Techno-economic assessment of a reversible organic rankine cycle/high-temperature heat pump system for geothermal applications

Decarbonizing the heating sector is a priority and deep geothermal district heating offers a reliable low-carbon solution. A promising approach to enhance the system's renewable thermal capacity and support expected district heating network (DHN) expansion is the integration in the geothermal heating plant of a reversible system, capable of flexibly operating either as an Organic Rankine Cycle (ORC) or high-temperature heat pump (HTHP). Based on DHN demand, its operational mode is defined: during peak load times it operates as HTHP, to supply the additional thermal power required. During off-peak times it functions as an ORC, exploiting excess geothermal heating available to produce electricity, thus increasing the profitability of the investment. The geothermal heating plant is initially evaluated as a replacement for the boiler in a fossil fuel district heating system (DHS). Results demonstrate a substantial reduction of 87.9% in CO₂ emissions and confirm the project's economic viability, with a payback period of less than five years. The integration of the reversible plant is assessed across various scenarios of DHN expansion. The proposed system proves to be highly profitable in all scenarios, showing stable performance with payback periods inferior to three years, and outperforms both ORC and HTHP independent solutions. Heat pump operation significantly reduces the usage of peak load boilers by 89.7% and cuts related emissions by 52.5% in the main scenario analyzed.

La decarbonizzazione del settore del riscaldamento è una priorità, e il teleriscaldamento geotermico offre una soluzione affidabile a basse emissioni di carbonio. Un'opzione promettente per aumentare la capacità termica rinnovabile del sistema e sostenere l'espansione prevista della rete di teleriscaldamento è l'integrazione di un sistema reversibile, capace di operare in modo flessibile sia come Organic Rankine Cycle (ORC) che come high-temperature heat pump (HTHP). A seconda della domanda della rete, il sistema cambia modalità operativa: durante i periodi di alta richiesta, funziona come HTHP per fornire la richiesta potenza termica aggiuntiva, mentre durante i periodi di bassa domanda opera come ORC, utilizzando il calore geotermico in eccesso per produrre elettricità e aumentare così la redditività dell'investimento. L'impianto di riscaldamento geotermico viene valutato in sostituzione della caldaia di una rete di teleriscaldamento fossile. I risultati mostrano una significativa riduzione delle emissioni di CO₂ pari all'87,9% e confermano la fattibilità economica del progetto, con un payback time inferiore ai cinque anni. L'integrazione del sistema reversibile viene valutata in diversi scenari di espansione della rete di teleriscaldamento. Il sistema proposto si dimostra altamente redditizio in tutti gli scenari, mostrando una performance stabile con payback period inferiori ai tre anni, e prestazioni economiche migliori rispetto a soluzioni indipendenti ORC o HTHP. L'uso della pompa di calore riduce del 89,7% l'uso di energia fossile per coprire i picchi di domanda e abbassa le relative emissioni del 52,5% nel principale scenario analizzato.