High-temperature heat pump : a new solution to supply the ovens in a car paint shop

The goal of the thesis is to evaluate, both from a technical and an economical perspective, the possibility to supply the ovens of a paint shop with high-temperature heat pumps. Starting from a real plant, in which the ovens are supplied by natural gas, the facility is analyzed to find a waste energy carrier that can be used as a source for heat pumps. Then, different plant configurations are studied to find which is the best solution. Next, the current market for high-temperature heat pumps is examined to study and analyze a feasible solution which can be adopted nowadays. Having assessed the technical possibility of this new solution, its feasibility from an economic point of view is studied. The economic analysis takes place as a comparison between the solution installed today, based on natural gas burners, and the future solution, which involves the use of heat pumps. One advantage over the present layout system is related to CO2 production. By purchasing electricity from renewable sources, referring to the power supply of the oven analyzed, the heat pump solution turns out to be CO2 neutral. As a result, the new solution looks towards the European directives and customers who tend to encourage and prefer solutions that lead to a reduction in CO2 emissions. The benefit of reducing the CO2 produced by ovens is not only on a marketing level but also from an economic point of view. Given the presence of the Emission Trading System, a reduction in CO2 also results in the purchase of fewer allowances, or the sale of redundant ones, allowing a lower cost or profit per ton of CO2 avoided. Given the increase in electricity that this new solution requires, the possibility of installing a series of photovoltaic panels on the roof of the facility will be considered to reduce the amount of electricity taken from the grid. Finally, only for the feasible cases nowadays, given the great fluctuation of the natural gas and electricity price, and in the perspective of a cap on the cost of gas, the cost effectiveness of the investment is evaluated as the last two parameters change

L'obiettivo della tesi è la valutazione, sia da un punto di vista tecnico che economico, della possibilità di alimentare i forni presenti in un impianto di verniciatura di automobili con delle pompe di calore ad alta temperatura. Partendo da una soluzione impiantistica reale, in cui i forni sono alimentati a gas naturale, si analizza l’impianto con l’obiettivo di trovare un vettore energetico di scarto che possa essere utilizzato come sorgente per le pompe di calore. Si prosegue con lo studio di differenti configurazioni impiantistiche per trovare quale sia la migliore ed ottenerne una realizzabile al giorno d’oggi. L’analisi economica si svolge come un confronto tra la soluzione presente oggi, basata sui bruciatori a gas naturale, e quella futura, che prevede l’utilizzo delle pompe di calore. Un vantaggio rispetto al sistema attualmente presente è legato alla produzione di CO2. L’utilizzo di pompe di calore consente di ridurre significativamente le emissioni di CO2 fino ad azzerarle qualora l’energia elettrica fosse prodotta interamente da fonti rinnovabili. La nuova soluzione abbraccia le richieste delle direttive europee e dei clienti che tendono a incentivare e preferire soluzioni che portano a una riduzione delle emissioni di CO2. Il vantaggio nel ridurre la CO2 prodotta dai forni non è solamente a livello d’immagine ma è anche tangibile da un punto di vista economico. Data la presenza dell’Emission Trading System, una riduzione delle CO2 comporta anche l’acquisto di minori quote, o la vendita di quelle in esubero, permettendo un minor costo o un guadagno per ogni tonnellata di CO2 evitata. Dato l’aumento di energia elettrica che questa nuova opzione impiantistica richiede, si valuta la possibilità di installare una serie di pannelli fotovoltaici sul tetto della struttura per ridurre la quantità di elettricità prelevata dalla rete elettrica. Infine, solamente per le casistiche realizzabili al giorno d’oggi, data la grande variazione del prezzo del gas naturale e dell’energia elettrica, e in prospettiva di un tetto massimo al costo del gas, si valuta la convenienza economica dell’investimento al variare di questi ultimi due parametri.