Atliekinės šilumos atgavimas

Po Helsinkio parku, uolienų dugne iškirstose urvuose, didelių šilumos siurblių eilė paima šilumą iš miesto apdorotų nuotekų ir vandens, grįžtančio iš centralizuoto vėsinimo tinklo, ir perduoda ją į centralizuoto šildymo sistemą, kuri šildo namus. 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). Karštis jau buvo ten. Įteka į Baltijos jūrą.

Atliekinė šiluma yra didžiausias „energijos šaltinis“, kurio niekas neskaičiuoja. 2016 m. tyrimas apskaičiavo, kad 72% pasaulio pirminės energijos prarandama po konversijos, daugiausia kaip šilumos, ir kad 63 % atliekinės šilumos srautų yra žemesnės nei 100 °C temperatūros (Forman et al., 2016 m.). Antrasis skaičius yra svarbiausias. Šiluma, kuri vėsina, yra beveik nenaudinga elektros energijai gaminti ir labai naudinga pastatams šildyti. Šiame puslapyje paaiškinama, kodėl ir ko reikia norint jį naudoti.

Kas tai yra

Atliekinės šilumos atgavimas reiškia, kad surenkama šiluma, kuri bet kokiu atveju išskiriama vykstant procesui, ir ji perduodama kažkam, kam reikia šilumos. Jis turi tris įprastas formas:

• Tiesioginė paskirtis. Karštas vanduo arba dujos iš gamyklos, atliekų deginimo įrenginio ar elektrinės per šilumokaitį patenka į centralizuoto šildymo tinklą arba kitą procesą. Taip prasidėjo dauguma Danijos ir Švedijos šilumos tinklų.
• Šilumos siurbliai ant šaltų šaltinių. Nuotekų, duomenų centrų, prekybos centrų, metro tunelių ir aušinimo vandens temperatūra yra tik nuo 10 iki 40 °C. Didelis šilumos siurblys pakelia šią šilumą iki 60–90 °C, kurios reikia tinklams, sunaudodamas daug mažiau elektros energijos nei katilas.
• Elektros gamyba. Karštos išmetamosios dujos iš krosnių, krosnių ir variklių, paprastai virš 200 °C, gali paversti garų turbiną arba organinį Rankino ciklą (ORC), mažą turbiną, kuri naudoja skystį, virinantį žemesnėje temperatūroje nei vanduo.


Kaip tai veikia

Šilumos vertė nustatoma pagal jos temperatūrą. Vienas kWh šilumos esant 30 °C ir vienas kWh esant 600 °C yra tas pats energijos kiekis, bet ne tas pats šaltinis. Karno efektyvumas, bet kurio variklio, kuris šilumą paverčia darbu, viršutinė riba yra η = 1 − T_cold / T_hot, su temperatūra kelvinais. Esant 25 °C (298 K) aplinkos temperatūrai:

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

Tikrosios mašinos pasiekia mažiau nei pusę šių ribų. Organiniai Rankino ciklai, įprastas pasirinkimas elektros energijai iš vidutinės šilumos atgauti, paprastai paverčia maždaug 5–20% šilumos, didėjant jos temperatūrai (Quoilin et al., 2013 m.). Žemiau maždaug 80 °C elektros energijos gamyba retai kada verta mašinos.

Šilumos siurbliai veikia atvirkščiai. Šilumos siurblio lubos yra COP = T_hot / (T_hot − T_cold): kuo mažesnis liftas, tuo daugiau šilumos vienam elektros energijos vienetui. Duomenų centro šilumos pakėlimo nuo 30 °C iki 80 °C Carnot COP yra apie 6,4; tikri dideli šilumos siurbliai pasiekia maždaug pusę, apie 3. Taigi 100 kWh 30 °C atliekinės šilumos plius apie 45 kWh elektros energijos tampa maždaug 145 kWh tinklo šilumos. Elektros energija nėra švaistoma: ji taip pat baigiasi kaip šiluma.

