Proyecto de demostración de tecnología de aire acondicionado para automóviles ecológicos

Hace casi 40 grados centígrados (˚C) (104 Fahrenheit) y su automóvil está atrapado en el carril central de una fila estancada de automóviles y camiones que se arrastran por la carretera, de regreso a casa después de un día estresante en la oficina. Enciende la radio del automóvil y el pronóstico del tiempo predice cinco semanas más de una ola de calor abrasador. ¿Qué podría ser mejor que saber que, debajo del capó del motor, hay un dispositivo ingenioso que no solo lo mantendrá cómodo en cada uno de esos horribles viajes al trabajo, sino que también le ahorrará suficiente dinero para algunas actividades que su familia ha estado esperando?

El automóvil está equipado con un sistema de aire acondicionado móvil (MAC) recién configurado que contiene un refrigerante que almacena energía. El compresor en el prototipo se activa cuando el vehículo está desacelerando o bajando una pendiente y se desactiva cuando está acelerando o subiendo, maximizando la eficiencia energética. La energía ahorrada se almacena en el refrigerante anticongelante. Y el nuevo sistema MAC no solo ahorra dinero, sino que también reduce la probabilidad de olas de calor más frecuentes y prolongadas en el futuro, porque contiene un químico refrigerante conocido como HFC-152a que es mejor para el clima, más eficiente energéticamente que sus alternativas. , y más confiable, para que no tenga que reparar su aire acondicionado con tanta frecuencia.

Con CCAC spport, fabricante de automóviles indio TATA Motors Limited (TML) trabajó con un proveedor automotriz alemán Mahle hasta Instituto para la Gobernanza y el Desarrollo Sostenible (IGSD) para construir y probar el nuevo sistema de aire acondicionado móvil en un vehículo utilitario deportivo en 2017 y 2018. Este proyecto de demostración de tecnología fue financiado por Climate and Clean Air Coalition. El vehículo ahora ha pasado por una serie de extensas pruebas de laboratorio y de carretera en las calles y carreteras de la ciudad. Cuando se lance al mercado, será el primer sistema de este tipo, conocido como aire acondicionado móvil de circuito secundario (SL-MAC), instalado en un vehículo comercialmente disponible en cualquier parte del mundo.

Se basa en una innovación inteligente: un circuito secundario de refrigerante que corre entre el refrigerante en el compartimiento del motor y el compartimiento de pasajeros del automóvil. La mayoría de los aires acondicionados en los automóviles de hoy en día se basan en un circuito de refrigeración ubicado parcialmente en la cabina de pasajeros. Pero debido a que el HFC-152a es ligeramente inflamable, los expertos de SL-MAC han adoptado un enfoque diferente. Los ingenieros tenían que averiguar cómo eliminar el riesgo de incendio para los pasajeros. Entonces, se les ocurrió un cambio ordenado, colocando los componentes de refrigeración dentro del compartimiento del motor en lugar de la cabina de pasajeros e introduciendo un circuito secundario. Esto canaliza un refrigerante separado de la unidad de refrigerante de regreso a la cabina de pasajeros.

A primera vista, usar un refrigerante inflamable suena arriesgado. Pero según el Dr. Stephen O. Andersen, director de investigación de IGSD en Washington DC, que coordinó el proyecto, el diseño es seguro porque la carga de refrigerante es pequeña, está bien contenida y aislada del conductor y los pasajeros.

“El compartimiento del motor es un lugar cómodo para este refrigerante, y el refrigerante ha sido diseñado para ser seguro en este sistema”, explica. “Y la gasolina y otros líquidos inflamables en el compartimiento del motor, como líquido de frenos, aceite hidráulico y lubricantes, se utilizan con seguridad.”

Volvamos al asunto de la cartera del conductor. La ventaja de HFC-152a no es solo que es una décima parte del potencial de calentamiento global (GWP) del refrigerante común, 138 veces más que el dióxido de carbono en comparación con el refrigerante HFC-134a statu quo, que tiene un GWP de 1300, sino que es también que, en climas cálidos y húmedos, reduce el combustible utilizado por el aire acondicionado de un automóvil, que puede llegar a consumir hasta un 20% del combustible que un conductor pone en el automóvil. Por lo tanto, los SL-MAC con HFC-152a son más eficiente en combustible que los sistemas de aire acondicionado HFC-134a existentes, lo que se traduce en un importante ahorro de costes para los conductores. El sistema SL-MAC instalado en el Tata SUV, por ejemplo, resultó en un ahorro general de combustible del vehículo del 1.9 % al 2.6 %. Eso le ahorraría a un conductor típico de SUV en la India entre 23 y 31 litros por año en base a un vehículo conducido 15,000 km por año.

Además, el nuevo sistema de aire acondicionado redujo a la mitad las fugas de refrigerante, reduciendo tanto las emisiones como los costos de servicio y mantenimiento para el propietario del vehículo. ¿Cómo logra el SL-MAC estos impresionantes ahorros? De acuerdo con la Agencia de Protección Ambiental de los Estados Unidos (EPA) y la Administración Nacional de Seguridad del Tráfico en las Carreteras (NHTSA), el secreto de la eficiencia de SL-MAC es su capacidad de almacenamiento en frío: “Los sistemas de circuito secundario tienen un valor agregado en el sentido de que tienen la capacidad de almacenar refrigeración dentro del circuito, lo que a su vez permite para que se produzca un enfriamiento 'libre' durante los eventos de desaceleración, y luego [ser] enviado a la cabina durante la condición de ralentí del motor (con la función de arranque/parada del motor) o mientras se acelera”.

