Recupero del calore di scarto

Sotto un parco di Helsinki, in caverne scavate nella roccia, una fila di grandi pompe di calore preleva il calore dalle acque reflue trattate della città e dall’acqua che ritorna dalla rete di teleriscaldamento, e lo immette nel teleriscaldamento che riscalda le case. L’impianto di Katri Vala, gestito dalla società energetica della città Helen, ha prodotto 570.000 MWh di calore nel 2017 da cinque grandi pompe di calore e una sesta, aggiunta nel 2021, avrebbe dovuto aumentare fino a 200.000 MWh all’anno; la sua capacità ha raggiunto circa 123 MW (Wikipedia, Energia in Finlandia, citando Helen, 2018). Il calore era già lì. Un tempo sfociava nel Mar Baltico.

Il calore di scarto è la più grande “fonte di energia” che nessuno conta. Uno studio del 2016 ha stimato che Il 72% dell’energia primaria mondiale viene persa dopo la conversione, soprattutto come calore, e che Il 63% dei flussi di calore residuo è inferiore a 100 °C (Forman et al., 2016). Il secondo numero è quello importante. Il calore che raffredda è quasi inutile per produrre elettricità e molto utile per riscaldare gli edifici. Questa pagina spiega perché e cosa serve per usarlo.

Che cos’è

Il recupero del calore di scarto significa catturare il calore che un processo rilascia comunque e consegnarlo a qualcosa che ha bisogno di calore. Ha tre forme comuni:

• Per uso diretto. L’acqua calda o il gas proveniente da una fabbrica, un inceneritore o una centrale elettrica passa attraverso uno scambiatore di calore in una rete di teleriscaldamento o in un altro processo. È così che sono nate la maggior parte delle reti di riscaldamento in Danimarca e Svezia.
• Pompe di calore su fonti fredde. Le acque reflue, i data center, i supermercati, le gallerie della metropolitana e l’acqua di raffreddamento hanno solo da 10 a 40 °C. Una pompa di calore di grandi dimensioni porta il calore ai 60-90 °C necessari alle reti, utilizzando molta meno elettricità rispetto a una caldaia.
• Produrre elettricità. I gas di scarico caldi provenienti da forni e motori, tipicamente superiori ai 200 °C, possono alimentare una turbina a vapore o un ciclo organico Rankine (ORC), una piccola turbina che utilizza un fluido che bolle a temperature inferiori all’acqua.

Ecco come funziona

Il valore del calore è determinato dalla sua temperatura. Un kWh di calore a 30 °C e un kWh a 600 °C sono la stessa quantità di energia ma non la stessa risorsa. L’efficienza di Carnot, il tetto per qualsiasi motore che converte calore in lavoro, è η = 1 − T_cold / T_hot, con temperature in kelvin. Con l’ambiente a 25 °C (298 K):

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

Le macchine reali raggiungono meno della metà di questi limiti. I cicli organici di Rankine, la scelta usuale per recuperare l’elettricità da calore moderato, in genere convertono approssimativamente dal 5 al 20% del calore, aumentando con la sua temperatura (Quoilin et al., 2013). Al di sotto degli 80 °C, la produzione di elettricità raramente vale i macchinari.

Le pompe di calore funzionano al contrario. Il soffitto di una pompa di calore è COP = T_hot / (T_hot − T_cold): più piccolo è l’ascensore, più calore per unità di elettricità. Sollevare il calore del data center da 30 °C a 80 °C ha un COP Carnot di circa 6,4; le pompe di calore veramente grandi raggiungono circa la metà, intorno ai 3. Quindi 100 kWh di calore residuo a 30 °C più circa 45 kWh di elettricità diventano circa 145 kWh di calore di rete. L’elettricità non viene sprecata: finisce anche come calore.

La distanza è l’altro vincolo. Il calore è costoso da spostare. Tubi, trincee e pompaggio costano molto di più per kWh rispetto ai cavi elettrici, e l’acqua calda perde calore lungo il percorso. Il calore di scarto è prezioso quando un utente del calore si trova vicino alla fonte, o quando una rete di riscaldamento lo attraversa già. Le moderne reti di “quarta generazione” funzionano a temperature più basse (circa 50-70 °C) proprio in modo che possa essere utilizzato più calore di bassa qualità (Lund et al., 2014).

Il terzo è il tempismo. Un data center produce calore tutto l’anno; le case ne hanno bisogno soprattutto in inverno. Le reti bilanciano questo con l’accumulo di calore, altre fonti di calore e, in estate, scaricando il calore che non può essere utilizzato.