Atstumas yra kitas apribojimas. Šilumos perkėlimas yra brangus. Vamzdžiai, tranšėjos ir siurbliai kainuoja daug daugiau už kWh nei elektros kabeliai, o karštas vanduo praranda šilumą kelyje. Atliekinė šiluma yra vertinga, kai šilumos vartotojas sėdi netoli šaltinio arba kai šilumos tinklas jau eina pro jį. Šiuolaikiniai „ketvirtosios kartos“ tinklai veikia esant žemesnei temperatūrai (apie 50–70 °C), būtent todėl galima naudoti daugiau žemos kokybės šilumos (Lund et al., 2014).

Laiko pasirinkimas yra trečias. Duomenų centras šildo visus metus, o namuose didžiausias poreikis kyla žiemą. Šilumos tinklai tai kompensuoja šilumos kaupimo priemonėmis, kitais šilumos šaltiniais ir vasarą išmetant nepanaudotą šilumą.

Ribos

• Temperatūra. Dauguma atliekų šilumos yra per šalta elektros energijai. Karno lygtis nėra derybinė.
• Atstumas. Šaltinis toli nuo bet kurio šilumos vartotojo yra praktiškai bevertis, tačiau didelis.
• Laiko neatitiktis. Pramoninė ir duomenų centrų šiluma yra pastovi; šildymo poreikis yra sezoninis ir didžiausias šaltais rytais.
• Patikimumas ir sutartys. Tinklas negali priklausyti nuo gamyklos, kuri gali užsidaryti, arba duomenų centro, kuris gali persikelti. Sutartys, atsarginiai pajėgumai ir rizikos pasidalijimas yra tokie pat svarbūs kaip inžinerija.
• Efektyvumas pirmame plane. Geriausia atliekinė šiluma yra negeneruojama šiluma. Geresni procesai ir efektyvūs serveriai sumažina tai, ką galima atkurti, ir tai yra geras dalykas.

Realūs projektai, išmatuoti

Projektas	Kur, kada ir kodėl	Šilumos šaltinis ir skalė	Apie ką pranešama
Katri Vala šildymo ir vėsinimo įrenginiai	Helsinkis, Suomija, nuo 2006 m.	Išvalytos nuotekos ir centralizuoto vėsinimo grįžtamasis vanduo, dideli šilumos siurbliai uolienų urvuose	570,000 MWh šilumos 2017 m. iš penkių šilumos siurblių; šeštasis nuo 2021 m. prideda iki 200,000 MWh per metus; apie 123 MW iš viso (Helen, 2018; Wikipedia)
„Meta Odense“ duomenų centras su „Fjernvarme Fyn“	Odensė, Danija (nuo 2020 m.)	Serverio šiluma, kurią į miesto tinklą pakelia šilumos siurbliai	Goal: 100,000 MWh of heat a year, enough for 6,900 homes (Meta, 2020)
Stokholmo duomenų parkai	Stokholmas, Švedija (nuo 2017 m.)	Stokholmo „Exergi“ perka šilumą iš duomenų centrų miesto tinklui	Programa „Duomenų centrų pramonei, kurioje nėra švaistoma šiluma“ (Stokholmo duomenų parkai)
Šiaurės Europos duomenų centrai	Suomija, Švedija, Danija, Norvegija	Modeliuotas potencialas	Duomenų centrų šiluma galėtų padengti didelę centralizuoto šildymo dalį Šiaurės šalių miestuose, jei tai leistų tinklai ir kainos (Wahlroos et al., 2018)

Du politiniai signalai rodo, kuria kryptimi tai vyksta. Vokietijoje dabar reikalaujama, kad nauji duomenų centrai, kurie pradės veikti nuo 2026 m. liepos mėn., pakartotinai panaudotų bent 10% savo energijos, o nuo 2027 m. liepos mėn. padidėtų iki 15%, o nuo 2028 m. liepos mėn. – iki 20%, nebent būtų sudarytas susitarimas dėl šildymo tinklo (Energieeffizienzgesetz, 11 skyrius). Duomenų centrai sparčiai auga: Tarptautinė energetikos agentūra (TEA) apskaičiavo, kad 2024 m. jie sunaudojo apie 415 TWh elektros energijos, maždaug 1,5 proc. pasaulio elektros energijos, o iki 2030 m. jų skaičius sieks apie 945 TWh (TEA, Energy and AI, 2025). Beveik visa ši elektros energija virsta žemos temperatūros šiluma.

