A Python-based methodology for the techno-economic assessment of energy efficiency improvements in industrial refrigeration systems

This thesis develops and validates a structured, replicable and transferable methodology for the techno-economic assessment of energy efficiency measures applied to electric motors of industrial NH₃ refrigeration compressors in the food sector. The work is motivated by a widespread gap in industrial practice: although energy audits identify improvement opportunities in refrigeration systems, they frequently lack the rigorous quantitative support needed to validate the technical and economic feasibility of the proposed interventions. The proposed framework is validated through its application to the NH₃ compressor room of a food industry production facility (Pizzas plant, Meat&Co. group), where two energy audits — conducted in 2020 and 2024 — had identified improvement opportunities without quantitative backing. The methodology consists of four phases. First, real 2024 operational data are collected and cross-validated against audit reports and company records. Second, monthly performance curves are constructed relating the COP (Coefficient of Performance, the energy efficiency index of the compressor) to the PLR (Partial Load Ratio, the ratio between the operating load and the nominal capacity), through third-degree polynomial interpolation. Third, a MILP (Mixed Integer Linear Programming) model implemented in Python (Pyomo, Gurobi) determines the optimal annual load dispatch strategy under three scenarios: replacement of one of the compressor motors with a high-efficiency IE4 unit, installation of a Variable Speed Drive (VSD), and their combination. Fourth, the economic feasibility of each scenario is assessed through NPV, IRR and payback period, including sensitivity analysis and evaluation of the implementation of the improvements by leveraging the Spanish Energy Saving Certificates scheme (CAE, form IND170 of MITECO). Results demonstrate significant energy saving potential across all scenarios, with the combined IE4 + VSD option yielding the highest performance. The methodology proves fully transferable to any industrial refrigeration facility in the food sector.

La presente tesi sviluppa e convalida una metodologia strutturata, replicabile e trasferibile per la valutazione tecno-economica di misure di efficienza energetica applicate ai motori elettrici di compressori industriali ad NH₃ per la refrigerazione nel settore alimentare. Il lavoro nasce da un diffuso divario nella pratica industriale: sebbene le diagnosi energetiche identifichino opportunità di miglioramento nei sistemi frigoriferi, spesso manca il supporto quantitativo rigoroso necessario a validare la fattibilità tecnica ed economica degli interventi proposti. Il framework proposto è validato attraverso la sua applicazione alla sala compressori ad NH₃ di uno stabilimento di produzione alimentare (stabilimento pizze, gruppo Meat&Co.), in cui due audit energetici — svolti nel 2020 e nel 2024 — avevano individuato opportunità di miglioramento prive di un solido riscontro quantitativo. La metodologia si articola in quattro fasi. In primo luogo, i dati operativi reali del 2024 vengono raccolti e sottoposti a un controllo incrociato con i rapporti di audit e con i registri aziendali. In secondo luogo, si costruiscono curve prestazionali mensili che mettono in relazione il COP (Coefficient of Performance, l’indice di efficienza energetica del compressore) con il PLR (Partial Load Ratio, il rapporto tra il carico operativo e la potenza nominale), tramite un’interpolazione polinomiale di terzo grado. In terzo luogo, un modello MILP (Mixed Integer Linear Programming) implementato in Python (Pyomo, Gurobi) determina la strategia ottimale di ripartizione del carico annuale in tre scenari: sostituzione di uno dei motori dei compressori con un’unità ad alta efficienza IE4, installazione di un azionamento a velocità variabile (VSD), e loro combinazione. In quarto luogo, la fattibilità economica di ciascuno scenario viene valutata tramite NPV, IRR e tempo di ritorno dell’investimento, includendo un’analisi di sensitività e la valutazione dell’implementazione degli interventi sfruttando il meccanismo spagnolo dei Certificati di Risparmio Energetico (CAE, modulo IND170 del MITECO). I risultati mostrano un significativo potenziale di risparmio energetico in tutti gli scenari, con l’opzione combinata IE4 + VSD che garantisce le prestazioni migliori. La metodologia risulta pienamente trasferibile a qualunque impianto di refrigerazione industriale del settore alimentare.