Recuperación de calor residual
Las centrales eléctricas, las fábricas, los alcantarillados y los centros de datos vierten enormes cantidades de calor en el aire y el agua todos los días. Mucho de eso podría calentar hogares. Casi nada de eso podría producir electricidad. Aquí está por qué y dónde funciona la recuperación.
Helen Ltd / Wikimedia Commons (CC BY-SA 3.0)
Bajo un parque en Helsinki, en cavernas excavadas en la base de la roca, una fila de grandes bombas de calor toma el calor de las aguas residuales tratadas de la ciudad y del agua que regresa de su red de refrigeración urbana, y lo pone en la calefacción urbana que calienta los hogares. La planta Katri Vala, gestionada por la compañía de energía Helen, produjo 570.000 MWh de calor en 2017 a partir de cinco grandes bombas de calor, y se esperaba que una sexta, agregada en 2021, aumentara esa cantidad hasta 200.000 MWh al año; su capacidad alcanzó unos 123 MW (Wikipedia, la enciclopedia libre, citando Helen, 2018). El calor ya estaba ahí. Solía desembocar en el mar Báltico.
El calor residual es la mayor “fuente de energía” que nadie cuenta. Un estudio de 2016 estimó que El 72% de la energía primaria del mundo se pierde después de la conversión, sobre todo como calor, y que El 63% de las corrientes de calor residual están por debajo de los 100 °C (Forman et al., 2016). El segundo número es el más importante. El calor que enfría es casi inútil para producir electricidad y muy útil para calentar edificios. Esta página explica por qué, y lo que se necesita para usarlo.
Qué es el ADN
La recuperación de calor residual significa capturar el calor que un proceso libera de todos modos y entregarlo a algo que necesita calor. Tiene tres formas comunes:
- Uso directo. El agua caliente o el gas de una fábrica, incinerador o central eléctrica pasa a través de un intercambiador de calor en una red de calefacción urbana u otro proceso. Así es como comenzaron la mayoría de las redes de calefacción de Dinamarca y Suecia.
- Bombas de calor en fuentes frías. Las aguas residuales, los centros de datos, los supermercados, los túneles del metro y el agua de refrigeración solo tienen una temperatura de 10 a 40 °C. Una bomba de calor grande eleva ese calor a los 60 a 90 °C que las redes necesitan, utilizando mucha menos electricidad que una caldera.
- Producción de electricidad. Los gases de escape calientes de hornos, hornos y motores, típicamente por encima de 200 °C, pueden impulsar una turbina de vapor o un ciclo orgánico Rankine (ORC), una pequeña turbina que utiliza un fluido que hierve a temperaturas más bajas que el agua.
¿Cómo funciona?
El valor del calor se establece por su temperatura. Un kWh de calor a 30 °C y un kWh a 600 °C son la misma cantidad de energía pero no el mismo recurso. La eficiencia de Carnot, el techo para cualquier motor que convierte calor en trabajo, es η = 1 − T_cold / T_hot, con temperaturas en kelvin. Con el ambiente 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%
Las máquinas reales alcanzan menos de la mitad de estos techos. Los ciclos orgánicos de Rankine, la elección habitual para recuperar electricidad a partir de calor moderado, típicamente convierten aproximadamente del 5 al 20% del calor, aumentando con su temperatura (Quoilin et al., 2013). Por debajo de unos 80 °C, la producción de electricidad rara vez vale la maquinaria.
Las bombas de calor funcionan al revés. El techo de una bomba de calor es COP = T_hot / (T_hot − T_cold): cuanto menor sea el ascensor, más calor por unidad de electricidad. Elevar el calor de un centro de datos de 30 °C a 80 °C tiene un COP Carnot de alrededor de 6,4; las bombas de calor grandes reales alcanzan aproximadamente la mitad, alrededor de 3. Así que 100 kWh de calor residual a 30 °C más unos 45 kWh de electricidad se convierten en unos 145 kWh de calor de red. La electricidad no se desperdicia: también termina como calor.
La distancia es la otra limitación. El calor es caro de mover. Las tuberías, las zanjas y el bombeo cuestan mucho más por kWh que los cables eléctricos, y el agua caliente pierde calor en el camino. El calor residual es valioso cuando un usuario de calor se sienta cerca de la fuente, o cuando una red de calefacción ya pasa por encima. Las redes modernas de “cuarta generación” funcionan a temperaturas más bajas (alrededor de 50 a 70 °C) precisamente para que se pueda utilizar más calor de bajo grado (Lund et al., 2014).