Danijoje, Suomijoje ir Švedijoje centralizuotas šildymas sudaro didelę šilumos rinkos dalį, todėl šios šalys pirmauja atliekinės šilumos naudojimo srityje (Werner, 2017). Kitur trūkstamas gabalas paprastai yra tinklas, o ne šiluma.

Kiek tai kainuoja

Atliekų šilumos atkūrimas nesukuria elektros energijos, todėl visoje vietovėje nustatytas lyginamasis standartas (saulės energija ant stogo maždaug 0,19 USD už kWh mūsų svetainėje Ventiliatoriaus sienos modelis, Lazardo birželio 2026 intervale $0.09 to $0,20 komerciniams stogo saulės) taikomas tik mažiems aukštos temperatūros atvejams, kai gaminama elektros energija. Šilumos atveju konkurentas yra dujų katilas. Naudojant tuos pačius apvaliuosius skaičius, kaip ir mūsų šilumos kaupimo puslapyje (didmeninės dujos 35 € už MWh, anglis 70 € už toną, 90% katilas), dujinė šiluma kainuoja apie 5-6 euro centus už kWh.

Šilumos iš žemos temperatūros šaltinio per didelį šilumos siurblį kaina yra elektros energija, padalinta iš COP, plius įranga, paskirstyta per jo tiekiamą šilumą. Paskelbtos didelių šilumos siurblių ir jungčių kainos labai skiriasi priklausomai nuo vietos, todėl pateikiame skaičiavimus (20 metų, 7 % realioji diskonto norma, COP 3, vamzdžiai ir jungtys neįtraukti):

Šilumos siurblio įrengimo kaina vienam šilumos kW	50 eurų už MWh, 3000 valandų per metus	Elektra 50 €, 6000 val.	Elektra 100 €, 3000 val.	Elektra 100 €, 6000 val.
€500	3.2c	2.4c	4.9 c	4.1c
€1,000	4.8 c	3.2c	6.5 c	4.9 c
€1,500	6.4 c	4.0 c	8.1 c	5.7c

Euro centais už kWh šilumos. Mūsų skaičiavimas: įrangos kaina × 0,0944 ÷ valandų + elektros kaina ÷ 3.

Rekuperacinė šiluma paprastai konkuruoja su dujomis kai šilumos siurblys veikia daug valandų per metus, o šaltinis yra šalia tinklo. Silpnosios jo pusės yra vamzdynai (naujas kelių kilometrų ilgio vamzdynas gali kainuoti daugiau nei šilumos siurblys) ir pavojus, kad šaltinis išnyks. Tiesioginė karštos pramoninės šilumos panaudojimas, be jokio šilumos siurblio, paprastai yra pigiausia šiluma, kurią tinklas gali įsigyti.

Elektros energijos gamyba iš atliekinės šilumos yra kitokia: ORC įrenginys konkuruoja tik ten, kur šiluma yra karšta, stabili ir nemokama, ir net tada jo galia yra maža, palyginti su gaunama šiluma.

Kur ji gali laimėti, o kur negali

Ji gali laimėti:

• Miestai su šilumos tinklais šalia duomenų centrų, nuotekų valymo įrenginių, metro sistemų, prekybos centrų ir gamyklų.
• Pramoniniai parkai, kuriuose vienos gamyklos atliekinė šiluma yra kitos gamyklos proceso šiluma.
• Nauji duomenų centrai nuo pat pradžių sukurtas tiekti karštą vandenį, ypač su skysčio aušinimu esant 40–60 °C temperatūrai.
• Aukštos temperatūros pramonė (cemento, stiklo, plieno, cheminių medžiagų), kur išmetamosios dujos virš 250 °C gali paversti ORC arba garo turbiną elektros energija arba įkaitinti medžiagas.
• Nuotekų šiluma, kuri yra pastovi, netoli miestų ir prieinama žiemą.

