Energy efficiency improvements in Swedish construction material industry with high temperature heat pumps

Abstract

[ES] Resumen: La eficiencia energética es uno de los parámetros más importantes en el diseño de sistemas energéticos. Cualquier mejora en la eficiencia energética conduce a una reducción del uso y los costos de energía y a la mitigación del cambio climático. En los últimos años, la Comisión Europea enfatizó la necesidad de descarbonizar las industrias de uso intensivo de energía, protegerlas del crecimiento excesivo de los precios y lograr la independencia de los combustibles fósiles antes de 2030. En la industria, el calor representa más del 60% del uso de energía. Las bombas de calor industriales pueden ayudar a descarbonizar el suministro de calor a baja temperatura dentro de las industrias mediante el uso de energía renovable y recuperación de calor residual. Con la tecnología actual, las bombas de calor industriales pueden proporcionar aprox. 2.000 TWh (10% de la demanda total de energía final de la industria) y, por lo tanto, contribuyen significativamente a los objetivos energéticos y climáticos de Europa. Las bombas de calor industriales se definen como unidades de bomba de calor con una capacidad superior a 100-200 kW que pueden proporcionar temperaturas superiores a 100 ºC. Las bombas de calor industriales poseen una alta flexibilidad de integración y pueden aprovechar la energía disponible de diferentes fuentes de calor, como el aire, el agua y las aguas residuales, el suelo, el aire de escape, el sol o el calor residual de diferentes procesos. Hoy en día, las bombas de calor industriales se emplean principalmente para procesos industriales de baja temperatura (temperaturas inferiores a 80°C), especialmente en los sectores industriales de celulosa y papel, alimentos y productos químicos (EHPA, 2022). La Plataforma de Colaboración Tecnológica (TCP) de Tecnologías de Bombeo de Calor (HPT) de la IEA ha iniciado el Anexo 59 de HPT de la IEA centrándose en mapear las numerosas posibilidades y ventajas de la integración de bombas de calor en cámaras de secado y procesos de tratamiento térmico. Este proyecto de tesis tiene como objetivo generar conocimiento nacional sobre calefacción eficiente en recursos con tecnología de bomba de calor y los resultados se utilizarán en un informe internacional. El proyecto propuesto se utilizará en el proyecto nacional sueco para contribuir al objetivo general del Anexo 59 del IEA HPT en forma de un proyecto conjunto con RISE, Chalmers y KTH como equipo ejecutivo. El proyecto recopilará estudios de casos suecos centrados en las demandas de calefacción industrial, principalmente en bosques, pulpa/papel, agricultura y alimentos. Se investigarán y describirán soluciones innovadoras y de vanguardia, incluidas encuestas de necesidades, análisis y estudios de casos en profundidad desde una perspectiva técnica, práctica y financiera para lograr un cambio hacia un secado electrificado que aproveche los recursos. Objetivo: Este proyecto explorará las oportunidades para aumentar la eficiencia, la flexibilidad y la rentabilidad de las aplicaciones de calefacción que utilizan bombas de calor de alta temperatura en las industrias suecas de materiales de construcción.

[EN] Industries spend a significant portion of their total energy consumption on process heating, which is frequently based on fossil fuels encourage by its high temperature and power demands and accounts for a large portion of their greenhouse gas emissions. Reaching their climate goals by 2030 and beyond requires industries to electrify and reduce the carbon content of the process heating. A crucial technology for decarbonizing industrial process heating is heat pumps than can supply process heating at the highest efficiencies and based on potentially emission-free electricity. They are already a well-proven technology and are being used in industries for heating temperatures under 100 °C. Industrial heat pumps are becoming more and more advantageous as a technology, and their range of application as the preferred technology has grown to temperatures far beyond 100 °C. While several technologies are being developed, there are currently few solutions available for the significant portion of process heat requirements above 100 °C. With well-developed industries for industrial heat pumps, which are being expanded to high temperature heat pumps (HTHP), Europe and Japan are the leaders in technological advancement. The aim of this work is to evaluate the use of HTHPs to enhance drying processes in the manufacturing of construction materials such as gypsum and polystyrene. The project focuses on critical goals such as increasing energy efficiency and lowering operating costs, which are essential for sustainable industrial operations. Results show that HTHPs provide considerable energy efficiency improvements over more traditional systems. This efficiency lowers CO2 emissions, energy consumption, and stabilizes energy costs. Nevertheless, the transition to HTHP technology faces challenges such as high initial installation costs and integration complexity, research going forward seeks to increase refrigerant with higher temperature outputs' efficiency and development. As found, the investment payback periods are shorter in cases of electric and gas heaters. With electric heaters, the company is more exposed to price changes, while gas heaters offer a more balanced scenario. In the case of heat pumps, a CO2 neutrality can be achieved and significantly lower net electricity consumption over the years, although it with the challenge of a higher initial investment.