Techno-economic analysis of the use of a solar assisted heat pump for pasteurization process

European CO2 emissions during previous year assested at 3.151 Mton, 20% of which attributable to different kind of industrial processes. It should be clear how decarbonization process must be promoted also in this sector in order to limit the environmental impact and achive the carbon neutrality many Nations have settled within next three decades. Solar assisted heat pump can be a viable solution with respect to conventional hot water production methods for those industrial processes who requires medium temperature hot water. During this thesis work has been analyzed how this solution could reduce environmental impact up to 95% with respect to conventional solutions, also not negligible economic advantages can be achived for less environmental efficient solutions. After the bibliographic research, a MATLAB model of a water/water CO2 heat pump integrated with two different type of panels, both photovoltaic thermal and vacuum solar thermal one, has been developed. The exploitement of natural refrigerants acquired considerable interest in recent years, mostly releated to to environmental issues, furthermore, carbon dioxide is a particularly suitable refrigerant to sink temperatures releated to the selected industrial processes. The coupling with two different types of panels then allows to study the effects of the different production mechanism over the annual production. The model, validated according to the information provided by the manufacturers of the various components, provides all the data necessary to verify the techno-economic feasibility of the application of solar assisted heat pump to the selected industrial process, allowing to choose the solution that best suits to the industry’s needs.

Le emissioni di CO2 in Europa durante lo scorso anno sono state pari a 3151 Mton di cui circa il 20% riconducibili a processi industriali di varia natura. Risulta evidente come il processo di decarbonizzazione debba essere portato avanti anche in questo settore al fine di limitare l’impatto ambientale e raggiungere l’obbiettivo di neutralità climatica che diverse nazioni si sono preposte entro i prossimi tre decenni. L’impiego di una pompa di calore elio assistita per quei processi che richiedono la produzione di acqua calda a media temperature risulta un’alternativa interessante ai convenzionali metodi di produzione. Durante questo lavoro si è analizzato come questa soluzione possa effettivamente ridurre l’impatto ambientale dell’industria fino al 95% portando eventualmente anche a vantaggi non trascurabili in termini economici per soluzioni meno performanti dal punto di vista ambientale. Dopo un’iniziale ricerca bibliografica è stato realizzato in MATAB un modello di pompa di calore acqua/acqua alimentata a CO2 integrata con due differenti tipologie di pannelli: fotovoltaici-termici e solari-termici sottovuoto. L’utilizzo di refrigeranti naturali ha acquisito notevole interesse negli ultimi anni soprattutto in relazione alle tematiche ambientali, inoltre l’anidride carbonica risulta essere un refrigerante particolarmente adeguato alle temperature relative ai processi industriali selezionati. L’accoppiamento con due diverse tipologie di pannelli permette poi di studiare quelli che sono gli effetti delle diverse soluzioni produttive sulla produzione annuale. Il modello, validato in accordo alle informazioni fornite dei produttori dei vari componenti, restituisce i dati necessari per capire la fattibilità tecnica ed economica dell’applicazione della pompa di calore elio assistita al processo industriale in esame, permettendo di scegliere la soluzione che meglio si adatta alle esigenze dell’industra.