Heat accounts for almost half of the global final energy consumption and over a third of the CO2 emissions. Process heat is essential in many industries, and the shift toward the electrification of the networks is accelerating. While mature technologies like heat pumps effectively address low temperature processes, there is a lack of efficient solutions for the medium to high temperature uses. Together with this, waste energy from process heating is often released into the environment, emphasizing the need for better waste heat recovery strategies to improve the overall energy efficiency. A promising solution involves upgrading low temperature waste heat into high-temperature heat, especially using thermochemical heat transformers. These systems operate with minimal additional energy input, relying primarily on recovered thermal energy. The research carried out in this work is part of the TechUPGRADE project, an EU initiative led by DTU with 16 European partners. Launched in May 2023, its main purpose is to enhance the industrial efficiency through advanced thermochemical technologies for waste heat recovery. This thesis focuses on developing a thermochemical heat recovery and upgrade system for industrial applications at a design level, in order to deliver heat at 280 °C. The research is divided into two main objectives: (1) characterizing a thermochemical reactor through a dynamic modelling of the thermochemical processes, and (2) designing a use case plant that integrates solar collectors as low temperature heat sources. In the first part a simplified model using monohydrate strontium bromide, identified as a promising material for heat upgrade applications, was developed using the EES software. A validation was attempted against experimental data from the literature. The system level design, modelled with EES and Microsoft Excel, incorporated a generic heating demand and meteorological data to evaluate the plant performance under real ambient conditions. An analysis on the results of the dynamic model indicate that the proposed methodology shows a strong potential, provided that proper correlations are employed for an accurate characterization of the heat transfer. The system model delivered valid performance indicators and operational data, demonstrating adaptability for various industrial scenarios with minimal adjustments. Future research should include a comprehensive economic analysis to assess the competitiveness of this technology compared to existing solutions. This work highlights the potential of thermochemical heat transformers in addressing industrial waste heat recovery challenges, contributing to energy efficiency and sustainability efforts.

Il calore rappresenta quasi la metà del consumo energetico finale globale e oltre un terzo delle emissioni di CO2. Il calore di processo è essenziale in molte industrie e la transizione verso l'elettrificazione delle reti è in rapido sviluppo. Sebbene tecnologie mature come le pompe di calore siano efficaci per processi a bassa temperatura, vi è una mancanza di soluzioni efficienti per fornire calore a temperature medio-alte. Inoltre, l'energia in eccesso generata nei processi di riscaldamento viene spesso dispersa nell'ambiente, evidenziando la necessità di strategie migliori per il recupero del calore di scarto e il miglioramento dell'efficienza energetica complessiva. Una soluzione promettente è il potenziamento del calore di scarto a bassa temperatura per generare calore ad alta temperatura, utilizzando in particolare trasformatori di calore termo-chimici. Questi sistemi funzionano con un apporto energetico esiguo, basandosi principalmente sull’energia termica recuperata. La ricerca svolta in questo lavoro fa parte del progetto europeo TechUPGRADE, coordinato dalla DTU con 16 partner europei: avviato a maggio 2023, mira a migliorare l’efficienza industriale attraverso tecnologie termochimiche avanzate per il recupero del calore di scarto. Questa tesi si incentra sullo sviluppo di un sistema termochimico per il recupero e il potenziamento del calore di scarto nei processi industriali a livello progettuale, che mira a fornire calore a 280 °C. Il lavoro si articola in due obiettivi principali: (1) caratterizzazione di un reattore termochimico mediante la modellazione dinamica dei processi termochimici e (2) progettazione di un impianto prototipo che integra collettori solari come sorgenti di calore a bassa temperatura. Nella prima parte, è stato sviluppato un modello semplificato basato sul bromuro di stronzio monoidrato utilizzando il software EES, con un tentativo di validazione rispetto a dati sperimentali ricavati dalla letteratura. La progettazione a livello di sistema, realizzata con EES e Microsoft Excel, ha incorporato una curva generica del fabbisogno di calore e dati meteorologici, allo scopo di valutare le prestazioni dell'impianto in condizioni ambientali reali. L'analisi dei risultati del modello dinamico indica un forte potenziale per la metodologia proposta, a condizione che vengano utilizzate adeguate correlazioni per una accurata caratterizzazione della trasmissione del calore. Il modello del sistema ha fornito prestazioni valide e dati operativi, dimostrando una adattabilità a diversi scenari industriali mediante minimi aggiustamenti. Future ricerche dovrebbero includere una esauriente analisi economica per valutare la competitività di questa tecnologia rispetto alle soluzioni esistenti. Questo lavoro evidenzia il potenziale dei trasformatori di calore termochimici nel risolvere le sfide del recupero del calore di scarto industriale, contribuendo all’efficienza energetica e alla sostenibilità.

