Recuperació de calor residual

Sota un parc de Hèlsinki, en coves tallades a la roca, una fila de grans bombes de calor prenen calor de les aigües residuals tractades de la ciutat i de l’aigua que torna de la seva xarxa de refrigeració distrital, i la posen al calefacció distrital que escalfa les cases. La planta Katri Vala, gestionada per la companyia d’energia de la ciutat Helen, va produir 570.000 MWh de calor el 2017 a partir de cinc grans bombes de calor, i s’esperava que una sisena, afegida el 2021, augmentés fins a 200.000 MWh l’any; la seva capacitat va arribar als 123 MW (Wikipedia, Energy in Finland, citant Helen, 2018). La calor ja era allà. Sovint fluïa cap al mar Bàltic.

La calor residual és la “font d’energia” més gran que ningú compta. Un estudi del 2016 va estimar que El 72% de l’energia primària del món es perd després de la conversió, principalment com a calor, i que El 63% dels fluxos de calor residual estan per sota dels 100 °C (Forman et al., 2016.). El segon número és el més important. La calor que es refreda és gairebé inútil per a la producció d’electricitat i molt útil per escalfar edificis. Aquesta pàgina explica per què, i el que cal fer per usar-lo.

72%de l'energia primària global perduda després de la conversió, principalment com a calor (Forman et al., 2016.)

63%d' aquesta calor residual és inferior a 100 °C: bona per escalfar, pobre per a l' electricitat

100.000 MWhof heat a year: the recovery goal of Meta's data centre in Odense, Denmark, enough for 6,900 homes (Meta, 2020)

1.6 kWhd'electricitat, com a molt, de 100 kWh de calor del centre de dades a 30 °C, pel límit de Carnot; com a calor a través d'una bomba de calor, esdevé uns 145 kWh

Què és

La recuperació de calor residual significa capturar la calor que un procés allibera de totes maneres i lliurar-la a alguna cosa que necessita calor. Té tres formes comunes:

Ús directe. L’aigua calenta o el gas d’una fàbrica, incineradora o central elèctrica passa a través d’un intercanviador de calor cap a una xarxa de calefacció urbana o un altre procés. Així és com van començar la majoria de les xarxes de calor de Dinamarca i Suècia.
Bomba de calor en fonts fredes. Les aigües residuals, els centres de dades, els supermercats, els túnels del metro i l’aigua de refrigeració només tenen entre 10 i 40 °C. Una gran bomba de calor eleva aquesta calor als 60 a 90 °C que les xarxes necessiten, utilitzant molta menys electricitat que una caldera.
Produir electricitat. L’exhaust calent de forns, forns i motors, típicament per sobre dels 200 °C, pot conduir una turbina de vapor o un cicle orgànic Rankine (ORC), una petita turbina que utilitza un fluid que bull a temperatures més baixes que l’aigua.

Una llarga central elèctrica en pendent revestida d'alumini, amb una pista d'esquí verda al sostre i una xemeneia alta, a prop de l'aigua a Copenhaguen. — Amager Bakke a Copenhaguen crema les escombraries de la ciutat i subministra entre 157 i 247 MW de calor a la xarxa de calefacció distrital, segons la demanda, i fins a 63 MW d'electricitat. El seu sostre és una pista d'esquí. Photo: kallerna, CC BY-SA 4.0

Com funciona

El valor de la calor es determina per la seva temperatura. Un kWh de calor a 30 °C i un kWh a 600 °C són la mateixa quantitat d’energia però no el mateix recurs. L’eficiència de Carnot, el sostre per a qualsevol motor que converteix calor en treball, és η = 1 − T_cold / T_hot, amb temperatures en kelvin. Amb l’ ambient a 25 °C (298 K):

calor a 30 °C (303 K): 1 − 298/303 = 1.6%
calor a 90 °C (363 K): 1 − 298/363 = 18%
calor a 300 °C (573 K): 1 − 298/573 = 48%

Les màquines reals arriben a menys de la meitat d’aquests sostres. Els cicles orgànics de Rankine, l’elecció habitual per recuperar electricitat de la calor moderada, típicament converteixen aproximadament del 5 al 20% de la calor, augmentant amb la seva temperatura (Quoilin et al., 2013). Per sota dels 80 °C, la producció d’electricitat rarament val la maquinària.

