Economic integration potential of industrial heat pumps into the European market based on the example of the rotation heat pump

Abstract

Thermal energy accounts for 55% of the energy required in industry and is responsible for 10% of global CO2 emissions. Around the world, industry is undergoing major changes to limit its emissions and avert a climate catastrophe. The EU's requirement for climate neutrality by 2050 poses major challenges for industry, but at the same time creates significant new economic sectors. Around 32% of the thermal energy required in industry is < 200 °C. At the same time, there are often waste heat streams in a similar temperature level emitted by the same industry. Heat pumps are a technology to use such waste heat flows in a thermodynamic cycle as source to heat a sink very efficiently. While conventional heat pumps have already made a name for themselves in domestic and low temperature applications, industrial heat pumps are being used in industries and higher temperature applications.This work has been concerned with analyzing areas of application for industrial heat pumps in the European market and assessing their potential and economic viability. The focus was not on a detailed technical description, but much more on achievable coefficients of performance and the availability of heat sources. The coefficient of performance calculated in this paper are based on the high temperature rotation heat pump of the Austrian manufacturer ecop Technology GmbH. Previous studies have mostly limited the potential of industrial heat pumps to most suitable industries for heat pumps (food and beverages, chemical, paper, refinery), as they have a simultaneous thermal energy source and sink. This work also investigates the combination of heat pumps with renewable heat sources and storages, if no simultaneous source and sink is available. Exemplary heat pump combinations with geothermal and solar thermal energy were developed. Furthermore, future developments in the energy market are included. For example, the largest identified potential is the stack cooling of hydrogen electrolysers. Hydrogen production is currently of little importance, but will grow by a factor of 300 - 1000 till 2030. Another focus was the production of steam with heat pumps. Large parts of the thermal energy demand of industrial processes are based on steam as an energy carrier. In all areas, promising concepts with great potential were identified. The identified marketpotential of industrial heat pumps in Europe resulted in 51,1 – 73,9 GW thermal capacity. For the economic analysis, a comprehensive analysis of the most sensitive parameters (natural gas prices, electricity prices, CO2 certificate prices) was carried out. The coefficient of performance was simulated based on the rotation heat pump of the company ecop Technology GmbH for concept typical temperatures. From an economic point of view, all investigated concepts can hold their own against fossil reference scenarios. However, it should be emphasized at this point that dynamic payback periods are mostly above industry standard payback periods of 1 - 3 years.

Thermische Energie macht 55 % des Energiebedarfs in der Industrie aus und ist für 10 % der weltweiten CO2-Emissionen verantwortlich. Auf der ganzen Welt ist die Industrie im Begriff, große Veränderungen vorzunehmen, um ihre Emissionen zu begrenzen und eine Klimakatastrophe abzuwenden. Die Forderung der EU nach Klimaneutralität bis 2050 stellt die Industrie vor große Herausforderungen, schafft aber gleichzeitig bedeutende neue Wirtschaftszweige. Rund 32 % der in der Industrie benötigten thermischen Energie liegt bei < 200 °C. Gleichzeitig gibt es oft Abwärmeströme auf einem ähnlichen Temperaturniveau, die von derselben Industrie emittiert werden. Wärmepumpen sind eine Technologie, um solche Abwärmeströme in einem thermodynamischen Kreislauf als Quelle zu nutzen, um eine Senke sehr effizient zu erwärmen. Während sich herkömmliche Wärmepumpen in Haushalten und bei niedrigen Temperaturen bereits einen Namen gemacht haben, werden industrielle Wärmepumpen in der Industrie und bei höheren Temperaturen eingesetzt.Diese Arbeit befasste sich mit der Analyse von Anwendungsbereichen für industrielle Wärmepumpen auf dem europäischen Markt und der Bewertung ihres Potenzials und ihrer wirtschaftlichen Rentabilität. Der Schwerpunkt liegt dabei nicht auf einer detaillierten technischen Beschreibung, sondern vielmehr auf den erreichbaren Coefficient of Performance und der Verfügbarkeit von Wärmequellen. Die in dieser Arbeit berechneten Coefficient of Performance basieren auf der Hochtemperatur-Rotationswärmepumpe des österreichischen Herstellers ecop Technology GmbH.Bisherige Studien haben das Potenzial industrieller Wärmepumpen meist auf die Branchen beschränkt, die sich am besten für Wärmepumpen eignen (Lebensmittel- und Getränkeindustrie, chemische Industrie, Papierindustrie, Raffinerien), da sie prozessbedingt über eine gleichzeitige thermische Quelle und Senke verfügen. In dieser Arbeit wird auch die Kombination von Wärmepumpen mit erneuerbaren Wärmequellen und -speichern untersucht, wenn keine gleichzeitige Quelle und Senke vorhanden ist. Es wurden beispielhafte Wärmepumpenkonzepte mit geothermischer und solarthermischer Quelle entwickelt. Darüber hinaus werden zukünftige Entwicklungen auf dem Energiemarkt in dem Potential miteinbezogen. Das größte identifizierte Potenzial liegt zum Beispiel in der „stack-cooling“ von Wasserstoff-Elektrolyseuren. Die Wasserstoffproduktion ist derzeit von geringer Bedeutung, wird aber bis 2030 um den Faktor 300 - 1000 wachsen. Ein weiterer Schwerpunkt war die Erzeugung von Dampf mit Wärmepumpen. Große Teile des thermischen Energiebedarfs industrieller Prozesse basieren auf Dampf als Energieträger. In allen untersuchten Bereichen wurden vielversprechende Konzepte mit großem Potenzial identifiziert. Das ermittelte Marktpotenzial industrieller Wärmepumpen in Europa ergab 51,1 - 73,9 GW thermische Leistung. Für die wirtschaftliche Analyse wurde eine umfassende Analyse der sensibelsten Parameter (Erdgaspreise, Strompreise, CO2-Zertifikatspreise) durchgeführt. Der Coefficient of Performance wurde auf Basis der Rotationswärmepumpe der Firma ecop Technology GmbH für konzepttypische Temperaturen simuliert. Aus wirtschaftlicher Sicht können sich alle untersuchten Konzepte gegenüber fossilen Referenzszenarien behaupten. Allerdings ist an dieser Stelle zu betonen, dass die dynamischen Amortisationszeiten meist über branchenüblichen Amortisationszeiten von 1 - 3 Jahren liegen.