High-temperature heat pumps for combined heating and cooling processes: a study for milk pasteurization decarbonization

High-temperature heat pumps for combined heating and cooling represent a concrete solution for the decarbonization of industrial processes. This thesis evaluates their integration into milk pasteurization plants, which simultaneously require high temperature heating (from 4 °C to above 72 °C) and subsequent cooling (at 4 °C). The proposed layout integrates a thermal energy storage system to recover excess heat from the condenser and exploit it for maintenance applications. A parametric analysis is conducted on three plant configurations, considering 20 low environmental impact refrigerants and three pasteurization temperatures, in order to identify the optimal solutions. For processes at 72 °C and 85 °C, the best performing configuration is a two-stage cycle using R1234ze(E) as refrigerant, achieving combined coefficients of performance of 4.03 and 3.30, respectively. These configurations lead to primary energy saving of 36 \% and 23 \% and emissions reductions of 56 \% and 48 \%, respectively, compared to conventional gas-fired systems. For the process at 125 °C, the optimal solution is a cascade cycle using Cyclopentane and Dimethylether, achieving a combined coefficient of performance of 2.58, primary energy saving of 4 \%, and emissions reductions of 35 \%. The economic analysis highlights investment pay back periods ranging from one to two years for all selected configurations, confirming the high profitability of the proposed system. Furthermore, the integration of a photovoltaic system is evaluated, allowing for the complete electrification of the thermal supply, increasing self-consumption and enabling an effective and structural decarbonization of the entire production process.

Le pompe di calore ad alta temperatura, in grado di fornire contemporaneamente potenza termica e potenza frigorifera, rappresentano una soluzione concreta per la decarbonizzazione dei processi industriali. Questa tesi ne valuta l'integrazione all'interno degli impianti di pastorizzazione del latte, dove simultaneamente vengono richiesti riscaldamento ad alta temperatura (da 4 °C a più di 72 °C) e raffreddamento (dalla temperatura di pastorizzazione a 4°C). L'impianto proposto integra un sistema di accumulo termico che permette di recuperare il calore in eccesso fornito dal condensatore, per sfruttarlo in altre applicazioni in un momento successivo. È stata condotta un’analisi parametrica su diverse configurazioni impiantistiche, considerando 20 refrigeranti a basso impatto ambientale e tre temperature di pastorizzazione, al fine di individuare le soluzioni ottimali. Per i processi a 72 °C e 85 °C, la configurazione più performante è un ciclo a due stadi con refrigerante R1234ze(E), che raggiunge rispettivamente un coefficiente di performance combinato pari a 4.03 e 3.30. Queste soluzioni portano ad un risparmio di energia primaria del 36 \% e 23 \% e ad una riduzione delle emissioni del 56 \% e 48 \% rispetto ai sistemi convenzionali alimentati a gas. Per il caso di pastorizzazione a 125 °C, la soluzione ottimale è un ciclo a cascata con Ciclopentano e Dimetiletere, con coefficiente di performance combinato di 2.58, risparmio di energia primaria del 4 \% e riduzione delle emissioni del 35 \%. L’analisi economica evidenzia tempi di ritorno dell’investimento compresi tra uno e due anni per tutte le configurazioni selezionate, confermando l’elevata redditività della proposta. La completa elettrificazione della fornitura termica consente inoltre l’integrazione con impianti fotovoltaici, aumentando l’autoconsumo e abilitando una decarbonizzazione efficace e strutturale dell’intero processo produttivo.