Frío a partir de calor, refrigeración por absorción

Las instalaciones de energía solar térmica han tenido un uso más extendido en países del Centro y Norte de Europa, donde tipicamente se utlizan para agua caliente sanitaria y para calefacción. En países con clima Mediterráneo las soluciones técnicas deben ser distintas, ya que la demanda de calefacción en invierno es menor y en verano existe una importante demanda de frío. Ante esta circunstancia, resultaría de gran utilidad un aparato que actuara a modo de "conversor de calor", de manera que transformara el calor en frío.

Esto es posible sin violar los principios de la Termodinámica. Existe varios tipos de "conversores de calor", siendo las máquinas de refrigeración por absorción una de las opciones más extendidas. A "grosso modo" se tratan de máquinas térmicas que tienen integrado "todo en uno" un ciclo de potencia que alimentaría un ciclo frigorífico, sin necesidad de pasar por producir trabajo mecánico que a su vez produciría electricidad que movería el compresor del ciclo frigorífico.

Dado que en general utilizan energía de baja calidad (calor, en vez de electricidad) suelen tener un rendimiento aparentemente pequeño. Pero realmente es injusto comparar directamente el rendimiento de estas máquinas térmicas con los conocidos ciclos de compresión de vapor: es como comparar uvas con peras. Para hacer una comparativa más rigurosa, habría que tener en cuenta el consumo de ambos ciclos en términos de energía primaria, es decir, energía obtenida directamente de la naturaleza (de eso ya hablaremos en otra entrada). El punto clave y principal virtud de estas máquinas térmicas es que comprimen en refrigerante en fase líquida, por lo que el aporte de trabajo mecánico al ciclo es muchísimo menor que en el caso de ciclos de compresión de vapor. Las aplicaciones típicas de este tipo de máquinas térmicas es aprovechar la energía solar de media/baja temperatura (70-90ºC) en verano o aprovechar los calores residuales de, por ejemplo, grupos electrógenos o de determinados procesos industriales.

La inmensa mayoría de máquinas de absorción comerciales o bien utilizan agua como refrigerante o bien amoníaco. Todas las máquinas de absorción necesitan una sustancia absorbente, una sustancia soluble con el refrigerante que lo hace pasar de fase vapor a fase líquida, para así poder comprimirlo en fase líquida con una bomba, no en fase vapor con un compresor. Si se utiliza agua como refrigerante, un absorbente típico es el Bromuro de Litio (LiBr), si el refrigerante es amoníaco, agua suele ser la sustancia absorbente, ya que es menos volátil que el amoníaco. El agua es un excelente refrigerante, pero obliga a trabajar a presiones subamosféricas, lo que dificulta la construcción de estas máquinas, y además, tenemos la limitación del punto triple del agua: por debajo de 0ºC (no importa la presión) aparece hielo en el punto más frío de la máquina, el evaporador, lo que impide la circulación del agua. Así, las máquinas agua-LiBr están limitadas a aplicaciones de aire acondicionado. El amoníaco es un refrigerante más universal, ya que puede alcanzar sin problemas temperaturas inferiores. Puede ser utilizado para aplicaciones de refrigeración (por debajo de 0ºC), como bomba de calor, etc. Sin embargo a las mismas condiciones, las máquinas amoníaco-agua tienen peor rendimiento que las agua-LiBr, por lo que su utilización es complementaria.

Existen muchos fabricantes de máquinas de absorción, sobre todo a partir de 250 kW de potencia de frío: Trane, York, Carrier, Sanyo, Ebara, Broad, Entropie, etc. (agua-LiBr); Colibri-Stork, Robur, Hans Güntner GmbH Absorptionskälte KG, (amoníaco-agua). Por debajo de 50 kW existen muy pocos fabricantes, aunque en los últimos años se han hecho varios desarrollos, sobre todo en Europa: Yazaki (agua-LiBr, Japón), Suninverse, Schüco (agua-LiBr, Alemania), ClimateWell (agua-LiCl, Suecia), Chili (amoníaco-agua, Austria).

Se trata de un campo todavía no lo suficientemente maduro, así que exiten muchas líneas de I+D en curso. Las más activas las podríamos clasificar en:

• Búsqueda de nuevos refrigerantes y/o absorbentes (o aditivos) para mejorar el rendimiento termodinámico del ciclo.
• Mejorar el rendimiento de los intercambiadores de calor para reducir el tamaño de las máquinas.
• Mejorar otras propiedades, como la solubilidad de las sales (como LiBr) para así aumentar el rango de trabajo.
• Desarrollo de máquinas de pequeña potencia de bajo coste.

El gran talón de Aquiles de estas máquinas es que se necesita el doble de material (metales conductores de calor, acero, cobre) para los intercambiadores de calor si lo comparamos con una máquina de compresión de vapor. Esto origina un gran coste, por lo que en general se justifica más facilmente la inversión inicial para instalaciones de gran potencia.

Más datos en:

http://www.caib.es/conselleries/industria/dgener/user/portalenergia/pla_eficiencia_energetica/climatitzacio_2.es.html
"Absorption Chillers". Proyecto CHOSE: Energy Savings by CHCP plants in the Hotel Sector. European Commission Directorate-General for Energy Save II Programme Energy.

http://en.wikipedia.org/wiki/Absorption_refrigerator

Herold, K. E., Radermacher, R., Klein, S. A., "Absorption chillers and heat pumps", 1996, CRC Press.

Un saludo