ADVANCED POWER CYCLES IN MULTI-GENERATION SYSTEMS: HARNESSING HEAT SOURCES FOR GREATER FLEXIBILITY AND EFFICIENCY

La decarbonizzazione dei settori energetico e industriale costituisce una delle principali sfide nella lotta al cambiamento climatico. Sebbene le fonti rinnovabili assumano un ruolo centrale, non rappresentano una soluzione completa. Migliorare l’efficienza dei sistemi di conversione, recuperare calore di scarto e introdurre tecnologie innovative per la generazione di energia sono elementi strategici in linea con gli obiettivi globali di sostenibilità. In tale contesto, la presente tesi analizza soluzioni avanzate per la conversione termodinamica dell’energia in ambito civile e industriale, con una chiara connessione ai Sustainable Development Goals (SDG), in particolare SDG 7 (Energia pulita e accessibile) e SDG 9 (Imprese, Innovazione e Infrastrutture). La tesi è organizzata in cinque studi scientifici accomunati da un’unica metodologia basata su revisione dello stato dell’arte, definizione del caso studio, modellazione numerica e analisi tecno-economica. I primi lavori indagano sistemi multi-generativi basati su CO2 e miscele di CO2, evidenziando come calori di scarto ad alta temperatura possano essere convertiti in elettricità, calore, freddo e idrogeno. Tali soluzioni contribuiscono direttamente al Target 7.3, volto al miglioramento dell’efficienza energetica. Un secondo gruppo di studi analizza il recupero energetico nei processi industriali, includendo pompe di calore ad alta temperatura integrate con impianti di separazione dell’aria ed espansori meccanici installati su reti di gas compresso. Queste applicazioni rispondono al Target 9.4, che promuove la modernizzazione delle infrastrutture industriali per migliorarne l’efficienza delle risorse e ridurne l’impatto ambientale. Infine, viene analizzato un ciclo di potenza elettrochimico cogenerativo, identificato come alternativa ad alta efficienza rispetto ai cicli termodinamici convenzionali. I risultati mostrano che una corretta integrazione impiantistica, un’accurata selezione dei fluidi di lavoro e l’adozione di tecnologie innovative possono incrementare le prestazioni termodinamiche, ridurre i consumi di energia primaria e mitigare le emissioni. Ciò rafforza gli obiettivi di SDG 7, migliorando l’accesso a sistemi energetici moderni ed efficienti, e di SDG 9, favorendo innovazione industriale e infrastrutture più sostenibili. Tuttavia, l’adozione su larga scala è vincolata da fattori ingegneristici, operativi ed economici, motivo per cui le conclusioni includono considerazioni di policy e sostenibilità utili al trasferimento industriale delle soluzioni analizzate. Nel complesso, la tesi evidenzia che la decarbonizzazione non può basarsi su un’unica tecnologia, ma richiede un insieme integrato di soluzioni complementari. Attraverso un approccio multidisciplinare — che combina termodinamica, analisi economica e valutazioni di sostenibilità — il lavoro propone soluzioni per ridurre le emissioni e migliorare l’efficienza energetica in settori difficilmente decarbonizzabili nel breve periodo.

The decarbonization of the energy and industrial sectors remains a key challenge in addressing climate change. While renewable energy sources are essential to support this transition, they cannot alone provide a comprehensive solution. Improving conversion efficiency, recovering industrial waste heat, and deploying innovative power systems are strategic pillars aligned with global sustainability targets. In this context, this thesis investigates advanced thermodynamic energy conversion solutions for civil and industrial applications, with explicit relevance to Sustainable Development Goal (SDG) 7: Affordable and Clean Energy and SDG 9: Industry, Innovation and Infrastructure. The research is organized into five scientific studies sharing a unified methodological framework based on literature assessment, case selection, modelling and techno-economic analysis. The first group of studies explores multi-generation systems using CO2 and CO2-mixtures as working fluids, demonstrating how high-temperature waste heat can be converted into electricity, heat, cooling, and hydrogen. These solutions directly contribute to SDG Target 7.3, which aims to double the global rate of improvement in energy efficiency. A second set of works examines industrial energy recovery, including high-temperature heat pumps integrated into Air Separation Units and mechanical recovery through gas expanders in pressurized industrial pipelines. These studies address SDG Target 9.4, promoting the upgrading of industrial infrastructure and improving resource-use efficiency through cleaner and more efficient technologies. Finally, the thesis evaluates an electrochemical power cycle for combined heat and power, representing a technological pathway for higher conversion efficiencies compared to conventional thermodynamic cycles. Across the different studies, results show that tailored system integration and fluid selection can significantly increase thermodynamic performance, reduce primary energy consumption, and mitigate emissions, thus reinforcing SDG 7 by improving access to modern and efficient energy systems and SDG 9 by fostering industrial innovation and sustainable infrastructure. Despite the promising performance of laboratory-validated technologies, large-scale deployment remains conditioned by feasibility constraints, industrial practices, and economic drivers. These considerations are complemented by policy and sustainability reflections to support industrial adoption of the investigated solutions. Overall, this thesis demonstrates that decarbonization cannot rely on a single “silver bullet” technology. Instead, complementary solutions—ranging from waste heat recovery to multigeneration schemes and innovative power cycles—are required to accelerate the transition toward cleaner and more resilient energy systems. Through a multidisciplinary approach encompassing thermodynamics, economic evaluation and sustainability analysis, the work provides credible pathways to reduce emissions and improve efficiency in sectors that will remain hard to decarbonize in the short-to-medium term.