Investigation of a high temperature cascade heat pump as an energy-efficient solution for generating process heat Cost and CO2 emission comparison to fuel-based heating technologies for the application case of a dairy.
Master thesis
Permanent lenke
https://hdl.handle.net/11250/3049866Utgivelsesdato
2022Metadata
Vis full innførselSamlinger
Beskrivelse
Full text not available
Sammendrag
Att bekämpa klimatförändringar orsakade av människan är en av vår tids största utmaningar. En viktig del av strategin för att minska utsläppen är övergången från fossila bränslen till grön energi samt den övergripande minskning av energiförbrukningen. Det finns en stor potential inom industrisektorn, där höga värmepumpar med hög temperatur kan användas för att omvandla spillvärme till processvärme på upp till 280 °C för att ersätta fossila bränslen. Installationskostnaderna och återbetalningstiden spelar en viktig roll för företagen när de ska investerar i klimatvänlig teknik som värmepumpar. Syftet med detta arbete var att fastställa följande prestanda parametrar för en hög temperatur värmepump i kaskad av propan och butan och att använda detta för att data för att jämföra användningen av värmepumpar med gas- och oljepannor när det gäller kostnads- och utsläppsbesparingar.Kvantitativa data samlades in genom laboratorieförsök vid en värmepump som är placerad i HighEFF-laboratoriet vid SINTEF. Dessutom utvecklades en teoretisk modell baserad på följande tillverkarens specifikationer för propankompressorns prestanda och tidigare mätningar av butankompressorn. Med hjälp av modellen kan prestandakoefficienten (COP) och kompressorns förskjutning bestämdes för avdunstningstemperaturer mellan -35 °C och 10 °C och kondenseringstemperaturer mellan 30 °C och 65 °C. En beräkningsmodell som omfattar olika parametrar som energikostnader, energikällornas koldioxidintensitet, koldioxidskatter och koldioxidutsläpp. Systemets effektivitet utvecklades för att beräkna ekonomiska och miljömässiga parametrar. Detta var undersökt för anläggningskapaciteterna 0,3 MW, 1,5 MW och 3,0 MW för användning i Sverige, Tyskland och genomsnittet i EU. Dessutom gjordes en marknadsöversikt över befintlig teknik inom högtemperatur området genomfördes. Slutligen användes en annan modell för att undersöka användningen av andra köldmedier och köldmedieblandningar i stället för propan/butan i den befintliga kaskadvärmepumpen för att öka COP. I laboratoriet fastställdes en COPHeating på 1,4 - 2,2 för drift vid avdunstningstemperaturer. mellan 5 °C och 20 °C. Dessa värden har dock begränsad giltighet på grund av den icke-optimala systemets drift. Den teoretiska modellen resulterade i en COPHeating på mellan 1,5 och 2,1 förför avdunstningstemperaturer från -35 °C till 10 °C. Utvärderingen av alternativa köldmedier kunde inte identifiera någon kombination med en högre COPHeating än den COPHeating som uppstår vid användning av propan och butan.I ett tillämpningsfall visades att återbetalningstiden för en investering i en värmepump är starkt beroende av platsen. Låga elpriser jämfört med priset på gas/olja, en hög koldioxidskatt, en låg koldioxidutsläppsfaktor för el och en hög COP förkortar återbetalningstiden. Även om återbetalningstiden skiljer sig mycket mellan de scenarierna i svenska, tyska och genomsnittliga i EU, ligger den oftast inom ett acceptabelt intervall ur ett ekonomiskt perspektiv. Särskilt när det gäller ersättningen av oljebaserad uppvärmningsteknik i Sverige eller EU-genomsnittet är återbetalningstiden t.ex. kortare än för en genomsnittlig solcellsanläggning. I Tyskland är förutsättningarna särskilt olämpliga för att en värmepump ska vara lönsam på grund av de höga elpriserna. I alla fall kan koldioxidutsläppen sparas genom genomförandet, i bästa fall mer än 99 % jämfört med fossila bränslen. Ur miljösynpunkt kan man därför rekommendera att värmepumpar används, och beroende på de lokala förhållandena kan det till och med vara en lönsam investering. Combating man-made climate change is one of the greatest challenges of our time. An essential part of the emission reduction strategy is the switch from fossil fuels to green energy as well as the overall reduction of energy consumption. Great potential lies within the industrial sector where high temperature heat pumps can be used to upgrade waste heat into process heat of up to 280 °C to replace fossil fuels. The installation costs and payback period play an important role for companies when investing in climate friendly technologies such as heat pumps. The aim of this work was to determine the performance parameters of a propane-butane cascade high temperature heat pump and to use this data to compare the use of heat pumps with gas and oil boilers in terms of cost and emissions savings.Quantitative data was collected by means of laboratory experiments at a heat pump located in the HighEFF laboratory at SINTEF. In addition, a theoretical model was developed based on the manufacturer's specifications for the performance of the propane compressor and previousmeasurements of the butane compressor. With the model the coefficient of performance (COP) and the compressors’ displacement were determined for evaporation temperatures between -35 °C and 10 °C with condensing temperatures ranging from 30 °C to 65 °C. A calculation model including various parameters such as energy costs, CO2 intensity of the energy sources, CO2 taxes and the system efficiency was developed to calculate economic and environmental parameters. This was investigated for the plant capacities 0,3 MW, 1,5 MW and 3,0 MW for use in Sweden, Germany, and the EU average. Furthermore, a market overview of existing technologies in the high temperature range was carried out. Finally, another model was used to investigate the use of other refrigerants and refrigerant mixtures instead of propane/butane in the existing cascade heat pump to increase the COP.In the laboratory, a COPHeating of 1,4 – 2,2 was determined for operation at evaporation temperatures between 5 °C and 20 °C. However, the validity of these values is limited due to the non-optimal operation of the system. The theoretical model resulted in a COPHeating between 1,5 and 2,1 forevaporation temperatures from -35 °C to 10 °C. The evaluation of alternative refrigerants could not identify any combination with a higher COPHeating than the COPHeating resulting from using propane and butane.In an application case it was shown that the payback period of an investment in a heat pump strongly depends on the location. Low electricity prices compared to the price of gas/oil, a high CO2 tax, a low CO2 emissions factor for electricity and a high COP shorten the payback period. Although the payback period differs widely between the Swedish, German and EU average scenarios, it is mostly within an acceptable range from an economic perspective. Especially for the replacement of oil-based heating technologies in Sweden or the EU average, the payback period is e. g. shorter than for an average photovoltaic system. In Germany, the conditions are particularly unsuitable for a heat pump to be profitable due to the high electricity prices. In all cases considered, CO2 emissions could be saved by the implementation, in the best case more than 99 % compared to fossil fuels. From an environmental perspective the implementation of heat pumps can therefore be recommended and depending on the local conditions it can even be a profitable investment