A techno-economic analysis of solar thermal system for dairy process

Climate change is an issue that must be addressed urgently. In Europe, the industrial sector is the second-largest CO₂ emitter after electricity production, with the food industry ranking fourth in emissions. Characterized by medium-to-low temperature processes, this sector can be decarbonized through the use of solar thermal energy. In this study, an Excel-based model was developed to simulate the performance of a solar field. The analysis was conducted on an hourly basis, applying the model to the Salcis dairy company, located in Siena. After examining the production processes and the temperatures involved, two scenarios were defined to compare Flat Plate Collectors (FPCs) and Parabolic Trough Collectors (PTCs). In the first scenario, the solar field operates at temperatures between 115°C and 145°C, while in the second, it ranges from 140°C to 180°C. Various combinations of Solar Multiple (SM) and equivalent hours of Thermal Energy Storage (TES) were considered, evaluating their impact on four key performance indicators (KPIs): Renewable Penetration (RP), Levelized Cost of Heat (LCOH), Cost of Avoided CO₂ (CCA), and Payback Time (PBT). Finally, an optimal configuration was identified, representing a balance between decarbonization and cost. This solution involves the use of FPCs in Scenario 1, with an SM of 2 and a TES corresponding to 6 equivalent hours. It would enable an RP of 68%, an LCOH of 62.82 €/MWh, and a CCA of 135.50 €/tonCO2

Il cambiamento climatico è una problematica che deve essere affrontata con urgenza. In Europa, il settore industriale è il secondo maggiore emettitore di CO₂ dopo la produzione di elettricità, e in particolare l’industria alimentare è il quarto settore per emissioni. Esso è caratterizzato da processi a temperature medio-basse, può essere quindi decarbonizzato attraverso l’uso del solare termico. In questo studio, è stato sviluppato un modello in Excel per simulare le performance di un campo solare. L’analisi è stata condotta su base oraria, applicando il modello all’azienda casearia Salcis, situata a Siena. Dopo aver analizzato i processi produttivi e le temperature coinvolte, sono stati definiti due scenari in cui sono stati confrontati Flat Plate Collectors (FPCs) e Parabolic Trough Collectors (PTCs): nel primo scenario, il campo opera a temperature tra i 115°C e i 145°C, mentre nel secondo lavora tra 140°C e 180°C. Sono state considerate diverse combinazioni di Solar Multiple (SM) e ore equivalenti di Thermal Energy Storage (TES), valutandone l’effetto su quattro KPI principali: Renewable Penetration (RP), Levelized Cost of Heat (LCOH), Cost of Avoided CO₂ (CCA) e Payback Time (PBT). Infine, è stata identificata una configurazione ottimale che rappresenta un compromesso tra decarbonizzazione e costi: essa prevede l’utilizzo di FPCs nel primo scenario, con un SM pari a 2 e un TES uguale a 6 ore equivalenti. Questa soluzione consentirebbe di raggiungere un RP del 68% con un LCOH di 62.82 €/MWh e un CCA di 135.50 €/tonCO2.