Un gran recipient aïllat de plata amb canonades i vàlvules: una unitat orgànica del cicle Rankine en una sala industrial. — Una unitat orgànica del cicle Rankine, un bucle de turbina que converteix la calor residual moderadament calenta en electricitat. Normalment converteix del 5 al 20% de la calor. Photo: Benedikt Schneider, CC BY-SA 3.0

Les bombes de calor funcionen al revés. El sostre d’una bomba de calor és COP = T_hot / (T_hot − T_cold): com més petit sigui l’ascensor, més calor per unitat d’electricitat. Aixecar la calor del centre de dades de 30 °C a 80 °C té un COP Carnot d’aproximadament 6,4; les grans bombes de calor reals arriben a la meitat, al voltant de 3. Així doncs, 100 kWh de calor residual a 30 °C més uns 45 kWh d’electricitat es converteixen en uns 145 kWh de calor de la xarxa. L’electricitat no es malgasta: també acaba sent calor.

La distància és l’altra restricció. La calor és cara de moure. Les canonades, les trinxeres i el bombament costen molt més per kWh que els cables elèctrics, i l’aigua calenta perd calor al llarg del camí. La calor residual és valuosa quan un usuari de calor està a prop de la font, o quan una xarxa de calor ja passa per sobre d’ella. Modern “fourth generation” networks run at lower temperatures (around 50 to 70 °C) precisely so that more low-grade heat can be used (Lund et al., 2014).

Dues grans canonades negres aïllades de calefacció distrital en una trinxera acabada de cavar. — Canals de calefacció distrital en una trinxera a Jyväskylä, Finlàndia. Movent la calor significa canonades aïllades, i cada quilòmetre significa cavar. Photo: Antti Leppänen, CC BY-SA 3.0

El temps és el tercer. Un centre de dades produeix calor durant tot l’any; les llars en necessiten la major part a l’hivern. Les xarxes equilibren això amb l’emmagatzematge de calor, altres fonts de calor i, a l’estiu, per la descàrrega de calor que no es pot utilitzar.

Un gran dipòsit cilíndric vermell etiquetat Fernwärmespeicher Theiß, envoltat de canonades. — La torre d'emmagatzematge de calor a Theiß, Baixa Àustria, conté 50.000 metres cúbics d'aigua calenta per a la xarxa de calefacció urbana: una manera de reduir el desnivell entre quan es produeix la calor i quan és necessària. Photo: C.Stadler/Bwag, CC BY-SA 4.0

Els límits

Temperatura. La majoria de la calor residual és massa freda per a l’electricitat. L’equació de Carnot no és negociable.
Distància. Una font lluny de qualsevol usuari de calor és pràcticament inútil, per gran que sigui.
No coincideix amb el temps. La calor industrial i dels centres de dades és constant; la demanda d’escalfament és estacional i arriba als seus pics en matins freds.
Fiabilitat i contractes. Una xarxa no pot dependre d’una fàbrica que es tanqui o un centre de dades que es mogui. Els contractes, la capacitat de reserva i el compartir del risc són tan importants com l’enginyeria.
L’eficiència primer. La millor calor residual és la calor no produïda. Millors processos i servidors eficients redueixen el que està disponible per recuperar, i això és una cosa bona.

Projectes reals, mesurats

Projecte	On, quan	Font de calor i escala	Què s’ informa
Planta de calefacció i refrigeració Katri Vala	Hèlsinki, Finlàndia, des de 2006, ampliada des de	Aigües residuals tractades i aigua de retorn per a la refrigeració distrital, grans bombes de calor en coves rocoses	570.000 MWh de calor el 2017 a partir de cinc bombes de calor; una sisena part del 2021 suma fins a 200.000 MWh l’any; uns 123 MW en total (Helen, 2018; Wikipedia)
Centre de dades Meta Odense amb Fjernvarme Fyn	Odense, Dinamarca, des de 2020	La calor del servidor és aixecada per bombes de calor cap a la xarxa de la ciutat	Objectiu: 100.000 MWh de calor a l’any, suficient per a 6.900 habitatges (Meta, 2020)
Parcs d’informació	Estocolm, Suècia, des de 2017	Stockholm Exergi compra calor dels centres de dades per a la xarxa de la ciutat	Un programa per a “una indústria de centres de dades on no es malgasta calor” (Stockholm Data Parks)
Centres de dades del nord d’Europa	Finlàndia, Suècia, Dinamarca, Noruega	Potencial modelat	La calor dels centres de dades podria cobrir una part notable de la calefacció distrital a les ciutats nòrdiques si les xarxes i els preus ho permeten (Wahlroos et al., 2018).

