ellos.
La resolución de estas complicaciones está más allá del alcance de este documento. El tema se presenta solamente para ilustrar las complejas interacciones y las inevitables compensaciones (compromisos) entre las metas ambientales, incluso más allá de la consideración del agotamiento del ozono y el calentamiento global o entre los impactos de las emisiones relacionadas con refrigerantes (“efecto directo”) y las relacionadas con energía (algunas veces identificadas como “efecto indirecto”, que no es lo mismo que GWP indirecto).
Conclusiones
Con base en hallazgos científicos, requerimientos regulatorios y las presiones del mercado, una cuarta generación de refrigerantes parece inminente hacia el 2010. Los criterios reguladores de selección para la nueva generación agregarán bajos niveles de GWP (inicialmente 150 o menos y determinado para una integración de 100 años) a los antiguos requerimientos para idoneidad, seguridad y compatibilidad de materiales. Con el reconocimiento del potencial para las preocupaciones ambientales adicionales e implícito para que los fluoroquímicos cumplan con los nuevos límites de GWP, la corta duración en la atmósfera también debe ser uno de los criterios. Más importante aún es que la nueva generación debe ofrecer alta eficiencia o el cambio para tratar los bajos niveles de GWP tendrá el efecto inverso y producirá mayores emisiones netas de GHG en lugar de disminuirlas.
Aunque las actuales presiones regulatorias se enfocan en los acondicionadores de aire móviles, la futura ampliación a otras aplicaciones es casi segura. Muchos refrigerantes considerados actualmente como nuevas alternativas, incluyendo muchos HFCs, podrían convertirse en viejos desechos. Dada la escasez de opciones viables, las futuras selecciones de refrigerantes garantizan una consideración colectiva de todos los temas ambientales en conjunto, con evaluaciones integradas en lugar de tratamientos graduales que ponen en riesgo la eliminación de buenas opciones generales para lograr menores impactos (o incluso imperceptibles) para los problemas individuales.
*Consultor de Ingeniería
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