Viabilidad de una bomba de calor de alta temperatura con ciclo Brayton de CO2 para una instalación industrial

Abstract

Este proyecto consiste en el estudio del aprovechamiento de una corriente de calor residual a una temperatura baja (60-70°C) procedente de una instalación industrial para producir vapor de proceso para dicha industria mediante una bomba de calor de alta temperatura basada en un ciclo inverso de Brayton con CO2. El vapor producido permite eliminar una extracción de la turbina de cogeneración presente en la industria, generando así una electricidad adicional que compensa parcialmente el consumo de la bomba de calor. Para ello, se consideran dos escenarios principales de trabajo determinados por el calor residual disponible y las condiciones de vapor de generación propuestas. Se modela y dimensiona la bomba de calor, y se ha estudiado la viabilidad económica el LCOE y los beneficios obtenidos en función de cada uno de los escenarios. En las mejores condiciones, se consigue un COP de 2,03. Las dimensiones de la planta resultan ser de 21m x 21m x 25 m. En términos económicos, la instalación requiere de una inversión total de 44.383.762 e, que referida al calor u ́til nominal resulta 611 e/kW. También se estudian los costes relacionados con el calor (LCOH) y con el vapor (LCOS) a partir de la fracción de tiempo que se opera a máxima producción de vapor (α). Resulta que, para valores de α mayores de 0,64, se normaliza el coste entre 51 e/MWh a 62 e/MWh (38,8 e/t y 47,2 e/t), mientras que el coste operativo (OPEX total) oscila entre 43,5 e/MWh y 46 e/MWh (33 e/t y 35 e/t).

This project consists of studying the utilization of a low-temperature waste heat flow (60-70 °C) from an industrial process to produce steam for the same industry, based on an inverse Brayton Cycle with CO2. The steam produced enables the elimination of an extraction cogeneration turbine present in the industry, thereby generating additional electricity and partially offsetting the fuel consumed by the heat pump. To achieve this, two scenarios are considered, determined by the available waste heat and the proposed steam usage conditions. In addition, the heat pump will be modeled and sized, while assessing the economic viability, LCOE, and the benefits gained. In the best conditions, the COP is 2.03. The dimensions of the heat pump are 21m x 21m x 25 m. In economic terms, the installation requires a total investment of 44,383,762 e, which corresponds to a nominal heat cost of 611 e/kW. Costs related to heat (LCOH) and steam (LCOS) are also analyzed, based on the fraction of time the steam operates at maximum production (α). It appears that for α values higher than 0.64, the costs normalize between 51 e/MWh and 62e/MWh (38.8 e/t and 47.2 e/t). On the other hand, the operational cost (Total OPEX) ranges between 43.5 e/MWh and 46 e/MWh (33 e/t and 35 e/t).