Contribution to the decarbonisation of energy intensive industries in the path of the European Union objectives. Application to the case study of SEAT

(English) The urgent need to address climate change is intensifying global efforts to decarbonize all sectors, especially the industrial sector, which remains one of the most challenging due to its high-temperature demands and complex operations. Among the most promising solutions is electrification through High Temperature Heat Pumps (HTHPs), potentially combined with electric boilers. This thesis assesses the decarbonization potential of HTHPs in industrial cogeneration systems, using a real case study: the Combined Heat and Power (CHP) plant at SEAT’s automotive factory in Martorell, Spain. Currently powered by natural gas, the plant provides superheated water (SHW) and is a major source of the site’s CO₂ emissions, while facing increasing environmental and regulatory pressure. Unlike prior studies that use simplified or idealized models, this work develops a high-fidelity hybrid thermodynamic model of the CHP system, based on one year of operational data and realistic constraints of electrification technologies. Two modeling approaches were explored—a purely thermodynamic model and a hybrid model integrating empirical data to compensate for sensor inaccuracies. The hybrid model, with lower error margins, was chosen for further analysis. The model includes all major components: gas and steam turbines, post-combustion heat recovery boiler (HRB), absorption chillers, air coolers, and auxiliary boilers, enabling accurate simulation of the plant under real conditions. The technical and economic viability of replacing gas-based heat production with HTHPs and electric boilers was assessed, considering performance limitations (e.g., efficiency loss at high temperatures), availability of low-temperature heat sources, and electricity market dynamics. A key contribution is the evaluation of how current regulatory and market conditions—especially incentives favoring gas-based CHP—impact the competitiveness of electrified solutions. The thesis concludes by analyzing optimal HTHP sizing under various scenarios, considering CO₂ pricing, thermal demand, and plant dynamics. Findings suggest that, although technically feasible, electrification is significantly influenced by regulatory and economic frameworks. The study highlights the importance of detailed modeling, realistic assumptions, and strategic alignment. It also reveals a broader issue: many industrial players lack the data infrastructure and planning needed to implement deep decarbonization. This work provides a replicable methodology and valuable insights for engineers, operators, and policymakers committed to reducing industrial carbon emissions. (Català) L’emergència climàtica està accelerant els esforços globals per descarbonitzar tots els sectors, especialment l’industrial, un dels més complexos degut a les seves altes demandes tèrmiques i operacions intricades. Una de les vies més prometedores és l’electrificació mitjançant bombes de calor d’alta temperatura (HTHPs), sovint combinades amb calderes elèctriques. Aquesta tesi analitza el potencial de descarbonització de les HTHPs en sistemes de cogeneració industrial, emprant com a cas d’estudi real la planta de cogeneració de la fàbrica SEAT a Martorell, Catalunya. Actualment alimentada amb gas natural, la planta subministra aigua sobreescalfada (SHW) i és una font important d’emissions de CO₂, en un context de pressió ambiental i reguladora creixent. A diferència d’altres estudis basats en models idealitzats, es desenvolupa un model termodinàmic híbrid d’alta fidelitat, basat en un any complet de dades operatives i amb restriccions tecnològiques realistes. Es van explorar dos enfocaments: un model purament termodinàmic i un model híbrid amb correlacions empíriques per compensar mancances de dades. El model híbrid, amb menor error, es va utilitzar per a l’anàlisi. El model inclou components clau de la planta: turbines de gas i vapor, caldera de recuperació postcombustió (HRB), refrigeradors per absorció, refrigeradors d’aire i calderes auxiliars. Això permet simular el comportament real de la planta en condicions operatives. Es va estudiar la viabilitat tècnica i econòmica de substituir la producció tèrmica amb gas per HTHPs i calderes elèctriques, tenint en compte limitacions tecnològiques, fonts tèrmiques disponibles i el mercat elèctric. Una aportació rellevant és l’anàlisi de com el marc regulador actual, que afavoreix la cogeneració amb gas, afecta la competitivitat de les solucions electrificades. La tesi conclou amb el dimensionament òptim de les HTHPs segons escenaris de preu de CO₂, perfils de demanda i dinàmiques de planta. Els resultats mostren que, tot i ser tècnicament viable, l’electrificació depèn fortament del context econòmic i normatiu. Es posa en relleu la importància d’una modelització rigorosa i una estratègia realista. A més, s’identifica una problemàtica general: moltes indústries encara no disposen de la infraestructura ni la planificació per una descarbonització profunda. Aquest treball ofereix una metodologia transferible i eines útils per a enginyers, operadors i responsables polítics. (Español) La urgencia del cambio climático está impulsando la descarbonización de todos los sectores, especialmente el industrial, que presenta grandes desafíos debido a sus necesidades de alta temperatura y operaciones complejas. Entre las soluciones más prometedoras se encuentra la electrificación mediante bombas de calor de alta temperatura (HTHPs), combinadas potencialmente con calderas eléctricas. Esta tesis evalúa el potencial de descarbonización de las HTHPs en sistemas de cogeneración industrial, usando como caso real la planta de cogeneración (CHP) de la fábrica SEAT en Martorell, España. Actualmente funciona con gas natural y suministra agua sobrecalentada (SHW), representando una fuente significativa de emisiones de CO₂, en un contexto de creciente presión ambiental y regulatoria. A diferencia de estudios anteriores con modelos simplificados, esta investigación desarrolla un modelo termodinámico híbrido de alta fidelidad, basado en un año completo de datos operativos y considerando restricciones realistas. Se compararon dos enfoques: un modelo termodinámico puro y otro híbrido que integra correlaciones empíricas para abordar lagunas de datos. El modelo híbrido, con menor error, fue seleccionado para el análisis. El modelo incluye los principales componentes de la planta: turbinas de gas y vapor, caldera de recuperación postcombustión (HRB), enfriadores por absorción, refrigeradores de aire y calderas auxiliares. Esto permite simular el rendimiento real de la planta bajo condiciones operativas reales. Se analizó la viabilidad técnica y económica de sustituir la producción térmica basada en gas por HTHPs y calderas eléctricas, considerando limitaciones técnicas, fuentes térmicas disponibles y la estructura del mercado eléctrico. Una aportación clave es la evaluación del impacto de las condiciones regulatorias actuales, que favorecen la cogeneración a gas, sobre la competitividad de soluciones electrificadas. La tesis concluye con un análisis del dimensionamiento óptimo de HTHPs según escenarios de precios de CO₂, demanda térmica y dinámica operativa. Los resultados indican que, aunque técnicamente viable, la electrificación está fuertemente condicionada por el contexto normativo y económico. Se subraya la importancia de modelos detallados y estrategias realistas. Además, se identifica un problema más amplio: muchas industrias carecen de la infraestructura de datos y la planificación necesaria para una descarbonización profunda. Este trabajo ofrece una metodología replicable y orientaciones útiles para ingenieros, operadores y responsables políticos.