Récupération de la chaleur résiduelle

Sous un parc d’Helsinki, dans des cavernes creusées dans la roche, une rangée de grandes pompes à chaleur prélèvent la chaleur des eaux usées traitées de la ville et de l’eau revenant du réseau de refroidissement urbain, et la mettent dans le chauffage urbain qui réchauffe les maisons. The Katri Vala plant, run by the city’s energy company Helen, produced 570,000 MWh of heat in 2017 from five large heat pumps, and a sixth, added in 2021, was expected to raise that by up to 200,000 MWh a year; its capacity reached about 123 MW (Wikipedia, Energy in Finland, citing Helen, 2018). La chaleur était déjà là. Elle se jetait autrefois dans la mer Baltique.

La chaleur résiduelle est la plus grande “source d’énergie” que personne ne compte. Une étude de 2016 a estimé que 72 % de l’énergie primaire mondiale est perdue après conversion, principalement sous forme de chaleur, et que 63 % des flux de chaleur résiduelle sont inférieurs à 100 °C (Forman et al., 2016). Le deuxième chiffre est le plus important. La chaleur qui refroidit est presque inutile pour produire de l’électricité et très utile pour chauffer les bâtiments. Cette page explique pourquoi, et ce qu’il faut pour l’utiliser.

72%de l ' énergie primaire perdue après conversion, principalement sous forme de chaleur (Forman et al., 2016)

63%La chaleur résiduelle est inférieure à 100 °C: bonne pour le chauffage, mauvaise pour l'électricité

100,000 MWhof heat a year: the recovery goal of Meta's data centre in Odense, Denmark, enough for 6,900 homes (Objectif 2020)

1,6 kWh100 kWh d’électricité, au maximum, à partir de la chaleur du centre de données à 30 °C, par la limite de Carnot; en tant que chaleur par une pompe à chaleur, elle devient environ 145 kWh

Ce qu’il est

La récupération de la chaleur résiduelle consiste à capter la chaleur qu’un processus libère de toute façon et à la fournir à quelque chose qui a besoin de chaleur. Il a trois formes communes:

Utilisation directe. L’eau chaude ou le gaz provenant d’une usine, d’un incinérateur ou d’une centrale électrique passe par un échangeur de chaleur dans un réseau de chauffage urbain ou un autre procédé. C’est ainsi que la plupart des réseaux de chaleur du Danemark et de la Suède ont commencé.
Pompes à chaleur sur sources froides. Les eaux usées, les centres de données, les supermarchés, les tunnels du métro et l’eau de refroidissement ne sont que de 10 à 40 °C. Une pompe à chaleur de grande taille élève cette chaleur aux 60 à 90 °C dont les réseaux ont besoin, en utilisant beaucoup moins d’électricité qu’une chaudière.
Produire de l’électricité. Les gaz d’échappement chauds des fours et des moteurs, généralement au-dessus de 200 °C, peuvent entraîner une turbine à vapeur ou un cycle Rankine organique (ORC), une petite turbine qui utilise un fluide dont la température d’ébullition est inférieure à celle de l’eau.

Comment ça marche

La valeur de la chaleur est déterminée par sa température. Un kWh de chaleur à 30 °C et un kWh à 600 °C sont la même quantité d’énergie mais pas la même ressource. L’efficacité de Carnot, le plafond pour tout moteur qui convertit la chaleur en travail, est η = 1 − T_cold / T_hot, avec des températures en kelvin. Avec l ’ environnement à 25 °C (298 K):

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

Les machines réelles atteignent moins de la moitié de ces plafonds. Les cycles Rankine organiques, le choix habituel pour récupérer de l’électricité à partir d’une chaleur modérée, convertissent généralement environ 5 à 20 % de la chaleur, augmentant avec sa température (Quoilin et al., 2013). En dessous de 80 °C, la production d’électricité vaut rarement le coup.

Les pompes à chaleur fonctionnent dans l’autre sens. Le plafond d’une pompe à chaleur est COP = T_hot / (T_hot − T_cold): plus le soulèvement est petit, plus il y a de chaleur par unité d’électricité. Le fait de porter la température du centre de données de 30 °C à 80 °C a un coefficient de performance Carnot d’environ 6,4; les vraies pompes à chaleur atteignent environ la moitié, autour de 3. Ainsi, 100 kWh de chaleur résiduelle à 30 °C plus environ 45 kWh d’électricité deviennent environ 145 kWh de chaleur du réseau. L’électricité n’est pas gaspillée: elle finit également sous forme de chaleur.