El tiempo es el tercero. Un centro de datos produce calor durante todo el año; los hogares lo necesitan en invierno. Las redes equilibran esto con el almacenamiento de calor, otras fuentes de calor y, en verano, al descargar el calor que no se puede usar.
Los límites
- Temperatura. La mayoría del calor residual es demasiado frío para la electricidad. La ecuación de Carnot no es negociable.
- Distancia. Una fuente lejos de cualquier usuario de calor es prácticamente inútil, por grande que sea.
- Desajuste en el tiempo. El calor industrial y de los centros de datos es constante; la demanda de calefacción es estacional y alcanza su máximo en las mañanas frías.
- Fiabilidad y contratos. Una red no puede depender de una fábrica que pueda cerrar o un centro de datos que pueda mudarse. Los contratos, la capacidad de respaldo y el reparto del riesgo son tan importantes como la ingeniería.
- La eficiencia primero. El mejor calor residual es el calor no producido. Los mejores procesos y los servidores eficientes reducen lo que está disponible para recuperar, y eso es algo bueno.
Proyectos reales, medidos
| Proyecto | Dónde, cuándo y cómo | Fuente de calor y escala | Lo que se informa |
|---|---|---|---|
| Planta de calefacción y refrigeración Katri Vala | Helsinki, Finlandia, desde 2006, expandida desde | Aguas residuales tratadas y agua de retorno de la refrigeración urbana, grandes bombas de calor en cavernas rocosas | 570.000 MWh de calor en 2017 a partir de cinco bombas de calor; una sexta parte a partir de 2021 suma hasta 200.000 MWh al año; alrededor de 123 MW en total (Helen, 2018; Wikipedia) |
| Centro de datos Meta Odense con Fjernvarme Fyn | Odense, Dinamarca, desde 2020 | El calor del servidor es transportado por bombas de calor a la red de la ciudad | Meta: 100.000 MWh de calor al año, suficiente para 6.900 hogares (Meta, 2020) |
| Parques de datos en Estocolmo | Estocolmo, Suecia, desde 2017 | Estocolmo Exergi compra calor de centros de datos para la red de la ciudad | Un programa para “una industria de centros de datos donde no se desperdicia calor” (Stockholm Data Parks) |
| Centros de datos del norte de Europa | Finlandia, Suecia, Dinamarca y Noruega | Potencial modelado | El calor de los centros de datos podría cubrir una parte notable de la calefacción urbana en las ciudades nórdicas si las redes y los precios lo permiten (Wahlroos et al., 2018) |
Dos señales políticas muestran hacia dónde se dirige esto. Alemania ahora requiere que los nuevos centros de datos que comiencen a operar a partir de julio de 2026 reutilicen al menos el 10% de su energía, aumentando al 15% a partir de julio de 2027 y al 20% a partir de julio de 2028, a menos que exista un acuerdo de calefacción por red (Energieeffizienzgesetz, sección 11). Y los centros de datos están creciendo rápidamente: la AIE estima que utilizaron alrededor de 415 TWh de electricidad en 2024, alrededor del 1,5% de la electricidad mundial, y se dirigirán hacia unos 945 TWh para 2030 (AIE, Energy and AI, 2025). Casi toda esa electricidad termina como calor a baja temperatura.
En Dinamarca, Finlandia y Suecia la calefacción urbana abastece una gran parte del mercado de calor, por lo que son líderes en el uso de calor residual (Werner, 2017). En otros lugares, la pieza que falta es generalmente la red, no el calor.
Lo que cuesta
La recuperación de calor residual no genera electricidad, por lo que el punto de referencia a nivel del sitio (solares en techos $0.19 por kWh En nuestro sitio Modelo de pared del ventilador, dentro del rango de Lazard para junio de 2026 $0.09 to $0,20 para el solar comercial del tejado) se aplica solamente a los casos pequeños de la alta temperatura que hacen electricidad. Para el calor, el competidor es una caldera de gas. Usando los mismos números redondos que en nuestro Almacenamiento térmico (gas al por mayor a 35 € por MWh, carbón a 70 € por tonelada, una caldera del 90%), el gas cuesta alrededor de 5 a 6 céntimos de euro por kWh.
