Analisi Termo-Economica di cicli Brayton inversi innovativi

Abstract

La transizione energetica richiede la progressiva decarbonizzazione dei processi industriali, in particolare, per quanto riguarda la produzione di calore ad alta temperatura, oggi ancora largamente basata su combustibili fossili. In questo contesto, le pompe di calore industriali rappresentano una soluzione promettente per l’elettrificazione degli impianti di processo. Il presente lavoro analizza cicli Brayton inversi, in configurazione aperta e chiusa, sia semplice sia recuperata, con l’obiettivo di valutarne le prestazioni termodinamiche ed economiche in applicazioni industriali di taglia pari a 5 MW. L’attività ha previsto un’analisi di sensitività dei principali parametri operativi, il dimensionamento dei componenti e la stima dei costi tramite funzioni costo derivate dalla letteratura. Successivamente è stata sviluppata un’analisi di investimento considerando scenari di prezzo dell’energia elettrica e del gas naturale in diversi Paesi europei. I risultati evidenziano che la sostenibilità economica dipende fortemente dal rapporto tra prezzo dell’elettricità e prezzo del gas e che le configurazioni recuperate mostrano, in specifici contesti energetici, le migliori prospettive di redditività.

The energy transition requires the progressive decarbonization of industrial processes, particularly in high-temperature heat production, which is still largely dependent on fossil fuels. In this context, industrial heat pumps represent a promising solution for process electrification. This thesis investigates inverse Brayton cycles, in both open and closed configurations, and in simple and recuperated layouts, with the aim of assessing their thermodynamic and economic performance for a 5 MW industrial application. The study includes a sensitivity analysis of the main operating parameters, component sizing, and cost estimation through literature-based cost correlations. An investment analysis was then performed considering electricity and natural gas price scenarios in different European countries. The results show that economic feasibility strongly depends on the electricity-to-gas price ratio and that recuperated configurations provide the most favorable economic performance under suitable market conditions. The work confirms the consistency of the thermo-economic methodology adopted and highlights the importance of market context in evaluating industrial electrification technologies.