Jis negali laimėti:

• Nuotoliniai šaltiniai kai šalia nėra šilumos vartotojo: dykumoje esantis duomenų centras arba izoliuota jėgainė.
• Žemos temperatūros šilumos pavertimas elektra. Esant 30–60 °C, Karno riba yra keli procentai; jokia priemonė to nekeičia.
• Vietos be šilumos tinklų, kol kas nors pastatys. Tinklas, o ne šiluma paprastai yra tikra investicija.
• Kaip priežastis išlaikyti švaistytojus procesus. Efektyvumas yra pirmasis.

Kas yra įrodyta, tikėtina ir spekuliacinė

Patikrinta: Karno apribojimai šilumos gamybai ir šilumos siurbliams; didelio masto šilumos atgavimas iš nuotekų ir duomenų centrų į centralizuoto šildymo tinklus Helsinkyje, Odensėje ir Stokholme; pramoniniai šilumos tiekimo tinklai Danijoje ir Švedijoje; ORC įrenginiai, naudojantys elektros energiją iš karštų pramonės išmetamųjų dujų.

Tikėtina: dauguma naujų didelių duomenų centrų Europoje tiekia naudojamą šilumą, padedant taisyklėms, tokioms kaip Vokietijoje; žemesnės temperatūros tinklai, kurie ima daugiau žemos kokybės šilumos; skysčiu aušinami serveriai, tiekiantys 50-60 °C vandenį, kuriam reikia mažai arba jokio šilumos siurblio.

Spekuliacinis: ekonomiškai prasminga elektros energija iš šilumos žemesnėje nei 80 °C temperatūroje; šilumos atkūrimas miestuose, kuriuose nėra tinklo plano; termoelektrinės plokštės ant įprastų atliekinės šilumos paviršių, kurios atsiperka.

Atviri tyrimo klausimai

• Žemėlapis. Kur, kokioje temperatūroje ir kokio kiekio yra atliekinė šiluma, palyginti su tuo, kur reikia šilumos? Atviri, vietiniai žemėlapiai yra reti.
• Sutartys ir rizika. Kas moka už jungtį, o kas prisiima riziką, jei šaltinis užsidaro?
• Žemesnės temperatūros tinklai. Kaip konvertuoti esamus aukštesnės temperatūros tinklus ir pastatus, kad jie veiktų vėsiau.
• Aukštos temperatūros šilumos siurbliai, tiekiantys garus 120–200 °C temperatūroje pramonei iš atliekinės šilumos esant 60–100 °C.
• Sezoninis sandėliavimas kuri išlaiko vasaros duomenų centro šilumą žiemai.
• Išmatuotas efektyvumas. Paskelbti metiniai duomenys apie tiekiamos šilumos, sunaudojamos elektros energijos kiekį ir sąnaudas realiems projektams.

Ko reikėtų darbiniam prototipui

Šilumos siurbliai ir šilumokaičiai yra brandūs. Naudingos naujovės yra susijusios su pigiu šaltinių prijungimu prie vartotojų, aukštos temperatūros šilumos siurbliais ir valdymu. Darbinis modelis turėtų tiekti išmatuotą šilumą realiam vartotojui.

Fazė	Darbas	Sprendimas, kurį jis leidžia	Apytikslė kaina	Laikas
1. Šilumos auditas	Kelių savaičių laikotarpiu matuokite tikrojo atliekų srauto srautą ir temperatūrą naudodami duomenų kaupiklius; sudarykite šilumos vartotojų žemėlapį 1–2 km spinduliu	Ar yra pakankamai šilumos, naudingos temperatūros ir ar ji yra pakankamai arti vartotojo?	$5k to $20k	1-3 mėnesiai
2. Stendas demonstratorius	10–50 kW šilumokaičio ir šilumos siurblio įrengimas ant realaus šaltinio, su šilumos ir elektros energijos skaitikliais	Išmatuotas COP, užsiteršimas ir patikimumas realiame sraute	$30k to $150k	6–12 mėnesių
3. bandomoji jungtis	Prijungimas prie vieno pastato arba mažo tinklo, duomenų perdavimas metams, šilumos tiekimo sutartis	Faktinės šilumos kWh sąnaudos ir sutarties modelis	$0.3M to $2M	12–24 mėnesiai

