Ventajas y desafíos del refrigerante CO₂ (R744) en sistemas de aire acondicionado automotrices

Ventajas del refrigerante CO₂

1. Seguridad y respeto al medio ambiente

Como se muestra en la Tabla 1, el CO₂, al ser un refrigerante natural, no es inflamable, no es tóxico, no tiene potencial de agotamiento de la capa de ozono (ODP) y tiene un potencial de calentamiento global (GWP) extremadamente bajo. Estas características lo convierten en una opción ideal para aplicaciones de refrigerantes seguras y respetuosas con el medio ambiente.

Refrigerante	R134a	R1234yf	R744
Fórmula molecular	CF3CH2F	CF3CF=CH2	CO2
Punto de ebullición estándar /℃	-26.1	-30	-78.5
Temperatura crítica /℃	101.1	95	31.1
Presión crítica /MPa	4.07	3.38	7.38
Valor de PCA	1430	4	1
Valor PAO ①	0	0	0
Grupo de seguridad ②	A1 (No tóxico, no inflamable)	A2L	A1 (No tóxico, no inflamable)
Costo / (RMB/kg)	48	400	6
Ejemplos de modelos de compresores Guchen	GC20A12	GC66B600	En desarrollo

① PAO: Potencial de agotamiento del ozono
② Sistema de clasificación de seguridad ASHRAE
R: Baja toxicidad;
1, 2L, 2, 3: Niveles de inflamabilidad.
1: No inflamable.
2L: Ligeramente inflamable con baja velocidad de propagación de la llama.
2: Inflamable.
3: Altamente inflamable.

A diferencia de los refrigerantes sintéticos, el uso de CO₂ en los sistemas de aire acondicionado de los automóviles elimina la necesidad de recuperar el refrigerante durante el desguace de los vehículos. El CO₂ también está ampliamente disponible y es de bajo costo, lo que ofrece importantes ventajas de costos sobre refrigerantes como el R1234yf.

2. Rendimiento de calefacción excepcional

Sistemas de bomba de calora menudo experimentan un rendimiento de calefacción reducido en ambientes de baja temperatura. Esto ocurre debido a la disminución de la densidad del gas refrigerante a bajas temperaturas, lo que lleva a tasas de flujo másico más bajas, y porque la presión de succión del sistema debe mantenerse positiva limitando la velocidad del compresor.
Las figuras 1 y 2 ilustran que el CO₂ tiene una densidad de gas y una presión de evaporación mucho mayores en comparación con el R134a o el R1234yf, lo que le permite mantener un rendimiento de calentamiento superior incluso en condiciones de baja temperatura.

La Figura 3 muestra la capacidad de calefacción (en términos de cilindrada del compresor en cm³) para tres tipos de refrigerantes a diferentes temperaturas ambiente. La capacidad de calefacción del sistema de CO2 a diferentes temperaturas ambiente es de 7 a 11 veces mayor que la de los sistemas R134a o R1234yf. Especialmente a bajas temperaturas, el sistema de CO2 aún mantiene una alta capacidad de calefacción, lo que permite aplicar sistemas de bomba de calor que utilizan CO2 como refrigerante en regiones o estaciones con temperaturas más bajas. Además, en teoría, un potencial de calentamiento tan alto permite que los vehículos eléctricos que utilizan CO2 como refrigerante de la bomba de calor eliminen los calentadores eléctricos utilizados habitualmente, mejorando así la eficiencia energética y reduciendo los costes del sistema.
Lectura relacionada:
Sistemas de bomba de calor de dos etapas con compresor scroll de inyección de vapor para vehículos eléctricos a temperaturas frías

Desafíos del refrigerante CO₂

1. Menor eficiencia en refrigeración y calefacción

Los sistemas de CO₂ suelen funcionar en estados transcríticos, donde el refrigerante es supercrítico en el lado de alta presión. La importante pérdida de energía durante la fase de regulación de la expansión da como resultado una menor eficiencia del ciclo.
Los estudios indican que los sistemas de CO₂ tienen una eficiencia de ciclo entre un 20 y un 40 % menor que los sistemas con R134a o R1234yf, y esta desventaja se vuelve más pronunciada a temperaturas ambiente más altas. Una menor eficiencia conduce a un menor rendimiento energético, aumentando el consumo de combustible en los vehículos de combustión interna o el consumo de electricidad en los vehículos eléctricos.
Sin embargo, a temperaturas extremadamente bajas (por debajo de -10°C), la eficiencia de las bombas de calor de CO₂ supera a la de los sistemas R134a o R1234yf. Esto se debe a que estos últimos sistemas requieren calefacción eléctrica auxiliar debido a sus capacidades limitadas de bomba de calor, lo que reduce significativamente la eficiencia de la calefacción. Se están explorando tecnologías avanzadas, como eyectores y dispositivos de expansión, para mejorar la eficiencia del ciclo de CO₂, pero aún se encuentran en etapas experimentales y enfrentan obstáculos técnicos que dificultan su aplicación comercial inmediata.