La distance est l’autre contrainte. La chaleur coûte cher à déplacer. Les tuyaux, les tranchées et le pompage coûtent beaucoup plus cher par kWh que les câbles électriques, et l’eau chaude perd de la chaleur en cours de route. La chaleur résiduelle est précieuse lorsqu’un utilisateur de chaleur se trouve près de la source ou qu’un réseau de chauffage passe déjà à proximité. Les réseaux modernes de « quatrième génération » fonctionnent à des températures plus basses (environ 50 à 70 °C) précisément pour que davantage de chaleur de faible qualité puisse être utilisée (Lund et al., 2014).

Le timing est le troisième. Un centre de données produit de la chaleur toute l’année, mais les foyers en ont besoin surtout en hiver. Les réseaux équilibrent cette différence par le stockage de chaleur, d’autres sources de chaleur et, en été, en déversant la chaleur qui ne peut pas être utilisée.

Les limites

Température. La plupart de la chaleur résiduelle est trop froide pour l’électricité. L’équation de Carnot n’est pas négociable.
Distance. Une source éloignée de tout utilisateur de chaleur est pratiquement inutile, aussi grande soit-elle.
Décalage dans le temps. La chaleur industrielle et celle des centres de données sont stables; la demande de chauffage est saisonnière et atteint son pic les matins froids.
Fiabilité et contrats. Un réseau ne peut pas dépendre d’une usine qui pourrait fermer ou d’un centre de données qui pourrait déménager. Les contrats, la capacité de secours et le partage des risques sont aussi importants que l’ingénierie.
L’efficacité d’abord. La meilleure chaleur résiduelle est la chaleur non produite. De meilleurs processus et des serveurs efficaces réduisent ce qui est disponible pour être récupéré, et c’est une bonne chose.

Projets réels, mesurés

Projet	Où, quand	Source de chaleur et échelle	Ce qui est rapporté
Centrale de chauffage et de refroidissement Katri Vala	Helsinki, Finlande, depuis 2006, élargi depuis	Eaux usées traitées et eau de retour du refroidissement urbain, grandes pompes à chaleur dans les cavernes rocheuses	570.000 MWh de chaleur en 2017 à partir de cinq pompes à chaleur; une sixième à partir de 2021 ajoute jusqu’à 200.000 MWh par an; environ 123 MW au total (Helen, 2018; Wikipedia)
Datacenter Meta Odense avec Fjernvarme Fyn	Odense, Danemark, depuis 2020	La chaleur des serveurs est élevée par des pompes à chaleur dans le réseau de la ville	Objectif : 100.000 MWh de chaleur par an, soit suffisamment pour 6.900 foyers (Objectif 2020)
Parcs de données à Stockholm	Stockholm, Suède, depuis 2017	Stockholm Exergi achète de la chaleur des centres de données pour le réseau de la ville	Un programme pour “une industrie des centres de données sans perte de chaleur” (Parcs de données à Stockholm)
Centres de données d’Europe du Nord	Finlande, Suède, Danemark, Norvège	Potentiel modélisé	La chaleur des centres de données pourrait couvrir une part notable du chauffage urbain dans les villes nordiques si les réseaux et les prix le permettent (Wahlroos et al., 2018)

Deux signaux politiques montrent où cela va. L’Allemagne exige désormais que les nouveaux centres de données qui commencent à fonctionner à partir de juillet 2026 réutilisent au moins 10% de leur énergie, passant à 15% à partir de juillet 2027 et à 20% à partir de juillet 2028, sauf si un accord de chauffage urbain est en place (Energieeffizienzgesetz, section 11). Et les centres de données se développent rapidement : l’AIE estime qu’ils consommeront environ 415 TWh d’électricité en 2024, soit environ 1,5 % de l’électricité mondiale, et qu’ils atteindront environ 945 TWh d’ici 2030 (IEA, Energy and AI, 2025). Presque toute cette électricité se retrouve sous forme de chaleur à basse température.

Au Danemark, en Finlande et en Suède, le chauffage urbain fournit une grande partie du marché de la chaleur, ce qui explique pourquoi ils sont les premiers à utiliser la chaleur résiduelle (Werner, 2017). Ailleurs, la pièce manquante est généralement le réseau, pas la chaleur.

Ce que ça coûte

La récupération de la chaleur résiduelle ne génère pas d’électricité, donc le point de référence à l’échelle du site (environ $0.19 par kWh dans notre modèle Fan Wall, dans la fourchette de Lazard de juin 2026 de $0.09 to $0.20 pour les panneaux solaires sur toiture commerciale) s’applique uniquement aux petits cas à haute température qui produisent de l’électricité. Pour la chaleur, le concurrent est une chaudière à gaz. En utilisant les mêmes chiffres ronds que sur notre page de stockage thermique (gaz en gros à 35 € par MWh, charbon à 70 € par tonne, une chaudière à 90%), la chaleur au gaz coûte environ 5 à 6 cents d’euro par kWh.

