With the rise of global warming, the demand for carbon-neutral technologies is increasing. As industries consume over one-third of total energy, their role in reducing carbon emissions is crucial. Electrification, particularly through heat pumps, is key for a sustainable future. However, refrigerants used in these systems pose environmental risks such as ozone layer depletion (ODP) and global warming potential (GWP). Due to the EU’s stringent F-gas regulations aimed at reducing TFA from HFCs, transitioning to natural refrigerants becomes imperative.

This thesis analyzes large-scale heat pump systems, focusing on performance, carbon emissions, and operational costs within a heat sink temperature range of 70°C-140°C. Various system designs for different temperature levels and refrigerants are modeled across different source temperatures.

The study identifies ammonia (R717) as the optimal choice, offering high performance, minimal carbon emissions, and competitive operational electricity costs for a heat sink temperature of 70°C with a heat source temperature of -11.28°C to 60°C. At higher temperature ranges, n-butane (R600) is the most effective option. Despite CO2’s safety advantages, it lags in COP compared to alternatives like ammonia, propane, orpropylene.

The thesis also explores practical applications, highlighting ammonia’s usage in industrial settings and CO2’s suitability in safety-focused scenarios. By emphasizing the importance of heat pumps in industrial decarbonization, the study provides valuable insights for future endeavors with natural refrigerants. 

Med ökningen av den globala uppvärmningen ökar efterfrågan på kolneutrala tekniker. Eftersom branscher konsumerar över en tredjedel av den totala energin är deras roll för att minska koldioxidutsläppen avgörande. Elektrifiering, särskilt genom värmepumpar, är nyckeln för en hållbar framtid. Kylmedel som används i dessa system utgör emellertid miljörisker såsom ozonskiktutarmning (ODP) och global uppvärmningspotential (GWP). På grund av EU: s stränga F-GAS-föreskrifter som syftar till att minska TFA från HFC: er blir övergången till naturliga köldmedier absolut nödvändigt.

Denna avhandling analyserar storskaliga värmepumpssystem, med fokus på prestanda, koldioxidutsläpp och driftkostnader inom ett temperaturområde för värmesänka på 70°C-140°C. Olika systemdesigner för olika temperaturnivåer och kylmedel modelleras vid olika källtemperaturer.

Studien identifierar ammoniak (R717) som det optimala valet och erbjuder högprestanda, minimala koldioxidutsläpp och konkurrenskraftiga driftskostnader för en kylflänsstemperatur på 70 ° C med en värmekällstemperatur på -11,28 ° C till 60 °C. Vid högre temperaturintervall är N-butan (R600) det mest effektiva alternativet. Trots CO2: s säkerhetsfördelar ligger det i COP jämfört med alternativ som ammoniak, propan eller propylen.

Avhandlingen undersöker också praktiska tillämpningar och belyser ammoniakanvändning i industriella miljöer och CO2: s lämplighet i säkerhetsfokuserade scenarier. Genom att betona vikten av värmepumpar i industriell avkörning gerstudien värdefull insikt för framtida ansträngningar med naturliga kylmedel.