El calor de una fuente de baja temperatura a través de una bomba de calor grande cuesta la electricidad dividida por el COP, más el equipo distribuido sobre el calor que entrega. Los costes publicados para bombas de calor grandes y conexiones varían mucho según el sitio, por lo que mostramos el rango como cálculo (20 años, tasa de descuento real del 7%, COP 3, tuberías y conexión no incluidas):
| Coste por kW de calor instalado de la bomba de calor | Electricidad 50 € por MWh, 3.000 horas al año | Electricidad 50 €, 6.000 horas | Electricidad 100 €, 3.000 horas | Electricidad 100 €, 6.000 horas |
|---|---|---|---|---|
| €500 | 3.2 c) | 2,4 c | 4,9c | 4.1 c |
| €1,000 | 4,8c | 3.2 c) | 6,5c | 4,9c |
| €1,500 | 6,4 c | 4,0c | 8.1 c | 5,7c |
Centimos de euro por kWh de calor. Nuestro cálculo: costo del equipo × 0.0944 ÷ horas + precio de la electricidad ÷ 3.
El calor recuperado suele ser competitivo con el gas Cuando la bomba de calor funciona muchas horas al año y la fuente está junto a una red. Sus puntos débiles son las tuberías (una nueva conexión de unos pocos kilómetros puede costar más que la bomba de calor) y el riesgo de que la fuente desaparezca. El uso directo de calor industrial caliente, sin bomba de calor en absoluto, es típicamente el calor más barato que una red puede comprar.
La producción de electricidad a partir del calor residual es diferente: una unidad ORC solo compite donde el calor es caliente, constante y gratuito, e incluso entonces su salida es pequeña en comparación con el calor que entra.
Donde puede ganar, y donde no puede
Puede ganar:
- Ciudades con redes de calefacción Al lado de centros de datos, obras de alcantarillado, sistemas de metro, supermercados y fábricas.
- Parques industriales, donde el calor residual de una planta es el calor de proceso de otra planta.
- Nuevos centros de datos Diseñado desde el principio para suministrar agua caliente, especialmente con refrigeración líquida a 40 a 60 °C.
- Industria de alta temperatura (cemento, vidrio, acero, productos químicos), donde los gases de escape por encima de 250 °C pueden impulsar una ORC o turbina de vapor para producir electricidad o precalentar materiales.
- Calor de aguas residuales, que es estable, cerca de las ciudades y disponible en invierno.
No puede ganar:
- Fuentes remotas sin ningún usuario de calor cerca: un centro de datos en el desierto o una planta aislada.
- Convertir el calor de baja temperatura en electricidad. A 30 a 60 °C, el techo de Carnot es de un par de por ciento; ningún aparato lo cambia.
- Lugares sin redes de calefacción, hasta que alguien construya una. La red, no el calor, suele ser la verdadera inversión.
- Como motivo para mantener procesos despilfarradores. La eficiencia es lo primero.
Lo que está probado, plausible y especulativo
Probado: los límites de Carnot en la conversión de calor a energía y en las bombas de calor; recuperación de calor a gran escala de aguas residuales y centros de datos para calefacción urbana en Helsinki, Odense y Estocolmo; redes de alimentación de calor industrial en Dinamarca y Suecia; unidades ORC que recuperan electricidad de escape industrial caliente.
Plausible: La mayoría de los nuevos grandes centros de datos en Europa proporcionan calor utilizable, ayudados por normas como las de Alemania; redes de baja temperatura que toman más calor de bajo grado; servidores refrigerados por líquido que suministran agua a 50 a 60 °C que necesita poca o ninguna bomba de calor.
Especulativo: Electricidad económicamente significativa a partir de calor por debajo de 80 °C; recuperación de calor en ciudades sin plan de red; paneles termoeléctricos sobre superficies ordinarias de calor residual que se autofinancian.
Preguntas de investigación abiertas
- Mapeo. ¿Dónde, a qué temperatura y en qué cantidad está disponible el calor residual, en comparación con donde se necesita calor? Los mapas abiertos y locales son raros.
- Contratos y riesgo. ¿Quién paga la conexión y quién corre el riesgo si se cierra la fuente?
- Redes de baja temperatura. Cómo convertir las redes y edificios existentes de alta temperatura para que funcionen más fríos.
- Bombas de calor de alta temperatura El suministro de vapor a 120 a 200 °C para la industria, a partir del calor residual a 60 a 100 °C.
- Almacenamiento de temporada que mantiene el calor del centro de datos en verano para el invierno.
- Rendimiento medido. Publicación de datos anuales sobre calor entregado, electricidad consumida y costes para proyectos reales.