I limiti del gioco

• Temperatura. La maggior parte del calore di scarto è troppo freddo per l’elettricità. L’equazione di Carnot non è negoziabile.
• Distanza. Una fonte lontana da qualsiasi utente di calore è praticamente inutile, per quanto grande.
• Disaccordo nel tempo. Il calore industriale e dei data center è costante; la domanda di riscaldamento è stagionale e raggiunge il picco nelle mattine fredde.
• Affidabilità e contratti. Una rete non può dipendere da una fabbrica che potrebbe chiudere o da un data center che potrebbe spostarsi. Contratti, capacità di backup e condivisione del rischio sono importanti quanto l’ingegneria.
• L’efficienza al primo posto. Il miglior calore di scarto è il calore non prodotto. Processi migliori e server efficienti riducono ciò che è disponibile per il recupero, e questa è una buona cosa.

Progetti reali, misurati

Progetto	Dove, quando e come	Fonte di calore e scala	Cosa viene segnalato
Impianto di riscaldamento e raffreddamento Katri Vala	Helsinki, Finlandia, dal 2006	Acque reflue trattate e acqua di ritorno del teleriscaldamento, grandi pompe di calore in caverne rocciose	570.000 MWh di calore nel 2017 da cinque pompe di calore; un sesto dal 2021 aggiunge fino a 200.000 MWh all’anno; circa 123 MW in totale (Helen, 2018; Wikipedia)
Data center Meta Odense con Fjernvarme Fyn	Odense, Danimarca, dal 2020	Il calore dei server viene trasferito nella rete urbana tramite pompe di calore	Obiettivo: 100.000 MWh di calore all’anno, sufficienti per 6.900 abitazioni (Meta, 2020)
Data Parks a Stoccolma	Stoccolma, Svezia, dal 2017	Stockholm Exergi acquista calore dai data center per la rete della città	Un programma per “un settore dei data center in cui non si spreca calore” (Stockholm Data Parks)
Data center del Nord Europa	Finlandia, Svezia, Danimarca e Norvegia	Potenziale modellato	Il calore dei data center potrebbe coprire una quota significativa del teleriscaldamento nelle città nordiche se le reti e i prezzi lo consentono (Wahlroos et al., 2018)

Due segnali politici mostrano dove questo sta andando. La Germania ora richiede che i nuovi data center che iniziano a funzionare da luglio 2026 riutilizzino almeno il 10% della loro energia, salendo al 15% da luglio 2027 e al 20% da luglio 2028, a meno che non sia in vigore un accordo di riscaldamento a rete (Energieeffizienzgesetz, sezione 11). E i data center stanno crescendo rapidamente: l’AIE stima che nel 2024 avranno utilizzato circa 415 TWh di elettricità, circa l’1,5% dell’elettricità mondiale, con una crescita verso i 945 TWh entro il 2030 (IEA, Energy and AI, 2025). Quasi tutta questa elettricità finisce come calore a bassa temperatura.

In Danimarca, Finlandia e Svezia il teleriscaldamento fornisce una grande quota del mercato del calore, motivo per cui sono leader nell’utilizzo del calore di scarto (Werner, 2017). Altrove il pezzo mancante è solitamente la rete, non il calore.

Quanto costa

Il recupero del calore di scarto non genera elettricità, quindi il benchmark a livello di sito (solar rooftop a circa $0.19 per kWh Nel nostro sito Modello Fan Wall, all’interno della gamma di Lazard del giugno 2026 $0.09 to $0,20 per il solare commerciale del tetto) si applica soltanto ai piccoli casi ad alta temperatura che fanno l’elettricità. Per il calore, il concorrente è una caldaia a gas. Usando gli stessi numeri arrotondati come sulla nostra pagina di accumulo termico (gas all’ingrosso a € 35 per MWh, carbone a € 70 per tonnellata, una caldaia al 90%), il calore del gas costa circa 5-6 centesimi di euro per kWh.

