Analisi di un impianto a pompa di calore abbinato ad un compressore di vapore d'acqua per la produzione di vapore industriale

Industrial sector is responsible for a quarter of European energy consumption and the major request is for thermal energy, obtained by fossil fuels combustion. To achieve carbon neutrality by 2050 is fundamental to decarbonize the industrial sector, to do so process electrification is a priority. Heat pumps can be a key aspect to reduce energy consumption and to electrify the industrial heat demand up to 150 °C. In this thesis a Matlab model of a heat pump is developed. This heat pump produces saturated steam at 120 °C or by direct evaporation in the condenser, or by recompression of a lower temperature steam. The model is based on actual components available on the market. The chosen refrigerant is isobutane (R600a), also due to the growing predilection for natural fluids. The results show that heat pumps can significantly cut industrial heat related emissions, but their operating cost is not competitive yet, compared to gas fired boiler. To achieve competitiveness, the electricity to gas price ration needs to be lower, a way to achieve this is by emissions valorization systems.

Il settore industriale è responsabile di un quarto del consumo energetico europeo, e il consumo principale è di energia termica, ottenuta dalla combustione di combustibili fossili. Per riuscire a raggiungere la neutralità carbonica entro il 2050 è fondamentale decarbonizzare l’industria e per fare ciò è importante l’elettrificazione dei processi. Le pompe di calore posso essere un tassello chiave per ridurre i consumi energetici e elettrificare le richieste termiche a temperature fino a 150 °C. In questo lavoro si è sviluppato un modello Matlab di una pompa di calore che produce vapore saturo a 120 °C o direttamente o tramite compressione di vapore a più bassa temperatura. Il modello è costruito sulla base di componenti reali disponibili sul mercato. Il fluido refrigerante scelto è stato l’isobutano (R600a), anche per la crescente predilezione verso i fluidi naturali. I risultati dimostrano che le pompe di calore possono ridurre significativamente le emissioni legate alla richiesta termica industriale, però il loro costo operativo non è ancora competitivo rispetto alle caldaie a gas. Per renderle competitive deve ridursi il rapporto tra il costo dell’energia elettrica e quello del gas naturale, anche tramite sistemi di valorizzazione delle emissioni.