Optimization of energy consumption in the ceramics industry: a techno-economic analysis

The ceramics industry stands as a vital sector in the global manufacturing landscape, characterized by its energy-intensive operations and significant environmental footprint. This thesis undertakes a comprehensive examination of the energy dynamics within the ceramics industry, focusing particularly on the traditional ceramics sector and its implications for sustainability and economic viability. Through a study of energy consumption trends and technological innovations, this thesis elucidates the urgent need for transformative measures within the ceramics industry. After a holistic study of the ceramic processing, focus was placed on the spray drying stage of the ceramic’s manufacturing, and low-carbon alternatives were explored for their potential to mitigate energy consumption and CO2 emissions. The study employs comparative analyses to assess the efficacy of alternative spray drying facilities, integrating thermal energy storage, photovoltaics and/or gas turbines, in reducing fossil fuels and grid dependency. Reference spray drying models were built using existing literature data and the ASPEN modeling software, forming the basis for comparison with the proposed modeled system. Furthermore, a techno-economic analysis was performed, evidencing a higher capacity of a system with a gas turbine (GT) as thermal backup in suppressing grid reliance while a higher effectiveness in diminishing natural gas consumption was shown characteristic of the system with a burner as backup. Both systems were tested with several photovoltaic (PV) and thermal energy storage (TES) capacity combinations (5-100 MW PV; 0-300 MWh TES). For the two systems, TES capacities that minimize Payback times and levelized cost of heat, for each PV capacity, were found. Leaving as an investment choice the size of the PV farm. In summary, this thesis offers actionable insights for the ceramics industry to transition towards more sustainable practices, emphasizing the imperative of technological innovation and strategic investment in renewable energy solutions.

L’industria ceramica, essenziale nel panorama manifatturiero globale, è caratterizzata da operazioni ad alta intensità energetica e un’impronta ambientale rilevante. Questa tesi esamina dettagliatamente la dinamica energetica nel settore, concentrandosi sulle ceramiche tradizionali e la loro sostenibilità economica. Attraverso lo studio delle tendenze del consumo energetico e delle innovazioni tecnologiche, emerge l’urgenza di misure trasformative. Si analizza la fase di essiccazione a spruzzo, esplorando alternative a basse emissioni di carbonio per ridurre consumo energetico ed emissioni di CO2. Utilizzando analisi comparative, si valuta l’efficacia di impianti alternativi, integrando fonti energetiche rinnovabili. Sono stati costruiti modelli di essiccazione a spruzzo di riferimento utilizzando dati della letteratura esistente e il software di modellazione ASPEN, formando la base per il confronto con il sistema modellato proposto. È stata eseguita un’analisi tecno-economica, evidenziando la capacità di sistemi con turbine a gas nel ridurre la dipendenza dalla rete elettrica e l’efficacia dei sistemi con bruciatori nel diminuire il consumo di gas naturale. Entrambi i sistemi sono stati testati con diverse combinazioni di capacità fotovoltaica (5-100 MW) e di accumulo di energia termica (0-300 MWh). Considerando le combinazioni corrispondenti al tempo minimo di ammortamento, i sistemi sono in grado di raggiungere una significativa penetrazione delle rinnovabili (tra il 70,6% e il 66,1%) e riduzione delle emissioni di CO2 (tra il 68,7% e il 63,3%). In sintesi, questa tesi offre spunti per un’industria ceramica più sostenibile, sottolineando l’importanza dell’innovazione tecnologica e dell’investimento in energie rinnovabili.