Рекуперация отходного тепла

Под парком в Хельсинки, в пещерах, вырезанных в скалистую основу, ряд больших тепловых насосов забирает тепло от очищенных сточных вод города и воды, возвращающейся из его системы районного охлаждения, и подает его в систему централизованного отопления, которая обогревает дома. 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). Жара уже была. Раньше она впадала в Балтийское море.

Отходы тепла являются крупнейшим “источником энергии”, никто не считает. По оценкам исследования 2016 года, 72% первичной энергии в мире теряется после преобразования, главным образом в виде тепла, и что 63% потоков отходящего тепла имеют температуру ниже 100°C (Форман и др., 2016). Второе число является важным. Тепло, которое охлаждает почти бесполезно для производства электроэнергии и очень полезно для отопления зданий. На этой странице объясняется, почему это так и что нужно для его использования.

Что это такое

Рекуперация отработанного тепла означает удержание тепла, которое в любом случае выделяется в процессе, и его передачу тому, кто нуждается в топливе. Он имеет три общих формы:

• Непосредственное использование. Горячая вода или газ из завода, мусоросжигательной установки или электростанции проходит через теплообменник в систему централизованного отопления или другой процесс. Таким образом, большинство датских и шведских тепловых сетей начали свою деятельность.
• Теплонасос на холодных источниках. Канализационные воды, центры обработки данных, супермаркеты, туннели метро и охлаждающая вода имеют температуру от 10 до 40 °C. Большой теплонасос поднимает это тепло до 60-90 °C, что необходимо сетям, используя гораздо меньше электроэнергии, чем котел.
• Выработка электроэнергии. Горячие отработавшие газы из печей, дымовых труб и двигателей, как правило, с температурой выше 200 °C, могут приводить в движение паровую турбину или небольшую турбину органического цикла Ранкина (ОРЦ), которая использует жидкость, кипящую при более низких температурах, чем вода.

Как это работает

Стоимость тепла определяется его температурой. Один кВт•ч тепла при 30°C и один кВт•ч при 600°C - это одно и то же количество энергии, но не один и тот же ресурс. КПД Карно, потолок для любого двигателя, который преобразует тепло в работу, равен η = 1 − T_cold / T_hot, с температурами в кельвинах. При температуре окружающей среды 25 °C (298 К):

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

Реальные машины достигают менее половины этих потолков. Органические циклы Ранкина, обычный выбор для рекуперации электричества от умеренного тепла, как правило, преобразуют примерно от 5 до 20% тепла, повышая его температуру (Куайлен и др., 2013 год). При температуре ниже 80 °C производство электроэнергии редко стоит того, чтобы использовать для этого машины.

Теплонасос работает наоборот. Потолок теплоносителя COP = T_hot / (T_hot − T_cold): чем меньше подъем, тем больше тепла на единицу электроэнергии. При повышении температуры в центре обработки данных с 30°C до 80°C КПД Карно составляет около 6,4; реальные крупные тепловые насосы достигают примерно половины этого показателя, т.е. около 3. Так 100 кВт·ч отработанного тепла при температуре 30°C плюс около 45 кВт·ч электроэнергии дают примерно 145 кВт·ч теплоты, поступающей в сеть. Электричество не теряется впустую: оно также оказывается в виде тепла.

Расстояние является другим ограничением. Тепло дорого передвигать. Трубы, траншеи и насосная станция стоят гораздо больше за кВт·ч, чем электрические кабели, а горячая вода теряет тепло по пути. Отходное тепло имеет ценность, когда потребитель тепла находится вблизи источника или когда тепловая сеть уже проходит мимо него. Современные сети «четвертого поколения» работают при более низких температурах (около 50-70 °C), именно поэтому можно использовать больше низкокачественного тепла (Лунд и др., 2014 год).

Третье – это время. Центр обработки данных производит тепло круглый год; дома больше всего нуждаются в нем зимой. Сети балансируют это с помощью накопления тепла, других источников тепла и летом путем сброса неиспользуемого тепла.

