Investigation of a Transcritical CO2 Heat Pump in a District Heating Network with Excess Heat from a Power-to-X Facility
Translated title
Undersøgelse af en trans kritisk CO2-varmepumpe i et fjernvarmenetværk med overskudsvarme fra et Power-to-X-anlæg
Author
Jensen, Martin Mylin
Term
4. term
Education
Publication year
2025
Submitted on
2025-05-28
Pages
60
Abstract
This thesis examines whether a transcritical CO2 heat pump can be technically and economically integrated into Aalborg’s district heating network, focusing on using excess heat from a future Power-to-X facility (which converts electricity into other energy carriers). A steady-state model of one 44.25 MW module showed a COP of 3.35 (COP = heat delivered divided by electricity consumed). A dynamic model that accounts for seasonal changes and transient operation yielded a lower COP of 2.33. Adding a stratified hot-water storage tank improved system flexibility and slightly increased efficiency. A shell-and-tube heat exchanger was modelled to preheat seawater entering the evaporator using excess heat. This only raised the inlet temperature by 0.6–2.3 K and increased the COP marginally from 0.0256 to 0.0431. The economic analysis estimated a capital cost of €14.7 million for the heat exchanger, which was not justified by the operational savings associated with the small COP increase. Present worth calculations over 20 years showed that the system without the heat exchanger was more economically attractive. In conclusion, while the transcritical CO2 heat pump is technically effective and environmentally beneficial, integrating excess heat via a large-scale heat exchanger is not currently cost-effective. Further optimisation and exploration of alternative configurations are recommended to improve both performance and economic viability.
Dette speciale undersøger, om en transkritisk CO2-varmepumpe kan integreres i Aalborgs fjernvarmenet på en teknisk og økonomisk forsvarlig måde, med fokus på at udnytte overskudsvarme fra et fremtidigt Power-to-X-anlæg (anlæg, der omdanner elektricitet til andre energibærere). En stationær model af ét 44,25 MW modul viste en COP på 3,35 (COP = forholdet mellem leveret varme og elektrisk forbrug). En dynamisk model, der medtager sæsonvariationer og forbigående drift, gav en lavere COP på 2,33. Indføjelsen af et stratificeret varmtvandslager forbedrede systemets fleksibilitet og øgede effektiviteten en smule. En skal-og-rør-varmeveksler blev modelleret til at forvarme havvand til fordamperen ved hjælp af overskudsvarme. Det hævede kun indløbstemperaturen med 0,6–2,3 K og forbedrede COP kun marginalt fra 0,0256 til 0,0431. Den økonomiske analyse viste, at varmeveksleren ville koste cirka 14,7 mio. € i anlægssum, hvilket ikke kunne opvejes af de driftsbesparelser, den lille COP-forbedring gav. Nuværdiberegninger over 20 år pegede på, at systemet uden varmeveksleren var mere økonomisk attraktivt. Konklusionen er, at den transkritiske CO2-varmepumpe er teknisk velfungerende og miljømæssigt fordelagtig, men at integration af overskudsvarme via en stor varmeveksler ikke er rentabel på nuværende tidspunkt. Der anbefales yderligere optimering og alternative konfigurationer for at forbedre både performance og økonomi.
[This apstract has been rewritten with the help of AI based on the project's original abstract]
Keywords