2. Emisiones de carbono de alto ciclo de vida

Las emisiones de carbono durante el ciclo de vida de los refrigerantes de aire acondicionado para automóviles incluyen emisiones directas e indirectas. Las emisiones directas se producen por fugas de refrigerante durante la carga, el funcionamiento, el mantenimiento y la recuperación al final de su vida útil, mientras que las emisiones indirectas surgen del consumo de energía durante el funcionamiento del sistema y la producción//transporte de refrigerante.
Si bien el CO₂ tiene un valor de GWP insignificante, su baja eficiencia energética durante el funcionamiento da como resultado emisiones de carbono durante su ciclo de vida significativamente mayores en comparación con el R134a o el R1234yf. Esto es particularmente relevante en regiones como China, donde las ventajas de las bombas de calor de CO₂ a bajas temperaturas son menos impactantes debido a los climas templados y subtropicales.

3. Costos y problemas de fugas asociados con la alta presión operativa

Los sistemas de CO₂ funcionan a presiones superiores a 15 MPa, con un diferencial de alta presión que a menudo supera los 12 MPa y temperaturas de descarga que superan los 160 °C. Estas condiciones extremas requieren el rediseño de todos los componentes del circuito de refrigerante para soportar presiones y temperaturas tan altas, lo que aumenta significativamente los costos de los componentes.
Aunque el CO₂ en sí es económico, componentes comocompresores, los intercambiadores de calor, las tuberías de refrigerante, los separadores, las válvulas y los sensores de presión son más caros que sus homólogos en los sistemas R134a o R1234yf, lo que eleva los costes totales del sistema en al menos 2.500 yenes.
Además, el tamaño molecular más pequeño del CO₂ aumenta los riesgos de fugas a través de mangueras o conectores en condiciones de alta temperatura y alta presión. Si bien se han desarrollado materiales de sellado especializados para sistemas de CO₂, su eficacia sigue siendo subóptima y requiere recargas de refrigerante más frecuentes para mantener el rendimiento del sistema.

4. Preocupaciones de seguridad

Aunque el CO₂ no es tóxico ni tiene olor, las fugas en la cabina del vehículo podrían suponer riesgos para la salud. Concentraciones de CO₂ tan bajas como el 1% pueden provocar malestar y somnolencia, mientras que niveles del 2% pueden provocar dolores de cabeza y pérdida de concentración. Al 5% puede producirse pérdida del conocimiento o incluso la muerte.
Para mitigar los riesgos, los vehículos que utilizan refrigerantes de CO₂ deben estar equipados con sensores de CO₂. Un diseño alternativo implica el intercambio de calor indirecto, donde los circuitos de refrigerante están confinados al compartimiento del motor y el aire enfriado circula hacia la cabina. Sin embargo, este enfoque reduce la eficiencia del intercambio de calor, lo que reduce aún más el rendimiento de enfriamiento del sistema.
Las altas presiones de los sistemas de CO₂ también aumentan los riesgos de seguridad durante el desarrollo, las pruebas y el mantenimiento.

Perspectivas para las aplicaciones de refrigerantes de CO₂

Basándose en el análisis de las características del CO₂ y las limitaciones tecnológicas actuales, Guchen Industry concluye que la adopción a gran escala de sistemas de aire acondicionado para automóviles con CO₂ es poco probable en el corto plazo por las siguientes razones:
◆ Eficiencia y emisiones de carbono: la menor eficiencia energética de los sistemas de CO₂ aumenta las emisiones de carbono durante el ciclo de vida, lo que entra en conflicto con los objetivos globales de conservación de energía y neutralidad de carbono.
◆ Adecuación climática: las bombas de calor de CO₂ destacan en climas fríos, pero las ventajas son menos significativas en regiones con climas moderados, como la mayor parte de China.
◆ Desafíos de costos y seguridad: la operación a alta presión genera mayores costos, riesgos de fugas y peligros de seguridad que requieren mayores avances tecnológicos para abordarlos.

Dicho esto, las propiedades naturales del CO₂, incluida la no inflamabilidad, la baja toxicidad, el agotamiento cero de la capa de ozono y las ventajas de costos, combinadas con su excepcional potencial de calentamiento, son prometedoras para su adopción futura. A medida que la tecnología evoluciona, los sistemas de aire acondicionado para automóviles basados ​​en CO₂ pueden volverse viables para una gama más amplia de aplicaciones.