Sistemas de refrigeração baseados em CO2: serão uma resposta mais sustentável?

A transição para refrigerantes naturais como o CO₂ não é apenas uma necessidade regulamentar, mas uma oportunidade para redesenhar um setor mais eficiente e ambientalmente responsável.

A crescente urgência em reduzir as emissões de gases com efeito de estufa e a adoção de regulamentações internacionais cada vez mais rigorosas têm colocado pressão sobre a indústria de refrigeração para que esta encontre soluções ambientalmente responsáveis e tecnicamente avançadas. Durante décadas, os refrigerantes sintéticos tais como hidrofluorocarbonetos (HFCs) e hidroclorofluorocarbonetos (HCFCs) dominaram o mercado, mas o seu elevado Potencial de Aquecimento Global (GWP) e o impacto ambiental significativo levaram à busca por alternativas mais sustentáveis. Neste contexto, dois refrigerantes naturais, o dióxido de carbono (CO₂) e a amónia (NH₃), emergem como candidatos promissores. O CO₂, também conhecido como R-744, tem atraído a atenção devido ao seu GWP praticamente nulo e sua eficiência em aplicações específicas de refrigeração. No entanto, a amónia (R-717) é igualmente competitiva, sendo amplamente utilizada devido à sua eficiência energética superior e ao seu GWP também praticamente nulo.

Figura 1. Progresso da UE na redução gradual dos HFCs sob o Regulamento de Gases Fluorados da UE e o Protocolo de Montreal ¹.

A razão pela qual iremos destacar o CO₂, neste artigo, prende-se com o facto de apesar da amónia se destacar em muitos aspetos técnicos, como a eficiência em climas mais quentes e em aplicações industriais de larga escala, apresenta dois desafios cruciais: a toxicidade e a inflamabilidade. O CO₂, ao contrário da amónia, não é tóxico nem inflamável, sendo uma escolha mais segura para ambientes comerciais e urbanos. Isso faz com que o CO₂ seja preferido em instalações onde a segurança é uma prioridade, como supermercados ou áreas de elevada densidade populacional onde potenciais fugas de amónia representam um risco grave.

Focando no GWP, esta é uma métrica fundamental na avaliação do impacto climático dos fluidos refrigerantes. Substâncias como o R-410A, um HFC amplamente utilizado, têm um GWP de 2.088, o que significa que, quando libertados na atmosfera, contribuem para o aquecimento global numa escala muito superior à do CO₂, que tem um GWP de 1. Apesar da substituição por gases como o R-32, com um GWP de 675, representar uma melhoria significativa, ainda há uma elevada dependência de refrigerantes sintéticos. Dado que o CO₂ é naturalmente abundante e não tóxico, a sua adoção não está apenas alinhada com os objetivos de descarbonização a longo prazo, mas também com a redução da pegada carbónica da indústria da refrigeração.

Os sistemas de refrigeração baseados em CO₂ oferecem várias vantagens técnicas e ambientais. Em termos de eficiência energética, o CO₂ tem um desempenho notável em ambientes de temperatura baixa a moderada, especialmente em aplicações comerciais como a indústria alimentar (para refrigeração dos alimentos) ou indústria farmacêutica. Além disso, em aplicações industriais, como é o caso dos data centers (cada vez de maiores dimensões e com uma elevada requisição energética) onde o calor gerado pelos sistemas de refrigeração pode ser reaproveitado, as tecnologias de recuperação de calor presentes em chillers de CO₂ podem aumentar ainda mais a eficiência geral do sistema.

Outro fator crítico é a segurança e a estabilidade. O CO₂ é não inflamável e apresenta baixa toxicidade, eliminando muitos dos riscos associados aos refrigerantes sintéticos. A alta densidade do CO₂ também permite que quantidades menores de refrigerante sejam necessárias, o que reduz os custos de reabastecimento e manutenção.

Apesar das suas vantagens, a implementação de sistemas de CO₂ enfrenta desafios consideráveis, particularmente devido às elevadas pressões às quais devem operar os sistemas, necessárias para o seu funcionamento eficiente. Os sistemas de CO₂, especialmente em aplicações transcríticas, operam a pressões muito mais elevadas do que os sistemas convencionais, o que exige componentes especializados e mais robustos, como compressores e permutadores de calor, resultando em custos (CAPEX) iniciais mais elevados.

