Sistemas de Refrigeración Alternativos y Puede que Sostenibles

Los sistemas de refrigeración alternativos y sostenibles pueden ser una alternativa a los sistemas con refrigerantes.

En la actualidad, los refrigeración y aire acondicionado representan uno de los mayores consumos energéticos en hogares, oficinas e industrias, especialmente en países de climas cálidos como España.

La dependencia de sistemas tradicionales basados en gases refrigerantes fluorados, aunque eficaces, plantea serios problemas medioambientales:

Alto consumo eléctrico, emisiones de gases de efecto invernadero y bastante dependencia de combustibles fósiles para producir la energía que los alimenta.

En este post analizo distintas alternativas sostenibles a los sistemas convencionales, explicando cómo funcionan, sus ventajas, limitaciones y posibilidades de aplicación real.

El objetivo es ofrecer una visión práctica para el usuario común, mostrando que existen opciones, puede que sean viables o no, si lo son, pueden reducir costes, mejorar la eficiencia y, al mismo tiempo, contribuir a un planeta más saludable.

SISTEMAS DE REFRIGERACIÓN ALTERNATIVOS

El sector de la climatización supone más del 15% del consumo energético mundial. Además, los gases refrigerantes fluorados (como los HFC) tienen un impacto ambiental desproporcionado: pueden calentar la atmósfera miles de veces más que el CO₂.

La transición hacia sistemas alternativos es, por tanto, una prioridad marcada por regulaciones internacionales (Protocolo de Montreal, Reglamento europeo F-Gas) y por las propias políticas energéticas nacionales, que buscan impulsar tecnologías más limpias y sostenibles.

PRINCIPALES ALTERNATIVAS DE REFRIGERACIÓN

A) SISTEMAS EVAPORATIVOS

• Funcionan aprovechando la evaporación del agua: al transformarse en vapor, absorbe calor y reduce la temperatura del aire.
• Son especialmente eficaces en climas secos y calurosos (por ejemplo, interiores de Andalucía).

• Consumen mucha menos electricidad que un aire acondicionado tradicional, ya que su único gasto principal es el ventilador y la bomba de agua.
• Limitación: pierden eficacia en ambientes muy húmedos.
• Y lo más importante, no producen calor en invierno.
• Solo lo utilizaría en ambiente muy secos para refrescar.

B) REFRIGERACIÓN POR ABSORCIÓN

• Utiliza calor (solar térmico, biomasa, geotermia o calor residual de procesos industriales) en lugar de electricidad para generar frío.
• Emplea pares como agua-bromuro de litio o amoníaco-agua.

• Muy interesante para grandes instalaciones: hoteles, hospitales, distritos energéticos.
• Inconveniente: requiere inversión inicial alta y un diseño complejo.
• Este caso lo conozco bien, estuve algunos años trabajando con el, se utiliza mucho en coogeneración.
• En instalaciones pequeñitas o como sistema de refrigeración en una casa, es absolutamente prohibitivo.
• En muchos hoteles tienen frigoríficos de absorción en las habitaciones.

C) SISTEMAS TERMOELÉCTRICOS (EFECTO PELTIER)

• Generan frío directamente a partir de electricidad, sin gases refrigerantes.
• Muy compactos y silenciosos.
• Uso actual: neveras portátiles, pequeños equipos de laboratorio.
• No son aún competitivos para climatización de viviendas debido a su baja eficiencia.

D) GEOTERMIA SUPERFICIAL

• Aprovecha la temperatura constante del subsuelo (unos 10-15 º  C) para climatizar espacios.
• Requiere perforación y tuberías enterradas para intercambiar calor con el terreno.
• Gran eficiencia ?? (muchas dudas) y bajo impacto ambiental.
• Inversión inicial elevada, pero con periodos de amortización de entre 15 y 20 años.

E) SISTEMAS HÍBRIDOS CON ENERGÍAS RENOVABLES

• Combinan bombas de calor con paneles fotovoltaicos (FV) o térmicos.
• Permiten reducir drásticamente el consumo de red eléctrica y aprovechar la energía solar en horas punta.
• Se adaptan bien a viviendas unifamiliares y edificios con cubierta disponible.

F) ENFRIAMIENTO MAGNÉTICO 

Principio de Funcionamiento del Efecto Magnetocalórico (MCE)

El MCE es un fenómeno en el que un material ferromagnético o paramagnético experimenta un cambio de temperatura cuando se expone a un campo magnético variable.

Fue descubierto por Emil Warburg en 1881 en el hierro.

La base física del MCE radica en un cambio en la entropía del material inducido por el campo magnético.1 Funciona de la siguiente manera:

Magnetización Adiabática:

Cuando se aplica un campo magnético a un material magnetocalórico en un entorno aislado, los momentos magnéticos de los átomos del material se alinean con el campo.

Esta alineación reduce la entropía magnética del material. Para mantener la entropía total constante (en un proceso adiabático), la entropía térmica del material debe aumentar, lo que provoca un incremento de su temperatura.

Transferencia Entálpica Isomagnética:

El calor generado durante la magnetización se transfiere fuera del material a un disipador de calor, típicamente mediante un fluido de transferencia de calor como agua o derivados del alcohol etílico.

El campo magnético se mantiene constante durante esta fase para evitar que los dipolos reabsorban el calor.

Desmagnetización Adiabática:

Una vez que el material ha liberado calor y se ha enfriado, se retira del campo magnético (o se disminuye la intensidad del campo) en un entorno aislado.

Al retirar el campo, los momentos magnéticos vuelven a sus orientaciones aleatorias, lo que aumenta la entropía magnética. Para mantener la entropía total constante, la entropía térmica del material disminuye, provocando que su temperatura baje significativamente.