Dos senyals polítics mostren cap a on es dirigeix tot això. Alemanya ara requereix nous centres de dades que comencin a operar a partir del juliol de 2026 per reutilitzar almenys el 10% de la seva energia, pujant al 15% des del juliol de 2027 i al 20% des del juliol de 2028, tret que hi hagi un acord de xarxa de calor (Energieeffizienzgesetz, secció 11). I els centres de dades estan creixent ràpidament: l’AIE estima que van utilitzar uns 415 TWh d’electricitat el 2024, al voltant de l’1,5% de l’electricitat mundial, i es dirigiran cap a uns 945 TWh per al 2030 (IEA, Energy and AI, 2025). Gairebé tota aquesta electricitat acaba com a calor de baixa temperatura.

Una vista aèria d'un gran sostre de centre de dades cobert amb files d'unitats de refrigeració i generadors. — El sostre d'un centre de dades, cobert amb equips de refrigeració. Gairebé tota l'electricitat que utilitzen els seus servidors passa per màquines com aquestes com a calor de baixa temperatura. Photo: Rsparks3, CC0

A Dinamarca, Finlàndia i Suècia la calefacció urbana proporciona una gran part del mercat de calor, raó per la qual lideren en l’ús de la calor residual (Werner, 2017). En altres llocs la peça que falta és normalment la xarxa, no la calor.

Quant costa

Waste-heat recovery does not generate electricity, so the site-wide benchmark (rooftop solar at about $0.19 per kWh in our Fan Wall model, within Lazard’s June 2026 range of $0.09 to $0.20 for commercial rooftop solar) applies only to the small high-temperature cases that make electricity. Per a la calor, el competidor és una caldera de gas. Utilitzant els mateixos números rodons que en el nostre pàgina d’ emmagatzematge tèrmic (gas a l’engròs a 35 € per MWh, carbó a 70 € per tona, una caldera del 90%), la calor de gas costa uns 5 a 6 cèntims d’ euro per kWh.

Una secció de canonada de calefacció urbana aïllada negra amb connexions de ramificació i capçals grocs, al costat d'una trinxera davant d'un bloc d'apartaments. — Construint una línia de calefacció urbana a Tübingen, Alemanya. Una nova connexió d'uns quants quilòmetres pot costar més que la bomba de calor en si. Photo: Giftzwerg 88, CC BY-SA 4.0

La calor d’una font de baixa temperatura a través d’una gran bomba de calor costa l’electricitat dividida pel COP, més l’equip que s’estén sobre la calor que lliura. Els costos publicats per a grans bombes de calor i connexions varien àmpliament segons el lloc, així que mostrem l’interval com un càlcul (20 anys, 7% taxa real de descompte, COP 3, canonades i connexió no inclosos):

Cost instal·lat de la bomba de calor per kW de calor	Electricitat 50 € per MWh, 3.000 hores a l’any	Electricitat 50 €, 6.000 hores	Electricitat 100 €, 3.000 hores	Electricitat 100 €, 6.000 hores
€500	3.2 c	2.4 c	4.9 c	4.1 c
€1,000	4.8 c	3.2 c	6.5 c	4.9 c
€1,500	6.4 c	4.0 c	8.1 c	5.7 c

Cents d’euro per kWh de calor. El nostre càlcul: cost de l’equip × 0,0944 ÷ hores + preu de l’electricitat ÷ 3.

La calor recuperada és normalment competitiva amb el gas quan la bomba de calor funciona moltes hores a l’any i la font està al costat d’una xarxa. Els seus punts febles són les canonades (una nova connexió de pocs quilòmetres pot costar més que la bomba de calor) i el risc que desaparegui la font. L’ús directe de calor industrial calenta, sense cap bomba de calor en absolut, és típicament la calor més barata que una xarxa pot comprar.

Una torre alta de ciment d'acer i formigó sota un cel blau. — La torre del forn d'una planta de ciment a Union Bridge, Maryland. Les fàbriques de ciment, vidre i acer alliberen calor prou calenta per alimentar directament una xarxa, la calor més barata que pot comprar una xarxa, o per conduir una turbina. Photo: Acroterion, CC BY-SA 4.0

Produir electricitat a partir de la calor residual és diferent: una unitat ORC només competeix on la calor és calenta, estable i lliure, i fins i tot llavors la seva producció és petita en comparació amb la calor que entra.