La chaleur d’une source à basse température par le biais d’une grande pompe à chaleur coûte l’électricité divisée par le COP, plus l’équipement réparti sur la chaleur qu’il fournit. Les coûts publiés pour les grandes pompes à chaleur et les raccordements varient considérablement selon le site, nous montrons donc la gamme sous forme de calcul (20 ans, taux d’actualisation réel de 7%, COP 3, tuyauterie et raccordement non inclus):

Coût de la pompe à chaleur installée par kW de chaleur	Electricity €50 per MWh, 3,000 hours a year	Électricité 50 €, 6.000 heures	Électricité 100 €, 3.000 heures	Electricity €100, 6,000 hours
€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 par kWh de chaleur. Notre calcul: coût de l’équipement × 0,0944 ÷ heures + prix de l’électricité ÷ 3.

La chaleur récupérée est généralement compétitive avec le gaz Lorsque la pompe à chaleur fonctionne plusieurs heures par an et que la source est à côté d’un réseau. Ses points faibles sont les canalisations (un nouveau raccordement de quelques kilomètres peut coûter plus cher que la pompe à chaleur) et le risque de disparition de la source. L’utilisation directe de la chaleur industrielle chaude, sans pompe à chaleur du tout, est généralement la chaleur la moins chère qu’un réseau puisse acheter.

La production d’électricité à partir de la chaleur résiduelle est différente : une unité ORC ne peut concurrencer que lorsque la chaleur est chaude, constante et gratuite, et même alors sa puissance est faible par rapport à la chaleur entrante.

Où il peut gagner, et où il ne peut pas

Il peut gagner:

Villes avec réseaux de chaleur A côté des centres de données, des stations d’épuration, des réseaux de métro, des supermarchés et des usines.
Parcs industriels, où la chaleur résiduelle d’une usine est la chaleur de procédé d’une autre usine.
Nouveaux centres de données Conçu dès le départ pour fournir de l’eau chaude, en particulier avec un refroidissement liquide à 40 à 60 °C.
Industrie à haute température (ciment, verre, acier, produits chimiques), où les gaz d’échappement à plus de 250 °C peuvent entraîner une turbine à vapeur ou ORC pour l’électricité, ou préchauffer des matériaux.
La chaleur des eaux usées, qui est constante, proche des villes et disponible en hiver.

Il ne peut pas gagner:

Sources distantes sans utilisateur de chaleur à proximité : un datacenter désertique ou une centrale isolée.
Transformer la chaleur basse température en électricité. À 30 à 60 °C, le plafond de Carnot est de quelques pour cent; aucun gadget ne change cela.
Des lieux sans réseaux de chaleur, jusqu’à ce que quelqu’un en construise un. Le réseau, et non la chaleur, est généralement le véritable investissement.
Comme une raison de garder les processus de gaspillage. L’efficacité vient en premier.

Ce qui est prouvé, plausible et spéculatif

Éprouvé: les limites de Carnot sur la chaleur-électricité et sur les pompes à chaleur; récupération de chaleur à grande échelle des eaux usées et des centres de données dans le chauffage urbain à Helsinki, Odense et Stockholm; réseaux d’alimentation en chaleur industrielle au Danemark et en Suède; unités ORC récupérant l’électricité à partir des gaz d’échappement industriels chauds.

Plausible: la plupart des nouveaux grands centres de données en Europe fournissent une chaleur utilisable, aidée par des règles comme celles de l’Allemagne; les réseaux à basse température qui prennent plus de chaleur de faible qualité; les serveurs refroidis par liquide fournissant de l’eau à 50 à 60 °C qui nécessite peu ou pas de pompe à chaleur.

Spéculatif: électricité économiquement significative à partir de chaleur inférieure à 80 °C; récupération de chaleur dans les villes sans plan de réseau; panneaux thermoélectriques sur des surfaces ordinaires de chaleur résiduelle qui se paient.

Questions de recherche ouvertes

Cartographie. Où, à quelle température et en quelle quantité la chaleur résiduelle est-elle disponible par rapport aux endroits où elle est nécessaire ? Les cartes locales ouvertes sont rares.
Contrats et risque. Qui paie la connexion, et qui supporte le risque si la source ferme ?
Réseaux à basse température. Comment convertir les réseaux et bâtiments existants à haute température pour qu’ils fonctionnent plus froids.
Pompes à chaleur haute température délivrant de la vapeur à 120 à 200 °C pour l’industrie, à partir de chaleur résiduelle à 60 à 100 °C.
Storage saisonnier qui conserve la chaleur estivale du datacenter pour l’hiver.
Performance mesurée. Publication annuelle des données sur la chaleur livrée, l’électricité utilisée et les coûts pour de vrais projets.

