PHPSSS - Potential of HTHP-Steam-Storage-Systems for accelerated decarbonization of process heat in Switzerland

• Unité de recherche: OFEN
• Numéro de projet: SI/503013

Description succincte (Allemand)

Die Beschleunigung der Dekarbonisierung industrieller Prozesse erfordert effiziente und robuste Elektrifizierungsstrategien. In der Schweiz ist der Industriesektor stark von Niederdruck-Prozessdampf (unter 200 °C) abhängig, was ihn zu einem Hauptziel für die Elektrifizierung durch Hochtemperatur-Wärmepumpen (HTHPs) macht. Die Implementierung der HTHP-Technologie steht jedoch häufig vor Herausforderungen aufgrund hoher Kapitalkosten und einer schlechten Eignung für variable Anforderungen. Diese kritischen Hindernisse müssen untersucht werden, um die Integration von HTHPs für die Dampferzeugung zu beschleunigen. Der Einsatz von thermischen Dampfspeichern könnte eine wichtige Lösung für einige dieser Herausforderungen sein. Dieser kombinierte Ansatz ist unerlässlich, um die Gesamtsystemkosten zu senken, indem die Dimensionierung der HTHPs optimiert, die betriebliche Flexibilität verbessert, die Komplexität des Systems verwaltet und der Einsatz von HTHPs auch in Batch-Prozessen ermöglicht wird, indem störende Start-/Stopp-Zyklen reduziert werden, neben anderen potenziellen Möglichkeiten, die im Rahmen dieses Projekts identifiziert werden könnten. Im Rahmen unserer Arbeit werden wir eine umfassende, einzigartige Analyse für die Schweizer Industrie durchführen, um genau zu ermitteln, wie groß das Potenzial oder die Notwendigkeit für diese integrierten Lösungen ist, um die Erreichung der Schweizer Klimaziele zu unterstützen. Die Ergebnisse werden die wesentlichen Leitlinien und Daten liefern, die im nächsten Schritt erforderlich sind, um detailliert zu analysieren, wie eine technische Lösung aussehen könnte (Größe und Art der Speicherung) oder sogar, ob eine Dampfspeicherung notwendig ist – eine Frage, die nur mit vollständigen Daten zu den Technologien sowie Prozessdaten aus der Schweizer Industrie vollständig beantwortet werden kann.

Description succincte (Anglais)

Accelerating the decarbonization of industrial processes requires efficient and robust electrification strategies. In Switzerland, the industrial sector's heavy reliance on low-pressure process steam (below 200°C) makes it a prime target for electrification via High-Temperature Heat Pumps (HTHPs). However, implementing HTHP technology often faces challenges related to high capital cost and poor operational fit for variable demands. These critical barriers must be investigated in order to accelerate the integration of HTHPs for steam generation. The use of thermal steam storage may be a key solution to resolve some of these challenges. This combined approach is essential for reducing overall system costs by optimizing HTHP sizing, enhancing operational flexibility, managing system complexity, and enabling the use of HTHPs even in batch processes by reducing disruptive start/stop cycling, among other potential opportunities which may be identified during this project. Our work will perform a comprehensive, first-of-its-kind analysis for Swiss industries to rigorously establish how great the potential or necessity for these integrated solutions is to support the achievement of the Swiss climate goals. The findings will provide the essential roadmap and data necessary in the next step to analyse in detail how a technical solution could look like (size and type of storage) or even if steam storage is a necessity, question which can only be fully answered with complete data from the technologies as well as process data from Swiss industries.

Description succincte (Français)

Accélérer la décarbonisation des processus industriels nécessite des stratégies d'électrification efficaces et robustes. En Suisse, la forte dépendance du secteur industriel à la vapeur industrielle à basse pression (moins de 200 °C) en fait une cible privilégiée pour l'électrification via des pompes à chaleur à haute température (HTHP). Cependant, la mise en œuvre de la technologie HTHP se heurte souvent à des défis liés au coût d'investissement élevé et à la mauvaise adaptation opérationnelle aux demandes variables. Ces obstacles majeurs doivent être étudiés afin d'accélérer l'intégration des HTHP pour la production de vapeur. L'utilisation du stockage thermique de vapeur peut être une solution clé pour résoudre certains de ces défis. Cette approche combinée est essentielle pour réduire les coûts globaux du système en optimisant le dimensionnement des HTHP, en améliorant la flexibilité opérationnelle, en gérant la complexité du système et en permettant l'utilisation des HTHP même dans les processus par lots, grâce à la réduction des cycles de démarrage/arrêt perturbateurs, entre autres opportunités potentielles qui pourraient être identifiées au cours de ce projet. Nos travaux permettront de réaliser une analyse complète, la première du genre pour les industries suisses, afin de déterminer de manière rigoureuse le potentiel ou la nécessité de ces solutions intégrées pour soutenir la réalisation des objectifs climatiques suisses. Les résultats fourniront la feuille de route et les données essentielles nécessaires à l'étape suivante pour analyser en détail à quoi pourrait ressembler une solution technique (taille et type de stockage) ou même si le stockage de vapeur est une nécessité, question à laquelle on ne peut répondre pleinement qu'avec des données complètes sur les technologies ainsi que des données de processus provenant des industries suisses.