Ko mums reikia

• Centralizuoto šilumos tiekimo inžinieriai ir tinklo operatoriai.
• Šilumos siurblių specialistai, ypač dideliems ir aukštos temperatūros įrenginiams.
• Duomenų centrų ir pramoninės energijos valdytojai norintys pasidalinti temperatūros ir srauto duomenimis.
• Miesto planuotojams ir GIS analitikams žemėlapių šaltiniams ir naudotojams.
• Teisininkai ir ekonomistai kurti šilumos sutartis, kurios sąžiningai pasidalina rizika.
• Procesų inžinieriai užterštų srautų, tokių kaip nuotekos ir dūmtraukio dujos, šilumokaičių užteršimo, korozijos ir valymo.

Turite geresnę idėją?

Kai kurie fondo nariai gali turėti kontaktų, kurie galėtų išgirsti stiprios energijos idėjos idėją. Kad būtų įgyvendinta, idėjai reikia veikiantis, realaus gyvenimo modelis, kuris iš tikrųjų gamina energiją; šilumos atkūrimo atveju tai yra modelis, kuris tiekia išmatuotą šilumą arba elektros energiją, o jo gamybos ir energijos suvartojimo duomenys registruojami prietaisuose, tačiau nereikalaujama pateikti šių duomenų. Taip pat laukiame ir popierinių idėjų: jei fizikos ir skaičių pagrindai yra tvirti, galime jas paskelbti čia, svetainėje. Tačiau pritraukti kapitalą be veikiančio modelio yra labai sunku, ir niekas čia nėra finansavimo, grąžos ar įvedimo pažadas.

Siųskite savo idėją per įnašo formą su problema, kurią ji išsprendžia, fizikos patikra, apytiksle kaina už kWh ir pigiausiu bandymu, kuris galėtų įrodyti, kad ji neteisinga. Jei turite veikiantį modelį, įtraukite jo išmatuotą rezultatą ir kaip jį išmatavote. energijos šaltinių puslapis palygina šią ir kitas alternatyvas idėjų radare.

Šaltiniai

1. Forman, C., Muritala, I.K., Pardemann, R. ir Meyer, B. (2016). Pasaulinio atliekų šilumos potencialo įvertinimas. Atsinaujinančiųjų išteklių ir tvarios energijos apžvalgos 57, 1568-1579.
2. Helen (2018 m.) Naujas šilumos siurblys bus pastatytas vėl Helsinkyje; Wikipedia, Energy in Finland.
3. Meta (2020). Odense duomenų centras: šilumos atkūrimas.
4. Vilniaus universiteto duomenų bazė. Programos tinklalapis.
5. Manner, J., Rinne, S., Syri, S., Wahlroos, M. ir Pärssinen, M. (2018). Ateities požiūris į atliekinės šilumos panaudojimą: duomenų centrų Šiaurės Europoje pavyzdys. Atsinaujinančiųjų išteklių ir tvarios energijos apžvalgos 82, 1749-1764.
6. Quoilin, S., Van Den Broek, M., Declaye, S., Dewallef, P. and Lemort, V. (2013). Organinio Rankino ciklo (ORC) sistemų techninė-ekonominė apžvalga. Atsinaujinančiųjų išteklių ir tvarios energijos apžvalgos 22, 168-186.
7. K., S., V., A., R., M., J., L. (2014). 4-osios kartos centralizuotas šildymas (4GDH). Energijos 68, 1-11.
8. Verneris, S. (2017). Tarptautinė centralizuoto šilumos ir vėsumos tiekimo apžvalga. Energetika 137, 617-631.
9. Germany (2023). Energieffizienzgesetz (EnEfG), 11 skyrius: duomenų centrai.
10. IEA (2025). Energija ir dirbtinis intelektas.
11. Lazard (June 2026). Levelized Cost of Energy+, 19 versija.
12. Local Solar System Fondas. Ventiliatoriaus sienos atviras modelis: stogo saulės energijos lyginamasis rodiklis yra 0,19 USD už kWh.
13. Vikipedijos. Amager Bakke: 157–247 MW centralizuoto šildymo ir iki 63 MW elektros energijos iš komunalinių atliekų, su slidinėjimo trasa ant stogo.