Il calore da una fonte a bassa temperatura attraverso una pompa di calore di grandi dimensioni costa l’elettricità divisa per il COP, più le apparecchiature distribuite sul calore che fornisce. I costi pubblicati per le grandi pompe di calore e i collegamenti variano notevolmente a seconda del sito, quindi mostriamo l’intervallo come calcolo (20 anni, tasso di sconto reale del 7%, COP 3, tubi e collegamento non inclusi):

Costo installato della pompa di calore per kW di calore	Elettricità €50 per MWh, 3.000 ore all’anno	Elettricità €50, 6.000 ore	Elettricità €100, 3.000 ore	Elettricità €100, 6.000 ore
€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

Centimi di euro per kWh di calore. Il nostro calcolo: costo dell’attrezzatura × 0,0944 ÷ ore + prezzo dell’elettricità ÷ 3.

Il calore recuperato è solitamente competitivo con il gas Quando la pompa di calore funziona molte ore all’anno e la fonte è vicino a una rete. I suoi punti deboli sono le tubazioni (un nuovo allacciamento di qualche chilometro può costare più della pompa di calore) e il rischio che la fonte scompaia. L’uso diretto del calore industriale caldo, senza pompa di calore a tutti, è tipicamente il calore più economico che una rete può comprare.

La produzione di elettricità dal calore residuo è diversa: un’unità ORC compete solo dove il calore è caldo, costante e gratuito, e anche allora la sua uscita è piccola rispetto al calore che entra.

Dove può vincere e dove non può

Si può vincere:

• Città con reti di calore Vicino a centri dati, impianti fognari, sistemi metropolitani, supermercati e fabbriche.
• Parchi industriali, dove il calore di scarto di un impianto è il calore di processo di un altro impianto.
• Nuovi data center Progettato fin dall’inizio per fornire acqua calda, soprattutto con raffreddamento a liquido da 40 a 60 °C.
• Industria ad alta temperatura (cemento, vetro, acciaio, prodotti chimici), dove lo scarico superiore a 250 °C può azionare un ORC o una turbina a vapore per l’elettricità, o preriscaldare i materiali.
• Calore delle acque reflue, che è costante, vicino alle città e disponibile in inverno.

Non può vincere:

• Fonti remote senza alcun utente di calore nelle vicinanze: un data center nel deserto o un impianto isolato.
• Trasformare il calore a bassa temperatura in elettricità. A 30-60 °C il soffitto di Carnot è di pochi percento; nessun gadget cambia questo.
• Luoghi senza reti di riscaldamento, fino a quando qualcuno ne costruisce una. La rete, non il calore, è di solito il vero investimento.
• Come motivo per mantenere i processi di spreco. L’efficienza viene prima di tutto.

Ciò che è provato, plausibile e speculativo

Provato: i limiti di Carnot sulla conversione del calore in energia e sulle pompe di calore; recupero su larga scala del calore dalle acque reflue e dai centri dati nel teleriscaldamento a Helsinki, Odense e Stoccolma; reti di alimentazione di calore industriale in Danimarca e Svezia; unità ORC che recuperano l’elettricità dagli scarichi industriali caldi.

Plausible: la maggior parte dei nuovi grandi data center in Europa fornisce calore utilizzabile, aiutato da regole come quelle tedesche; reti a bassa temperatura che assorbono più calore di basso grado; server raffreddati a liquido che forniscono acqua dai 50 ai 60 °C che necessita di poca o nessuna pompa di calore.

Speculativo: elettricità economicamente significativa dal calore sotto gli 80 °C; recupero di calore in città senza un piano di rete; pannelli termoelettrici su superfici ordinarie di calore residuo che si auto-pagano.

Domande di ricerca aperte

• Mapping. Dove, a quale temperatura e in che quantità è disponibile il calore di scarto rispetto al punto in cui è necessario? Le mappe aperte e locali sono rare.
• Contratti e rischi. Chi paga per il collegamento e chi si fa carico del rischio se la fonte viene chiusa?
• Reti a bassa temperatura. Come convertire le reti e gli edifici ad alta temperatura esistenti per un funzionamento più fresco.
• Pompe di calore ad alta temperatura Fornitura di vapore da 120 a 200 °C per l’industria, da calore residuo da 60 a 100 °C.
• Stoccaggio stagionale che trattiene il calore estivo del data center per l’inverno.
• Performance misurate. Pubblicati dati annuali su calore erogato, elettricità consumata e costi per progetti reali.

Di cosa avrebbe bisogno un prototipo funzionante

Le pompe di calore e gli scambiatori di calore sono maturi. Le innovazioni utili sono nel collegare le fonti agli utenti a basso costo, nelle pompe di calore ad alta temperatura e nel controllo. Un modello funzionante dovrebbe fornire calore misurato ad un utente reale.

