Large-scale industrial heat pumps, technologies and use cases

Abstract

A substantial amount of energy globally is utilized for industrial processes. However, a considerable portion of this thermal energy is dispersed as wasted heat. This bachelor's thesis studied the working principles, primary energy sources, and thermodynamic performance of industrial heat pumps. The main focus is on closed cycle heat pumps including vapor compression, cascade, and hybrid configurations but the opened type of heat pumps is shortly described. From the analysis, it is indicated that coupling an absorption cycle with a compression cycle can improve the heat pump performance significantly and achieve the desired temperature lift. According to the current literature and research, the reported maximum temperature achieved is 280 °C. In the European Union the waste heat potential from industry was around 300 TWh per year reported in 2018 not including power generation. Many industrial sectors only demand process heat below 200 °C, which makes these sectors very suitable for heat pump utilization.

The food and beverage sector receives special attention in this regard, due to the reason that heat pumps were able to save energy up to 77 % and reduce CO₂ emission considerably. The selection of refrigerants is also discussed and considered in a way relative to the influence on temperature lift and how much improvement in the coefficient of performance (COP) can be achieved. The thesis concludes that industrial heat pumps, predominantly hightemperature and cascade systems, offer a technically important pathway for industrial decarbonization. Additionally, the challenges that accompany the integration of heat pumps such as high initial costs and integration complexity are discussed.

Merkittävä osa maailman energiasta käytetään teollisiin prosesseihin. Kuitenkin suuri osa tästä energiasta poistuu prosesseista hukkaenergiana lämpönä. Tämä kandidaatintutkielma tutki teollisten lämpöpumppujen toimintaperiaatteita, ensisijaisia energialähteitä ja termodynaamista suorituskykyä. Tarkastelu keskittyi suljettuihin järjestelmiin kuten kompressori-, kaskadi-, sekä hybridijärjestelmiin, mutta myös avoimia järjestelmiä käsitellään työssä lyhyesti. Analyysin perusteella on havaittu, että absorptiosyklin yhdistäminen kompressiosykliin voi parantaa lämpöpumpun suorituskykyä merkittävästi ja saavuttaa halutun lämpötilan nousun. Nykyisen kirjallisuuden ja tutkimuksen mukaan raportoitu maksimi saavutettu lämpötila on 280 °C. Euroopan unionissa teollisuuden hukkaenergian potentiaali oli vuonna 2018 noin 300 TWh vuodessa, lukuun ottamatta sähköntuotantoa. Monet teollisuuden alat tarvitsevat vain alle 200 °C lämpöä, mikä tekee näistä sektoreista erittäin sopivia lämpöpumppujen hyödyntämiseen.

Elintarvike- ja juomateollisuus saa tässä erityishuomiota, koska lämpöpumppujen avulla voitiin säästää jopa 77 % energiaa ja vähentää merkittävästi CO₂-päästöjä. Myös kylmäaineiden valinta käsitellään ja arvioidaan suhteessa niiden vaikutukseen lämpötilan nousussa ja siihen, kuinka paljon lämpökerrointa (COP) voidaan parantaa. Työn johtopäätöksenä todetaan, että teolliset lämpöpumput, erityisesti korkealämpötilaiset ja kaskadijärjestelmät, tarjoavat teknisesti merkittävän tien teollisuuden hiilidioksidipäästöjen vähentämiseen, ja myös ne haasteet, joita lämpöpumppujen käyttöönotto tuo mukanaan, kuten korkeat alkuinvestoinnit ja integroinnin monimutkaisuus, tunnistetaan.