Decarbonization of paper production via electrification: a techno-economic analysis

Decarbonizing the industrial sector has proven to be a fundamental aspect of the energy transition. This study is carried out in this context, focusing on the pulp and paper industry (PPI), which stands as one of the largest energy consumers and ranks fifth in CO2 emissions amongst all industries. This work critically reviews pivotal industrial processes within pulp and paper mills, culminating in a detailed analysis of the fundamental and energy-intensive paper drying process. The investigation emphasized electrification as a paramount strategy for decarbonization, particularly suited for industrial processes operating in low-to-medium temperatures. The drying process is modeled in Aspen Plus, validating key performance indicators against industrial standard values, and exploring the impacts from various operating parameters. Once the reference process is validated, the model is expanded to include the steam generation system. Electric boilers and a system utilizing heat pumps and compressors are considered as alternatives to the conventional gas boilers. Yearly balances, exploring diverse renewables and storage scenarios, are simulated to evaluate the different electrification options. The heat pump system has proven to be the best one, presenting a 9.1 MWe load (corresponding to a 22.6 MWth net thermal load). The flexible and concurrent operation of the heat pumps and compressors system in combination with the conventional gas boiler is proven to be able to reach 90% CO2 reduction potential, compared to the gas reference case, by exploiting photovoltaic (PV) and wind electricity generation and energy storage solutions. Considering a 40 MWh battery, the system is able to reach the 90% emissions reduction at a cost of CO2 avoided (CCA) of 59.8 €/tCO2 . Instead, the use of thermal storage could achieve the same result at a CCA of 17.8 €/tCO2 , because of its lower investment costs. The optimization results underscore how the drying process in the PPI could benefit from the synergies of renewable energy generation, low-temperature heat generation via heat pumps, and thermal energy storage.

La decarbonizzazione del settore industriale è un aspetto fondamentale della transizione energetica. Questo studio è condotto all’interno di tale contesto, concentrandosi sull’industria della carta e della cellulosa, che corrisponde ad uno dei maggiori consumatori di energia e si colloca al quinto posto per le emissioni di CO2 del settore industriale. Questo lavoro analizza i processi industriali cruciali, culminando in un’analisi dettagliata del processo di asciugatura della carta, fondamentale ed energivoro. L’indagine ha evidenziato l’elettrificazione come una strategia fondamentale per la decarbonizzazione, particolarmente adatta per processi industriali che non richiedono temperature molto elevate. Il processo di asciugatura è stato modellato sfruttando il software Aspen Plus, validandolo attraverso il confronto di alcuni parametri chiave rispetto agli standard industriali ed esplorando l’impatto di varie condizioni operative del processo. Una volta validato il processo base, il modello di produzione è stato esteso includendo sistemi di generazione di vapore alternativi al caso standard con caldaia a gas, valutando configurazioni come caldaie elettriche e sistemi con pompe di calore e compressori. Sono stati simulati dei bilanci annuali per esplorare diversi scenari di genereazione da rinnovabile con o senza accumulo e valutare le performance dei sistemi elettrificati. Il sistema con pompa di calore, che presenta un carico di 9.1 MWe (equivalente ad un carico netto di 22.6 MWth termici), si è dimostrato il migliore. Il funzionamento flessibile e parallelo del sistema di pompe di calore e compressori con la caldaia a gas convenzionale si è rivelato in grado di raggiungere un potenziale di riduzione di CO2 del 90%, rispetto al solo caso con caldaia, sfruttando la generazione di elettricità da fotovoltaico e vento ed accumuli di energia. L’installazione di una batteria da 40 MWh è in grado di raggiungere questo risultato a un costo di CO2 evitata (CCA) di 59.8 €/tCO2 . Invece, l’utilizzo di uno stoccaggio termico potrebbe ottenere lo stesso risultato ad un CCA di 17.8 €/tCO2 , grazie ai minori costi di investimento. Questi risultati sottolineano l’efficiacia dell’elettrificazione in determinati scenari e contesti industriali.