Пределы

• Температура. Большинство отходов тепла слишком холодно для электричества. Уравнение Карно не подлежит обсуждению.
• Расстояние. Источник, расположенный далеко от любого потребителя тепла, практически бесполезен, каким бы большим он ни был.
• Несоответствие во времени. Промышленное и центральное отопление является постоянным; потребность в отоплении сезонна и пиковая по холодным утрам.
• Надежность и контракты. Сеть не может зависеть от завода, который может закрыться, или центра обработки данных, который может переместиться. Контракты, резервные мощности и распределение рисков имеют такое же важное значение, как и инженерное обеспечение.
• Эффективность прежде всего. Лучшее отработанное тепло – это то, которого не производится. Улучшение процессов и эффективность серверов уменьшают объем данных, которые можно восстановить, и это хорошо.

Реальные проекты, измеренные

Проект	Где, когда	Источник тепла и шкала	Что сообщается
Отопительно-охлаждающая установка Катри Вала	Хельсинки, Финляндия, с 2006 года, расширено впоследствии	Обработанные сточные воды и возвратная вода для районного охлаждения, крупные тепловыделяющие насосы в скалистых пещерах	570,000 МВт тепла в 2017 году от пяти тепловых насосов; шестая с 2021 года добавляет до 200,000 МВт в год; около 123 МВт в общей сложности (Helen, 2018; Wikipedia)
Центр обработки данных Meta в Оденсе с Fjernvarme Fyn	Оденсе, Дания, с 2020 года	Тепло от серверов поступает в городскую сеть с помощью тепловых насосов	Goal: 100,000 MWh of heat a year, enough for 6,900 homes (Meta, 2020)
Парки данных в Стокгольме	Стокгольм, Швеция, с 2017 года	Stockholm Exergi покупает тепло от центров обработки данных для городской сети	Программа для «индустрии центров обработки данных, где не теряется тепло» (Stockholm Data Parks)
Центры хранения и обработки данных в Северной Европе	Финляндия, Швеция, Дания, Норвегия	Моделированный потенциал	Тепло из ЦОД может покрыть значительную долю централизованного отопления в городах Северной Европы, если это позволят сети и цены (Wahlroos et al., 2018)

Два политических сигнала показывают, куда это ведет. Германия теперь требует, чтобы новые центры обработки данных, которые начнут функционировать с июля 2026 года, повторно использовали не менее 10% своей энергии, увеличивая до 15% с июля 2027 года и 20% с июля 2028 года, если только не заключено соглашение о теплоснабжении (Закон об энергоэффективности, статья 11). И дата-центры быстро растут: по оценкам МЭА, они потребляют около 415 ТВт·ч электроэнергии в 2024 году, около 1,5% мирового электричества, и к 2030 году достигнут примерно 945 ТВт·ч (IEA, Energy and AI, 2025). Почти вся эта электроэнергия в конечном счете превращается в низкотемпературное тепло.

В Дании, Финляндии и Швеции централизованное теплоснабжение обеспечивает значительную долю рынка тепловой энергии, поэтому они являются лидерами в использовании отработанного тепла (Werner, 2017). В других случаях недостающим элементом обычно является сеть, а не тепло.

Что это стоит

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. Для отопления конкурентом является газовый котел. Используя те же круглые цифры, как на нашем термическая страница хранения (оптовый газ по цене 35 евро за МВт/ч, уголь по цене 70 евро за тонну, котел на 90%), стоимость тепла на газе 5-6 евроцентов за кВт·ч.

Тепло от низкотемпературного источника через крупный теплонасос стоит столько же, сколько и электроэнергия, разделенная на КПД, плюс оборудование, распределяющее тепло, которое оно производит. Опубликованные расходы на большие тепловые насосы и подключения сильно различаются в зависимости от места, поэтому мы показываем диапазон в виде расчета (20 лет, 7% реальная дисконтная ставка, СОС 3, трубы и подключение не включены):

Установленные затраты на тепловыделение в расчете на кВт тепла	Электричество 50 евро за МВт/ч, 3000 часов в год	Электричество 50 €, 6000 часов	Электричество 100 €, 3000 часов	Электричество 100 €, 6000 часов
€500	3,2 с	2,4 с	4,9 с	4.1 с)
€1,000	4,8 с	3,2 с	6,5 с	4,9 с
€1,500	6,4 с	4,0 с	8.1 с)	5,7 с

Центы евро за кВт.ч тепла. Наш расчет: стоимость оборудования × 0,0944 ÷ часов + цена электроэнергии ÷ 3.