Lo que necesitaría un prototipo de trabajo
Las bombas de calor y los intercambiadores de calor están maduros. Las innovaciones útiles están en la conexión de fuentes a los usuarios de forma barata, en bombas de calor de alta temperatura y en el control. Un modelo de trabajo debe entregar calor medido a un usuario real.
| Fase | Trabajo | Decisión que permite | Costo aproximado | Tiempo |
|---|---|---|---|---|
| 1. Auditoría de calor | Medir el flujo y la temperatura de un flujo real de residuos durante varias semanas con registradores; mapear los usuarios de calor dentro de 1 a 2 km | ¿Hay suficiente calor, a una temperatura útil, lo suficientemente cerca de un usuario? | $5k to $20k | 1 a 3 meses |
| 2. Demostrador de banco | Un intercambiador de calor y bomba de calor de 10 a 50 kW en la fuente real, con contadores de calor y electricidad | COP, incrustación y fiabilidad medidos en el flujo real | $30k to $150k | 6 a 12 meses |
| 3. Conexión piloto | Una conexión a un edificio o una pequeña red, un año de datos, un contrato de suministro de calor | Coste real por kWh de calor y modelo contractual | $0.3M to $2M | 12 a 24 meses |
A quién necesitamos
- Ingenieros de calefacción urbana y operadores de red.
- Especialistas en bombas de calor, especialmente para las máquinas grandes y de alta temperatura.
- Centros de datos y gestores de energía industrial dispuestos a compartir datos de temperatura y flujo.
- Planificadores urbanos y analistas de SIG para mapear fuentes y usuarios.
- Abogados y economistas Diseñar contratos de calefacción que compartan el riesgo equitativamente.
- Ingenieros de procesos para la incrustación, corrosión y limpieza de intercambiadores de calor en corrientes sucias como aguas residuales y gases de combustión.
¿Tiene una mejor idea?
Algunos miembros de la Fundación pueden tener contactos que podrían escuchar un pitch para una idea de energía fuerte. Para ser lanzada, una idea necesita un Un modelo de trabajo, real que realmente produce energía; para una idea de recuperación de calor, esto significa un modelo que proporciona calor o electricidad medidos, con su producción y su propio uso de energía registrados en instrumentos, no reclamados. Las ideas en papel también son bienvenidas: si la física y los números son sólidos, podemos publicarlas aquí en el sitio web. Pero recaudar capital sin un modelo de trabajo es muy difícil, y nada aquí es una promesa de financiamiento, retornos o introducciones.
Envía tu idea a través del Formulario de contribución con el problema que resuelve, la comprobación física, un costo aproximado por kWh y la prueba más barata que podría probarlo. Si tienes un modelo de trabajo, incluye su salida medida y cómo la mediste. The Fuentes de energía Compara esta y las otras alternativas en el radar de ideas.
Fuentes
- Forman, C., Muritala, I.K., Pardemann, R. y Meyer, B. (2016). Estimación del potencial de calor residual global. Reseñas de Energía Renovable y Sostenible 57, 1568-1579.
- Helen (2018). Nueva bomba de calor para ser construido de nuevo en Helsinki; Wikipedia, Energía en Finlandia.
- Meta (2020). Centro de datos Odense: recuperación de calor.
- Parques de datos de Estocolmo. Sitio web del programa.
- Wahlroos, M., Pärssinen, M., Rinne, S., Syri, S. y Manner, J. (2018). Futuras perspectivas sobre la utilización del calor residual: caso de centros de datos en el norte de Europa. Reseñas de Energía Renovable y Sostenible 82, 1749-1764.
- Van den Broek, M., Dewallef, P., Lemort, V. y Quoilin, S. (2013). Estudio tecnoeconómico de sistemas de Ciclo Orgánico Rankine (COR). Reseñas de Energía Renovable y Sostenible 22, 168-186.
- Lund, H., Werner, S., Wiltshire, R. y otros (2014). Calefacción Urbana de 4ª Generación (4GDH). Energía 68, 1-11.
- Werner, S. (2017). Revisión internacional de la calefacción y refrigeración urbanas. Energy 137, 617-631.
- Alemania (2023). Ley de eficiencia energética (EnEfG), sección 11: centros de datos.
- IEA (2025). Energía e IA.
- Lazard (junio de 2026). Coste de Energía+, versión 19.
- Local Solar System Fundación. El modelo abierto de Fan Wall: el punto de referencia solar en la azotea de $ 0.19 por kWh.