On pot guanyar, i on no pot

Pot guanyar:

Ciutats amb xarxes de calor al costat de centres de dades, obres d’escombraries, sistemes de metro, supermercats i fàbriques.
Parcs industrials, on la calor residual d’una planta és la calor de procés d’una altra planta.
Nous centres de dades dissenyat des del principi per a proporcionar aigua calenta, especialment amb refrigeració líquida a 40 a 60 °C.
Indústria d’alta temperatura (ciment, vidre, acer, productes químics), on l’exhaust per sobre dels 250 °C pot conduir una ORC o turbina de vapor per a electricitat, o preescalfar materials.
Calor de les aigües residuals, que és estable, propera a les ciutats i disponible a l’hivern.

Vista aèria de tres tancs de sedimentació rodons en una planta de tractament d'aigües residuals. — Clarificadors en una planta de tractament d'aigües residuals a Kailua, Hawaii. Les aigües residuals flueixen de manera constant durant tot l'any i es mantenen utilitzables a l'hivern, raó per la qual la planta Katri Vala d'Hèlsinki n'obté calor. Photo: Roen Wainscoat, CC BY-SA 4.0

No pot guanyar:

Fons remotes sense cap usuari de calor a prop: un centre de dades del desert o una planta aïllada.
Convertir la calor de baixa temperatura en electricitat. A 30 a 60 °C el sostre de Carnot és d’un poc per cent; cap dispositiu ho canvia.
Llocs sense xarxes de calefacció, fins que algú en construeixi una. La xarxa, no la calor, és normalment la real inversió.
Com a raó per mantenir processos malbaratadors. L’eficiència és el primer.

El que és provat, plausible i especulatiu

Provat: els límits de Carnot en la calor-a-energia i en les bombes de calor; recuperació de calor a gran escala des d’aigües residuals i centres de dades cap a calefacció urbana a Hèlsinki, Odense i Estocolm; xarxes industrials d’alimentació de calor a través de Dinamarca i Suècia; unitats ORC que recuperen electricitat dels gasos d’escapament industrials calents.

Plausible: La majoria dels nous grans centres de dades d’Europa proporcionen calor utilitzable, ajudats per regles com les alemanyes; xarxes a baixa temperatura que prenen més calor de baix grau; servidors refrigerats per líquid que proporcionen aigua a 50-60 °C que necessita poca o cap bomba de calor.

Files de servidors d'ordinadors en líquid dins d'un tanc de refrigeració per immersió obert, amb cables grocs. — Servidors en un tanc de refrigeració per immersió. La refrigeració líquida pot proporcionar aigua més calenta que la refrigeració per aire, de manera que una xarxa de calor necessita menys elevació per utilitzar-la. Photo: Rolf Brink, CC BY-SA 4.0

Especulatiu: electricitat econòmicament significativa de la calor per sota dels 80 °C; recuperació de calor en ciutats sense pla de xarxa; panells termoelèctrics sobre superfícies ordinàries de residus de calor que es paguen per si mateixos.

Preguntes obertes de recerca

Mapeig. On, a quina temperatura i en quina quantitat està disponible la calor residual, comparada amb on es necessita la calor? Els mapes oberts i locals són rars.
Contractes i risc. Qui paga la connexió, i qui assumeix el risc si la font es tanca?
Xarxes de baixa temperatura. Com convertir xarxes i edificis d’alta temperatura existents per funcionar més freds.
Bombes de calor d’alta temperatura que lliuren vapor a 120 a 200 °C per a la indústria, des de la calor residual a 60 a 100 °C.
Emmagatzematge estacional que manté la calor del centre de dades d’estiu per a l’hivern.
Rendiment mesurat. Dades publicades anualment sobre la calor lliurada, l’electricitat utilitzada i els costos per a projectes reals.

El que necessitaria un prototip de treball

Les bombes de calor i els intercanviadors de calor estan madurs. Les innovacions útils són en la connexió de fonts als usuaris barat, en bombes de calor d’alta temperatura i en el control. Un model de treball hauria d’oferir calor mesurada a un usuari real.