Dynamic modelling and system level design of a thermochemical heat transformer for the supply of upgraded process heat

BALDASSI, JACOPO
2023/2024

Abstract

Heat accounts for almost half of the global final energy consumption and over a third of the CO2 emissions. Process heat is essential in many industries, and the shift toward the electrification of the networks is accelerating. While mature technologies like heat pumps effectively address low temperature processes, there is a lack of efficient solutions for the medium to high temperature uses. Together with this, waste energy from process heating is often released into the environment, emphasizing the need for better waste heat recovery strategies to improve the overall energy efficiency. A promising solution involves upgrading low temperature waste heat into high-temperature heat, especially using thermochemical heat transformers. These systems operate with minimal additional energy input, relying primarily on recovered thermal energy. The research carried out in this work is part of the TechUPGRADE project, an EU initiative led by DTU with 16 European partners. Launched in May 2023, its main purpose is to enhance the industrial efficiency through advanced thermochemical technologies for waste heat recovery. This thesis focuses on developing a thermochemical heat recovery and upgrade system for industrial applications at a design level, in order to deliver heat at 280 °C. The research is divided into two main objectives: (1) characterizing a thermochemical reactor through a dynamic modelling of the thermochemical processes, and (2) designing a use case plant that integrates solar collectors as low temperature heat sources. In the first part a simplified model using monohydrate strontium bromide, identified as a promising material for heat upgrade applications, was developed using the EES software. A validation was attempted against experimental data from the literature. The system level design, modelled with EES and Microsoft Excel, incorporated a generic heating demand and meteorological data to evaluate the plant performance under real ambient conditions. An analysis on the results of the dynamic model indicate that the proposed methodology shows a strong potential, provided that proper correlations are employed for an accurate characterization of the heat transfer. The system model delivered valid performance indicators and operational data, demonstrating adaptability for various industrial scenarios with minimal adjustments. Future research should include a comprehensive economic analysis to assess the competitiveness of this technology compared to existing solutions. This work highlights the potential of thermochemical heat transformers in addressing industrial waste heat recovery challenges, contributing to energy efficiency and sustainability efforts.
2023
Dynamic modelling and system level design of a thermochemical heat transformer for the supply of upgraded process heat
Il calore rappresenta quasi la metà del consumo energetico finale globale e oltre un terzo delle emissioni di CO2. Il calore di processo è essenziale in molte industrie e la transizione verso l'elettrificazione delle reti è in rapido sviluppo. Sebbene tecnologie mature come le pompe di calore siano efficaci per processi a bassa temperatura, vi è una mancanza di soluzioni efficienti per fornire calore a temperature medio-alte. Inoltre, l'energia in eccesso generata nei processi di riscaldamento viene spesso dispersa nell'ambiente, evidenziando la necessità di strategie migliori per il recupero del calore di scarto e il miglioramento dell'efficienza energetica complessiva. Una soluzione promettente è il potenziamento del calore di scarto a bassa temperatura per generare calore ad alta temperatura, utilizzando in particolare trasformatori di calore termo-chimici. Questi sistemi funzionano con un apporto energetico esiguo, basandosi principalmente sull’energia termica recuperata. La ricerca svolta in questo lavoro fa parte del progetto europeo TechUPGRADE, coordinato dalla DTU con 16 partner europei: avviato a maggio 2023, mira a migliorare l’efficienza industriale attraverso tecnologie termochimiche avanzate per il recupero del calore di scarto. Questa tesi si incentra sullo sviluppo di un sistema termochimico per il recupero e il potenziamento del calore di scarto nei processi industriali a livello progettuale, che mira a fornire calore a 280 °C. Il lavoro si articola in due obiettivi principali: (1) caratterizzazione di un reattore termochimico mediante la modellazione dinamica dei processi termochimici e (2) progettazione di un impianto prototipo che integra collettori solari come sorgenti di calore a bassa temperatura. Nella prima parte, è stato sviluppato un modello semplificato basato sul bromuro di stronzio monoidrato utilizzando il software EES, con un tentativo di validazione rispetto a dati sperimentali ricavati dalla letteratura. La progettazione a livello di sistema, realizzata con EES e Microsoft Excel, ha incorporato una curva generica del fabbisogno di calore e dati meteorologici, allo scopo di valutare le prestazioni dell'impianto in condizioni ambientali reali. L'analisi dei risultati del modello dinamico indica un forte potenziale per la metodologia proposta, a condizione che vengano utilizzate adeguate correlazioni per una accurata caratterizzazione della trasmissione del calore. Il modello del sistema ha fornito prestazioni valide e dati operativi, dimostrando una adattabilità a diversi scenari industriali mediante minimi aggiustamenti. Future ricerche dovrebbero includere una esauriente analisi economica per valutare la competitività di questa tecnologia rispetto alle soluzioni esistenti. Questo lavoro evidenzia il potenziale dei trasformatori di calore termochimici nel risolvere le sfide del recupero del calore di scarto industriale, contribuendo all’efficienza energetica e alla sostenibilità.
dynamic model
system design
heat upgrade
strontium bromide
TechUPGRADE
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