Transferencia Entrópica Isomagnética:

El material magnetocalórico, ahora frío, se pone en contacto térmico con el entorno que se desea enfriar.

Debido a que el material está más frío que el entorno, absorbe calor de este, completando el ciclo de refrigeración.

Este ciclo es análogo al ciclo de refrigeración de Carnot, pero en lugar de aumentos y disminuciones de presión, utiliza aumentos y disminuciones de la intensidad del campo magnético.

Materiales y Fluidos de Trabajo

Los materiales magnetocalóricos son el corazón de estos sistemas.

El elemento químico gadolinio y algunas de sus aleaciones, como el Gd5Si2Ge2, son ejemplos notables, con el Gd5Si2Ge2 mostrando un efecto magnetocalórico gigante, aproximadamente un 50% mayor que el del gadolinio puro.

La investigación actual se centra en la identificación de nuevos materiales magnéticos que exhiban fuertes MCEs, que puedan producirse a gran escala, fabricarse en formas adecuadas, ser rentables y compatibles con los fluidos de transferencia de calor.

Se ha demostrado teóricamente y apoyado experimentalmente que los nanomateriales magnéticos pueden tener un efecto magnetocalórico más alto y menos histéresis en comparación con sus contrapartes a granel.

Los fluidos de transferencia de calor, como el agua y los derivados del alcohol etílico, actúan como refrigerantes en el sistema, facilitando el intercambio de calor con el material magnetocalórico.

Estos fluidos son respetuosos con el medio ambiente y no representan un peligro si se fugan a la atmósfera, a diferencia de los refrigerantes tradicionales.

Estado de Desarrollo y Eficiencia

El desarrollo de la refrigeración magnética ha seguido un patrón de crecimiento en forma de «S» :

• Desarrollo Temprano (1881-1930):Comenzó con el descubrimiento del MCE, pero el progreso fue lento por falta de interés.

• Enfoque en Refrigeración Criogénica (1930-1975):Se aplicó para lograr temperaturas muy bajas (por debajo de 20 K), lo que aumentó el interés en la investigación.
• Refrigeración Magnética a Temperatura Ambiente (1976-Presente):Un avance clave ocurrió en 1976 cuando Brown diseñó el primer prototipo de refrigerador magnético capaz de operar a temperatura ambiente. Otro hito crucial fue en 1997, con el descubrimiento del efecto magnetocalórico gigante en la aleación Gd5Si2Ge2, que impulsó un amplio interés internacional.

   

  Desde entonces, se han construido y probado más de 25 prototipos de refrigeradores magnéticos a temperatura ambiente, demostrando una potencia de enfriamiento de hasta 100 W y un rango de temperatura de hasta 30 °C.

   

Teóricamente, los sistemas de refrigeración magnética se consideran más eficientes que los sistemas de compresión de vapor convencionales porque eliminan los procesos de compresión y estrangulamiento.

Además, tienen menos piezas móviles y eliminan el ruido asociado con el funcionamiento del compresor. Se estima que los refrigeradores magnéticos pueden ser entre un

15% y un 20% más eficientes que los refrigeradores clásicos.

De momento no he visto ninguno sistema de refrigeración o de aire acondicionado con este sistema, ni siquiera en prototipos.

Aplicaciones y Desafíos de Comercialización

La refrigeración magnética tiene un amplio espectro de aplicaciones potenciales, incluyendo la refrigeración doméstica, sistemas de aire acondicionado (HVAC), refrigeración de supermercados, bombas de calor y la industria automotriz.

• Históricamente, el progreso se ha visto obstaculizado por la necesidad de campos magnéticos extremadamente fuertes.El pequeño aumento de temperatura producido por el efecto magnetocalórico en una sola temperatura es insuficiente para aplicaciones prácticas de refrigeración sin regeneración.

 COMPARACIÓN DE COSTES Y VIABILIDAD

El documento analiza ejemplos de aplicación en viviendas de 100 m² en zonas cálidas (como Sevilla):

• Aire acondicionado convencional: inversión inicial baja (2.000–3.000 €) pero alto coste eléctrico (400–600 €/año).
• Evaporativo: instalación más económica (1.000–1.500 €), consumo eléctrico muy reducido (80–120 €/año). Limitado en días húmedos. Sin calefacción en invierno.
• Geotermia: instalación cara (20.000–25.000 €), pero con consumos mínimos y amortización en unos 15 años.
• Absorción solar: aún poco extendido en vivienda, más útil en sector terciario.
• Híbridos con FV(fotovoltaica): coste intermedio (6.000–8.000 €) con importantes ahorros energéticos si se combina con auto-consumo eléctrico.
• Enfriamiento magnético: parece muy optimista pero está todo en desarrollo y de momento no se puede implementar en aire acondicionado, queda mucho por andar.

El análisis concluye que no existe un sistema universalmente mejor, sino que la elección depende del clima, el uso y la disponibilidad económica.

REFLEXIÓN

Después de una intensa investigación, llego a la conclusión de que hay que seguir utilizando los sistemas de compresión de vapor, es decir, el uso de refrigerantes se hace imprescindible.

Tengo claro que en este momento tenemos que pasarnos a los nuevos refrigerantes como el CO2, el R290, el R600 entre otros, los cuales reducirán drásticamente el deterioro de la capa de ozono y permitirán ambientes más saludables.

Ojala el sistema adiabático, el de células peltier, o el magnético fuese más efectivo, pero como has visto, el desarrollo está muy fojo para tener algún sistema alternativo que sea eficiente y que se pueda utilizar en cualquier circunstancia.

Que tengas un buen día.