Fase	Treball	Decisió que habilita	Cost aproximat	Hora
1. Heat audit	Mesura el flux i la temperatura d’un corrent de residus real durant diverses setmanes amb registradors; mapa els usuaris de calor en un radi d’1 a 2 km	Hi ha prou calor, a una temperatura útil, prou a prop d’un usuari?	$5k to $20k	1 a 3 mesos
2. Demostrador de banc	Un intercanviador de calor i bomba de calor de 10 a 50 kW en la font real, amb comptadors de calor i electricitat	COP, encobriment i fiabilitat mesurats en el flux real	$30k to $150k	6 a 12 mesos
3. Connexió pilot	Una connexió a un edifici o una xarxa petita, un any de dades, un contracte de subministrament de calor	Cost real per kWh de calor i model de contracte	$0.3M to $2M	12 a 24 mesos

Una estació compacta de transferència de calefacció urbana amb un intercanviador de calor de plaques blaves, bombes, vàlvules i mesuradors. — Una estació de transferència de calefacció urbana de 300 kW a la Baixa Àustria: un intercanviador de calor, bombes i comptadors que passen la calor entre una xarxa i un edifici. Una connexió pilot a un edifici es veu molt semblant a això. Photo: Ulrichulrich, CC BY-SA 3.0

Qui necessitem

Enginyers de calefacció distrital i operadors de xarxa.
Especialistes en bombes de calor, especialment per a màquines grans i d’alta temperatura.
Centres de dades i gestors d’energia industrial disposats a compartir dades de temperatura i flux.
Planificadors urbans i analistes de SIG per mapejar fonts i usuaris.
Advocats i economistes per dissenyar contractes de calor que comparteixin el risc justament.
Enginyers de processos per a la contaminació, corrosió i neteja d’intercanviadors de calor en corrents bruts com les aigües residuals i els gasos de combustió.

Tens una idea millor?

Alguns membres de la Fundació poden tenir contactes que podrien escoltar un pitch per a una idea d’energia forta. Per ser llançada, una idea necessita un model de treball, real que produeix energia; per a una idea de recuperació de calor, això significa un model que proporciona calor o electricitat mesurada, amb la seva sortida i el seu propi ús d’energia registrats en instruments, no reclamats. Les idees en paper també són benvingudes: si la física i els números són sòlids, les podem publicar aquí al lloc web. Però recaptar capital sense un model de treball és molt difícil, i res aquí no és una promesa de finançament, rendibilitat o introduccions.

Envieu la vostra idea a través del formulari de contribució amb el problema que resol, la comprovació física, un cost aproximat per kWh i la prova més barata que podria demostrar-ho erròniament. Si teniu un model de treball, incloeu la seva sortida mesurada i com l’ heu mesurat. La pàgina fuentes d’energia compara aquesta i les altres alternatives del radar d’idees.

Fonts

Forman, C., Muritala, I.K., Pardemann, R. i Meyer, B. (2016). Estimating the global waste heat potential (en anglès). Revisió d’Energia Renovable i Sostenible 57, 1568-1579.
(2018) (anglès). La nova bomba de calor es construirà de nou a Hèlsinki; Wikipedia, Energia a Finlàndia.
Meta (2020). Centre de dades d’Odense: recuperació de calor.
«Parc de dades d’Estocolm». Lloc web del programa.
Wahlroos, M., Pärssinen, M., Rinne, S., Syri, S. i Manner, J. (2018). «Future views on waste heat utilization: case of data centers in Northern Europe» (en anglès). Renewable and Sustainable Energy Reviews 82, 1749-1764 (en anglès)..
Quoilin, S., Van Den Broek, M., Declaye, S., Dewallef, P. i Lemort, V. (2013). «Techno-economic survey of Organic Rankine Cycle (ORC) systems» (en anglès). Renewable and Sustainable Energy Reviews 22, 168-186.
Lund, H., Werner, S., Wiltshire, R. i col·legues. (2014). 4a Generació de Calefacció Urbana (4GDH). Energia 68, 1-11.
Werner, pàg. (2017). Revisió internacional de calefacció i refrigeració distrital. Energy 137, 617-631..
Germany (2023). Energieeffizienzgesetz (EnEfG), secció 11: centres de dades.
IEA (2025). Energia i IA.
Lazard (juny de 2026). Levelized Cost of Energy+, versió 19.
Fundació Local Solar System. El model obert de la paret del ventilador: el punt de referència solar del terrat de 0,19 dòlars per kWh.
Viquipèdia. Amager Bakkedenmark_ counties. kgm: 157 a 247 MW de calefacció distrital i fins a 63 MW d’electricitat a partir de residus municipals, amb una pista d’esquí al sostre.