Estudos indicam que os custos iniciais de instalação de sistemas de CO₂ podem ser cerca de 30% superiores aos dos sistemas convencionais baseados em HFCs. No entanto, essa diferença tende a ser compensada ao longo do ciclo de vida do sistema, devido à sua durabilidade e maior eficiência energética, especialmente em ambientes mais frios. Além disso, a evolução contínua das tecnologias de refrigeração baseadas em CO₂ está a reduzir os custos operacionais e a melhorar a competitividade em comparação com os refrigerantes sintéticos². A eficiência dos sistemas baseados em CO₂ está em constante evolução, especialmente devido a melhorias em componentes como compressores de alta pressão e tecnologias de controlo de ciclo. Por exemplo, a introdução de novos permutadores de calor microcanal permite uma transferência de calor mais eficiente, o que resulta em maior capacidade de refrigeração com menor consumo energético.

Outra inovação significativa é a adoção crescente de sistemas híbridos, que combinam a tecnologia de CO₂ com outras soluções de refrigeração. Estes sistemas híbridos podem operar de forma subcrítica ou transcrítica, dependendo das condições ambientais, proporcionando flexibilidade e maior eficiência. A implementação dessas tecnologias pode reduzir ainda mais o consumo de energia em até 20%, dependendo da aplicação e da configuração do sistema³. Para otimizar ainda mais a eficiência e superar as limitações de cada refrigerante, uma solução promissora é a combinação de CO₂ e amónia (ambos refrigerantes naturais) em sistemas de cascata. Nestes sistemas, a amónia pode ser usada no ciclo de alta temperatura, tirando proveito da sua elevada eficiência energética, enquanto o CO₂ é usado no ciclo de baixa temperatura, onde as suas características operacionais se destacam. Esta abordagem híbrida permite que o CO₂ opere dentro do seu intervalo ideal de pressões e temperaturas, enquanto a amónia consegue lidar com as condições mais exigentes do ciclo de alta temperatura. Estudos indicam que esses sistemas em cascata podem reduzir o consumo de energia em até 20%, dependendo da configuração e aplicação específica⁴.

Deste modo, a transição para sistemas de refrigeração baseados em CO₂ não é apenas uma resposta às regulamentações internacionais, que impõem restrições ao uso de HFCs, mas também uma estratégia proativa para reduzir a pegada de carbono do setor. Dados da European Partnership for Energy and the Environment (EPEE) indicam que a substituição de refrigerantes com elevado GWP por alternativas naturais, como o CO₂, poderá contribuir significativamente para a meta da União Europeia de reduzir as emissões de gases com efeito de estufa, até 2030^{5 6}.

Os sistemas de refrigeração baseados em CO₂ representam uma resposta sustentável e tecnologicamente avançada aos desafios ambientais e energéticos enfrentados pela indústria. Com benefícios que incluem um GWP praticamente nulo, maior eficiência em climas frios e segurança operacional, o CO₂ surge como uma solução promissora para a descarbonização do setor. Apesar dos desafios relacionados aos custos iniciais e à complexidade técnica, as inovações tecnológicas e a evolução dos componentes especializados estão a impulsionar a adoção desses sistemas em todo o mundo. A transição para refrigerantes naturais como o CO₂ não é apenas uma necessidade regulamentar, mas uma oportunidade para redesenhar um setor mais eficiente e ambientalmente responsável.

Referências:

¹ European Environment Agency. (2021). Fluorinated greenhouse gases 2021. Acedido via https://www.eea.europa.eu/publications/fluorinated-greenhouse-gases-2021, em 04/10/2024

² Kozlowski, C., & Rucinski, A. (2021). Energy and Economic Analysis of an R744 Cooling System as a Replacement for an R404A System. Warsaw University of Technology, Faculty of Power and Aeronautical Engineering, Institute of Heat Engineering, Warsaw, Poland.

³ Queiroz, M. V. A. (2022). Análise experimental de um sistema de refrigeração cascata comercial com HFC e HFO/R744. Universidade Federal de Uberlândia, Brasil

⁴ Bellos, E., & Tzivanidis, C. (2019). A theoretical comparative study of CO2 cascade refrigeration systems. Applied Sciences, 9(4), 790. https://doi.org/10.3390/app9040790

⁵ European Partnership for Energy and the Environment (EPEE) (2024). New F-gas regulation (2024). Acedido via https://epeeglobal.org/epee-brochure-f-gas-regulation-revision/, em 04/10/2024

⁶ European Commission. “Climate-friendly alternatives to HFCs.” Acedido via https://climate.ec.europa.eu/eu-action/fluorinated-greenhouse-gases/climate-friendly-alternatives-hfcs_en, em 04/10/2024