High-Temperature Heat Pumps. Use of high-temperature heat pumps for integration with renewable electrical energy in combination with TES in industrial process heat.

Abstract

Este Trabajo de Fin de Máster estudia una bomba de calor de alta temperatura (HTHP) basada en un ciclo Brayton inverso con CO₂, diseñada para integrarse con electricidad renovable y almacenamiento térmico en lecho de rocas (TES). El modelo opera en lazo cerrado, sin cambio de fase, e incorpora un regenerador y dos intercambiadores (aire–CO₂ y agua–CO₂), permitiendo suministrar vapor saturado en torno a 150 °C para procesos industriales.

Se analizan configuraciones con el intercambiador aire–CO₂ en baja y alta presión, en función de la temperatura de la fuente. A 20 bar se alcanzan COP de 1,6–1,7 para fuentes < 80 °C, mientras que a 85 bar se prioriza la viabilidad constructiva en temperaturas superiores. El análisis económico, basado en el coste nivelado de calor (LCOH), muestra que para potencias ≥ 6 MWt y 12 h/día se logran valores < 90 €/MWh, competitivos frente al gas natural. El sistema se plantea como una solución modular y escalable para la descarbonización del calor de proceso industrial.

This Master’s Thesis evaluates a high-temperature heat pump (HTHP) based on an inverse Brayton cycle with CO₂, integrated with renewable electricity and rock-bed thermal energy storage (TES). The closed-loop model includes a regenerator and two heat exchangers (air–CO₂ and water–CO₂), delivering saturated steam at around 150 °C for industrial process heat.

Two configurations are assessed, with the air–CO₂ exchanger on the low- or high-pressure side depending on source temperature. At 20 bar, COP values of 1.6–1.7 are obtained for sources below 80 °C, while at 85 bar constructive feasibility is prioritized for higher temperatures. The economic analysis, through the levelized cost of heat (LCOH), shows that for ≥ 6 MWt and 12 h/day operation, costs below 90 €/MWh are achievable, making the system competitive with natural gas. The proposed HTHP emerges as a modular, scalable solution to support industrial heat decarbonization.