En el prototipo TATA, un programa de computadora determina cuándo se activa el compresor MAC. Los ajustes de ese programa a medida que el automóvil se mueve son clave para mejorar la eficiencia energética del MAC. Es una característica impresionante del prototipo TATA. El compresor es responsable de la mayor parte del exceso de consumo de combustible asociado con el aire acondicionado del vehículo en los sistemas actuales. Pero TATA ha diseñado un sistema que, en términos de su concepto, se parece al frenado regenerativo, en el que la energía que de otro modo se desperdiciaría se almacena y reutiliza.

De manera similar, el compresor en el prototipo se activa cuando el vehículo está desacelerando o bajando una pendiente y se desactiva cuando está acelerando o subiendo, maximizando la eficiencia energética. La energía ahorrada se almacena en el refrigerante anticongelante. Esa característica es posible en cualquier vehículo equipado con un circuito secundario u otro dispositivo de almacenamiento en frío, pero el espécimen producido por el equipo de TATA es el más afinado y el mejor diseñado hasta el momento. Como demuestran los resultados de las pruebas, los ahorros de energía logrados por esta característica compensan con creces el peso de las piezas adicionales necesarias debajo del capó del automóvil para acomodar el refrigerante y el circuito secundario.

Los ahorros en costos de servicio y combustible compensan fácilmente el menor costo inicial adicional de alrededor de $35 por el sistema SL-MAC. “Nuestros socios automotrices estiman que en la India, es necesario reparar los sistemas de aire acondicionado móviles HFC-134a más antiguos dos o tres veces durante la vida útil de un automóvil. En el nuevo SL-MAC, lo repara tan solo una vez”, señala Kristen N. Taddonio, asesora sénior de clima y energía de IGSD. Eso significa menos viajes al garaje y menos inconvenientes al reservar una cita y esperar. Para algunas flotas comerciales, podría reducir significativamente los costos.

Luego está el factor comodidad. En la mayoría de los vehículos, el aire acondicionado tarda 60 segundos en funcionar cada vez que enciende el automóvil. En el SL-MAC, el enfriamiento comienza inmediatamente después de paradas breves, sujeto a que el refrigerante esté lo suficientemente frío. Con el depósito de energía en el refrigerante anticongelante frío, los ocupantes del automóvil permanecen cómodos durante más tiempo, incluso si dejan el motor apagado.

Pero tengamos en cuenta la razón detrás de la invención en primer lugar: el clima. Si los fabricantes de automóviles reemplazaran todos los MAC con HFC-134a por MAC con HFC-152a SL en los automóviles de todo el mundo a partir de 2020, ahorraríamos miles de millones de toneladas de emisiones de gases de efecto invernadero para 2050.

La cantidad de refrigerante necesaria para enfriar un vehículo equipado con SL-MAC es menor que la de los MAC convencionales. Los automóviles SL-MAC también tienen una tasa de fuga más baja debido a la menor cantidad de juntas en el circuito de refrigerante primario. Es por eso que el SL-MAC utilizado con HFC-152a logra emisiones extraordinariamente bajas del refrigerante, así como del combustible utilizado para alimentar el MAC.

Esa es una consideración importante, dada la enorme contribución que actualmente hacen los refrigerantes al calentamiento global. Según los científicos del clima, los HFC representarían un aumento en el calentamiento global de 0.5 ˚C si no se toman medidas, una parte importante del máximo de 1.5 o 2 ˚C de calentamiento adicional que el planeta puede tolerar. De esa contribución de HFC, del 25% al ​​35% proviene de los automóviles.

El bucle secundario agrega complejidad. Con la ingeniería ab initio del SL-MAC, incluida la arquitectura, la integración con los sistemas de gestión del motor, los intercambiadores de calor y los accesorios de mayor calidad, es posible superar cualquier desventaja.

“Los fabricantes de automóviles buscan todas las ventajas competitivas en términos de mejorar la eficiencia del combustible y reducir los costos, por lo que el SL-MAC representa una oportunidad emocionante”, dice la Dra. Nancy J. Sherman, directora de evaluación técnica de IGSD. Las consideraciones ambientales también pesan mucho sobre los fabricantes de automóviles y la marca debido a las regulaciones vigentes o en el horizonte. Por supuesto, cualquier fabricante importante de automóviles considerará instalar sistemas similares en los vehículos eléctricos. Hoy en día, cualquier marca que reclame un diseño avanzado y de vanguardia debe incluir equipos amigables con el clima.

¿Cómo funciona la tecnología SL-MAC?

Un circuito de refrigerante en el compartimiento del motor que contiene HFC-152a enfría un refrigerante similar a un anticongelante en un circuito secundario separado que se conecta a la cabina de pasajeros, enfriando a los ocupantes. El calor de la cabina se transfiere a través del refrigerante a un condensador en el compartimiento del motor, donde el calor se expulsa al aire. Durante el ciclo de calentamiento y enfriamiento, los componentes conocidos como intercambiadores de calor evaporan líquido, convirtiéndolo en gas frío, o condensan gas, convirtiéndolo nuevamente en líquido caliente. A medida que se lleva a cabo la conversión, el calor se transfiere de gas a líquido o viceversa.

La prueba piloto y el diseño se realizaron con el apoyo y respaldo de Naciones Unidas para el Medio Ambiente. El fabricante de repuestos para automóviles MAHLE y Tata Motors, junto con IGSD, recibieron fondos para desarrollar el sistema SL-MAC del Climate and Clean Air Coalition. 

Los documentos relevantes del estudio se pueden encontrar a continuación.