Рекуперация тепла обычно является конкурентоспособной по сравнению с газом когда тепловой насос работает много часов в год, а источник находится рядом с сетью. Ее слабыми сторонами являются трубопроводы (новое подключение на несколько километров может стоить дороже, чем теплонасос) и риск исчезновения источника. Непосредственное использование горячего промышленного тепла, без использования тепловых насосов вообще, обычно является самым дешевым видом тепла, которое может купить сеть.

Выработка электроэнергии из отработанного тепла представляет собой иную ситуацию: установка ОРС может конкурировать только в тех случаях, когда тепло является горячим, стабильным и бесплатным, но даже тогда ее выходная мощность невелика по сравнению с поступающим теплом.

Где она может победить, а где нет

Он может выиграть:

• Города с теплоснабжением рядом с центрами обработки данных, канализационными сооружениями, системами метро, супермаркетами и фабриками.
• Промышленные парки, где отходное тепло одного предприятия является технологическим теплом другого предприятия.
• Новые центры хранения и обработки данных с самого начала предназначен для подачи горячей воды, особенно при жидком охлаждении при температуре от 40 до 60 °C.
• Высокотемпературная промышленность (цемент, стекло, сталь, химикаты), где отработавшие газы при температуре выше 250°C могут приводить в движение ОЦК или паровую турбину для производства электроэнергии или предварительного нагрева материалов.
• Сточная вода, которая является стабильной, близко к городам и доступна в зимнее время.

Он не может выиграть:

• Отдаленные источники без близлежащего потребителя тепла: центр обработки данных в пустыне или изолированная установка.
• Превращение низкотемпературного тепла в электричество. При 30-60 °C потолок Карно составляет несколько процентов; ни один прибор не может изменить это.
• Места без тепловых сетей, пока кто-то не построит. Реальными инвестициями обычно являются не тепло, а сеть.
• Как причина для сохранения расточительных процессов. Эффективность стоит на первом месте.

Что доказано, правдоподобно и спекулятивно

Доказано: пределы Карно для тепловых электростанций и тепловых насосов; крупномасштабная рекуперация тепла из сточных вод и центров обработки данных в централизованные системы отопления в Хельсинки, Оденсе и Стокгольме; промышленные сети подачи тепла на территории Дании и Швеции; установки ОРС для рекуперации электроэнергии из горячих промышленных отходов.

Вероятно: большинство новых крупных центров обработки данных в Европе, обеспечивающих полезное тепло, чему способствуют такие правила, как в Германии; низкотемпературные сети, которые используют больше низкокачественного тепла; серверы с жидкостным охлаждением, обеспечивающие подачу воды температурой от 50 до 60 °C, которая не требует большого или вообще никакого теплового насоса.

Спекулятивные: экономически целесообразное производство электроэнергии из тепла при температуре ниже 80°C; рекуперация тепла в городах, не имеющих плана создания сетей; самоокупаемость термоэлектрических панелей на обычных поверхностях с отходящим теплом.

Открытые исследовательские вопросы

• Mapping. Where, at what temperature and in what quantity is waste heat available, compared with where heat is needed? Открытые, локальные карты редки.
• Контракты и риски. Кто оплачивает подключение и кто несет риск в случае прекращения подачи электроэнергии?
• Сети с более низкой температурой. Как перевести существующие высокотемпературные сети и здания на режим охлаждения.
• Высокотемпературные тепловыделяющие насосы - производство пара при температуре 120-200 °C для промышленности из отработанного тепла при температуре 60-100 °C.
• Сезонное хранение который сохраняет тепло летнего ЦОДа на зиму.
• Измеренная эффективность. Опубликованы ежегодные данные о поставленном тепле, использованной электроэнергии и расходах по реальным проектам.

Что нужно для рабочего прототипа

Тепловые насосы и теплообменники уже давно разработаны. Полезные инновации заключаются в недорогостоящем подключении источников к пользователям, в высокотемпературных тепловых насосах и в контроле. Рабочая модель должна обеспечивать измерение тепла для реального потребителя.