Fase	Lavoro	La decisione che permette	Costo approssimativo	Tempo
1. Heat audit	Misurare il flusso e la temperatura di un reale flusso di rifiuti per diverse settimane con logger; mappare gli utenti di calore entro 1-2 km	C’è abbastanza calore, a una temperatura utile, abbastanza vicino all’utente?	$5k to $20k	Da 1 a 3 mesi
2. dimostratore del banco	Uno scambiatore di calore da 10 a 50 kW e una pompa di calore sulla fonte reale, con contatori di calore ed elettricità	COP, inquinamento e affidabilità misurati sul flusso reale	$30k to $150k	Da 6 a 12 mesi
3. collegamento pilota	Un collegamento a un edificio o una piccola rete, un anno di dati, un contratto di fornitura di calore	Costo reale per kWh di calore e modello contrattuale	$0.3M to $2M	Da 12 a 24 mesi

Di chi abbiamo bisogno

• Ingegneri del teleriscaldamento e gestori di rete.
• Specialisti in pompe di calore, particolarmente per le grandi e ad alta temperatura macchine.
• Data-center e gestori energetici industriali disposti a condividere dati di temperatura e flusso.
• Pianificatori urbani e analisti GIS per mappare fonti e utenti.
• Avvocati ed economisti per progettare contratti di riscaldamento che condividono equamente il rischio.
• Ingegneri di processo per incrosto, corrosione e pulizia degli scambiatori di calore su flussi sporchi come acque reflue e gas combusti.

Hai un’idea migliore?

Alcuni membri della Fondazione potrebbero avere contatti che potrebbero ascoltare un pitch per una forte idea energetica. Per essere presentata, un’idea ha bisogno di Un modello reale che produce energia; per un’idea di recupero del calore, questo significa un modello che fornisce calore o elettricità misurati, con la sua produzione e il suo consumo energetico registrato su strumenti, non rivendicato. Anche le idee cartacee sono benvenute: se la fisica e i numeri sono solidi, possiamo pubblicarle qui sul sito. Ma raccogliere capitali senza un modello di lavoro è molto difficile, e nulla qui è una promessa di finanziamento, rendimenti o introduzioni.

Invia la tua idea attraverso il Modulo di contributo con il problema che risolve, la verifica fisica, un costo approssimativo per kWh e il test più economico che potrebbe dimostrare che si sbaglia. Se hai un modello funzionante, includi il suo output misurato e come lo hai misurato. La pagina sources energy confronta questa e le altre alternative sul radar delle idee.

Fonti

1. Forman, C., Muritala, I.K., Pardemann, R. e Meyer, B. (2016). Stima del potenziale globale di calore residuo. Revisioni di energia rinnovabile e sostenibile 57, 1568-1579.
2. Helen (2018). Nuova pompa di calore da costruire nuovamente a Helsinki; Wikipedia, Energia in Finlandia.
3. Meta (2020). Centro dati di Odense: recupero del calore.
4. Parco nazionale di Stoccolma. Sito web del programma.
5. Manner, J., Syri, S., Rinne, S., Wahlroos, M. e Pärssinen, M. (2018). Prospettive future sull’utilizzo del calore di scarto: il caso dei data center in Nord Europa. Rivista di Energia Rinnovabile e Sostenibile 82, 1749-1764.
6. Van Den Broek, M., Dewallef, P., Lemort, V., Quoilin, S. e Declaye, S. (2013). Indagine tecno-economica dei sistemi a Ciclo Organico Rankine (ORC). Rivista di Energia Rinnovabile e Sostenibile 22, 168-186.
7. Bergamo, G., Della Valle, S., Della Valle, R. et al. (2014). Teleriscaldamento di 4a generazione (4GDH). Energia 68, 1-11.
8. Werner, S. (2017). Revisione internazionale del teleriscaldamento e del raffreddamento. Energy 137, 617-631.
9. Germania (2023). Energieeffizienzgesetz (EnEfG), sezione 11: centri dati.
10. IEA (2025). Energia e IA.
11. Lazard (giugno 2026). Costo dell’Energia Livellato+, versione 19.
12. Local Solar System Fondazione. Il modello aperto Fan Wall: il benchmark solare sul tetto di $ 0,19 per kWh.
13. Wikipedia. Amager Bakke: da 157 a 247 MW di teleriscaldamento e fino a 63 MW di elettricità prodotta dai rifiuti urbani, con una pista da sci sul tetto.