Ce dont un prototype fonctionnel aurait besoin

Les pompes à chaleur et les échangeurs de chaleur sont matures. Les innovations utiles sont dans le raccordement des sources aux utilisateurs à bas prix, dans les pompes à chaleur haute température et dans le contrôle. Un modèle de travail devrait fournir la chaleur mesurée à un utilisateur réel.

Phase	Travail	Décision qu’il permet	Coût brut	Temps
1. Audit thermique	Mesurer le débit et la température d’un flux de déchets réel pendant plusieurs semaines avec des enregistreurs; cartographier les utilisateurs de chaleur dans un rayon de 1 à 2 km	Y a-t-il suffisamment de chaleur, à une température utile, assez près d’un utilisateur ?	$5k to $20k	1 à 3 mois
2. Démonstrateur de banc	Un échangeur de chaleur et une pompe à chaleur de 10 à 50 kW sur la source réelle, avec compteurs de chaleur et d’électricité	COP, encrassement et fiabilité mesurés sur le flux réel	$30k to $150k	6 à 12 mois
3. Connexion pilote	Un raccordement à un bâtiment ou un petit réseau, une année de données, un contrat d’approvisionnement en chaleur	Coût réel par kWh de chaleur et modèle contractuel	$0.3M to $2M	12 à 24 mois

De qui nous avons besoin

Ingénieurs de chauffage urbain et opérateurs de réseau.
Spécialistes des pompes à chaleur, en particulier pour les grandes machines et les hautes températures.
Gestionnaires de centres de données et d’énergie industrielle désireux de partager des données de température et de débit.
Les urbanistes et les analystes SIG pour cartographier les sources et les utilisateurs.
Avocats et économistes Concevoir des contrats de chauffage qui partagent les risques équitablement.
Ingénieurs de procédé pour le salissement, la corrosion et le nettoyage des échangeurs de chaleur sur les flux sales tels que les eaux usées et les gaz de combustion.

Vous avez une meilleure idée ?

Certains membres de la Fondation peuvent avoir des contacts qui pourraient entendre un pitch pour une idée énergétique forte. Pour être pitchée, une idée a besoin d’un Un modèle de travail, réel qui produit réellement de l’énergie; pour une idée de récupération de chaleur, cela signifie un modèle qui fournit de la chaleur ou de l’électricité mesurée, avec sa production et sa propre consommation d’énergie enregistrées sur des instruments, non revendiqués. Les idées papier sont les bienvenues aussi : si la physique et les chiffres sont solides, nous pouvons les publier ici sur le site. Mais lever des capitaux sans un modèle fonctionnel est très difficile, et rien ici n’est une promesse de financement, de rendements ou d’introductions.

Envoyez votre idée par le biais de Formulaire de contribution avec le problème qu’il résout, la vérification physique, un coût approximatif par kWh et le test le moins cher qui pourrait prouver qu’il a tort. Si vous avez un modèle de travail, incluez ses résultats mesurés et la façon dont vous les avez mesurés. La page sources d’énergie compare cette solution et les autres alternatives sur le radar des idées.

Sources

Forman, C., Muritala, I.K., Pardemann, R. et Meyer, B. (2016). Estimation du potentiel de chaleur résiduelle global. Revue des énergies renouvelables et durables 57, 1568-1579.
Helen (2018). Nouvelle pompe à chaleur à construire à nouveau à Helsinki; Wikipedia, Énergie en Finlande.
Objectif (2020). Centre de données d’Odense: récupération de chaleur.
Stockholm Data Parks. Site web du programme.
Wahlroos, M., Pärssinen, M., Rinne, S., Syri, S. et Manner, J. (2018). Perspectives futures sur l’utilisation de la chaleur résiduelle : cas des centres de données en Europe du Nord. Revue des énergies renouvelables et durables 82, 1749-1764.
Van Den Broek, M., Dewallef, P., Lemort, V., Quoilin, S. et Declaye, S. (2013). Étude technico-économique des systèmes de cycle organique de Rankine (COR). Revue des énergies renouvelables et durables 22, 168-186.
Lund, H., Werner, S., Wiltshire, R. et al. (2014). Chauffage urbain de 4ème génération (4GDH). Energy 68, 1-11.
Werner, S. (2017). Revue internationale du chauffage et du refroidissement urbains. Energy 137, 617-631.
Allemagne (2023). Energieeffizienzgesetz (EnEfG), section 11: centres de données.
AIE (2025). Énergie et IA.
Lazard (juin 2026). Coût d’énergie nivelé+, version 19.
Local Solar System Fondation. Le modèle ouvert Fan Wall: la référence solaire sur toit de 0,19 $ par kWh.