Фаза	Работа	Решение, которое оно позволяет	Приблизительная стоимость	Время
1. Тепловой аудит	Измерение потока и температуры реального потока отходов в течение нескольких недель с помощью регистраторов; составление карты теплопотребителей в радиусе 1-2 км	Имеется ли достаточно тепла при полезной температуре, достаточно близко к пользователю?	$5k to $20к	От 1 до 3 месяцев
2. Настольный демонстратор	Теплообменник и теплонасос мощностью от 10 до 50 кВт на реальном источнике, с расходомерами тепла и электроэнергии	Измерение СОП, загрязнения и надежности на реальном потоке	$30k to $150к	6-12 месяцев
3. Пилотное подключение	Подключение к одному зданию или небольшой сети, год данных, контракт на теплоснабжение	Реальные затраты на кВт·ч тепла и модель контракта	$0.3M to $2М	12-24 месяца

Кто нам нужен

• Инженеры центрального отопления и операторы сетей.
• Специалисты по тепловым насосам, особенно для больших и высокотемпературных машин.
• Менеджеры по вопросам энергообеспечения центров обработки данных и промышленных предприятий готовы обмениваться данными о температуре и потоке.
• Городские планировщики и ГИС-аналитики для картирования источников и пользователей.
• Юристам и экономистам разработать тепловыделяющие контракты, которые справедливо распределяют риски.
• Технологические инженеры для загрязнения, коррозии и очистки теплообменников на грязных потоках, таких как сточные воды и дымовые газы.

Есть идея получше?

Некоторые члены Фонда могут иметь контакты, которые могли бы услышать идею о сильной энергии. Для того чтобы быть представленной, идея нуждается в работающая, реальная модель, которая фактически производит энергию; в случае рекуперации тепла это означает модель, которая обеспечивает измеряемое тепло или электроэнергию, причем ее выход и собственное потребление энергии регистрируются на приборах, не подлежащих заявлению. Идеи на бумаге также приветствуются: если физика и числа тверды, мы можем опубликовать их здесь на сайте. Но привлечение капитала без рабочей модели очень трудно, и здесь нет никаких обещаний финансирования, доходов или введений.

Отправьте свою идею через форма взноса с проблемой, которую она решает, проверкой физики, приблизительной стоимостью за кВт·ч и самым дешевым тестом, который мог бы доказать ее неверность. Если у вас есть рабочая модель, включите ее измеренный выход и как вы его измерили. На странице источников энергии сравнивается эта и другие альтернативы на идейном радар.

Источники

1. Форман, К., Муритала, И.К., Пардеманн, Р. и Мейер, Б. (2016). Оценка глобального теплового потенциала отходов. Обзоры возобновляемых и устойчивых источников энергии 57, 1568-1579.
2. Александр (2018). Новый теплонасос будет построен вновь в Хельсинки; Википедия, Энергия в Финляндии.
3. Целевой показатель (2020 год). Центр обработки данных в Оденсе: рекуперация тепла.
4. Стокгольмский парк данных. Сейф программы.
5. Вальроос, М., Пярссинен, М., Ринне, С., Сири, С. и Маннер, Дж. (2018). Будущие перспективы использования отработанного тепла: пример центров обработки данных в Северной Европе. Обзоры возобновляемых и устойчивых источников энергии 82, 1749-1764.
6. Куайен, С., Ван Ден Брук, М., Деклей, С., Девалеф, П. и Леморт, В. (2013). Техноэкономическое исследование систем органического цикла Ранкина (ОРЦ). Обзоры возобновляемых и устойчивых источников энергии 22, 168-186.
7. Лунд, Х., Вернер, С., Уилтшир, Р. и др. (2014). Централизованное теплоснабжение 4-го поколения (ЦТП4). Энергетика 68, 1-11.
8. Вернер, С. (2017). Международный обзор районных систем отопления и охлаждения. Энергетика 137, 617-631.
9. Германия (2023 год). Закон об энергоэффективности (EnEfG), раздел 11: центры обработки данных.
10. МЭА (2025 год). Энергетика и ИИ.
11. Lazard (June 2026). Уровненная стоимость энергии+, версия 19.
12. Local Solar System Фонд. Открытая модель Fan Wall: эталонная солнечная батарея на крыше стоимостью $ 0,19 за кВт.ч.