Restwarmte is warmte-energie die overblijft bij een energieomzetting. In de thermodynamica verwijst de term naar energie die na een proces in gedegradeerde vorm aanwezig blijft, meestal als warmte met een lagere bruikbaarheid dan de oorspronkelijke energiebron. Volgens de tweede hoofdwet van de thermodynamica kan energie nooit volledig worden omgezet in nuttige arbeid, waardoor bij iedere reële energieomzetting restwarmte ontstaat. Hierdoor is het rendement van een proces altijd kleiner dan 100%.^[1]

Restwarmte ontstaat onder meer in industriële processen^[2], elektriciteitscentrales, verbrandingsmotoren, datacenters en verwarmings- en koelsystemen. Voorbeelden zijn warme uitlaatgassen, koelwater, ventilatielucht en warmte die vrijkomt uit elektronische componenten.^[3]

Hoewel restwarmte vaak wordt afgevoerd naar de omgeving, kan zij in veel gevallen opnieuw worden benut. Wanneer de restwarmte van een automotor in de winter wordt gebruikt voor de verwarming van het voertuiginterieur, stijgt het nuttig gebruik van de beschikbare energie. In de zomer wordt deze warmte doorgaans via de radiator aan de omgeving afgegeven.

Restwarmte is een rechtstreeks gevolg van de tweede hoofdwet van de thermodynamica. Warmtemotoren, turbines en andere energieomzettende systemen zetten slechts een deel van de beschikbare energie om in mechanische arbeid of elektriciteit. Het overige deel blijft achter als warmte. Hoe lager de temperatuur van deze warmte, hoe kleiner de mogelijkheid om haar opnieuw om te zetten in nuttige arbeid. Dit wordt beschreven met het begrip exergie.^[4]

Restwarmte met een hoge temperatuur kan vaak rechtstreeks worden ingezet voor industriële processen. Restwarmte met een lagere temperatuur is minder bruikbaar voor mechanische arbeid, maar kan nog steeds worden toegepast voor verwarming of via een warmtepomp worden opgewaardeerd.

Restwarmte komt voor in vrijwel alle technische installaties waarin energie wordt omgezet. De grootste industriële bronnen zijn^[5]:

• elektriciteitscentrales;
• raffinaderijen;
• staal-, glas- en cementindustrie;
• chemische installaties;
• afvalverbrandingsinstallaties;
• gasturbines;
• verbrandingsmotoren;
• datacenters.

Ook gebouwen produceren restwarmte via verwarmings-, ventilatie- en koelsystemen. Daarnaast geven elektronische toestellen en levende organismen voortdurend warmte af als gevolg van hun energieverbruik of stofwisseling.^[6]

In plaats van restwarmte af te voeren naar de omgeving kan deze opnieuw worden ingezet in hetzelfde of een ander proces. Hierdoor neemt het totale energetische rendement toe en vermindert het brandstofverbruik.

In veel industriële processen bevatten rookgassen nog een aanzienlijke hoeveelheid bruikbare warmte. Deze warmte kan worden teruggewonnen met behulp van warmteterugwinningssystemen zoals economisers, afgasketels en warmteterugwinningsstoomgeneratoren. Dergelijke systemen worden toegepast in onder meer raffinaderijen, chemische installaties, glasovens, staalbedrijven, cementovens en afvalverbrandingsinstallaties.

Afhankelijk van de temperatuur van de rookgassen kan de teruggewonnen warmte worden gebruikt voor de productie van processtoom, warm water, de voorverwarming van voedingswater of verbrandingslucht, of voor andere industriële processen. Hierdoor nemen zowel het brandstofverbruik als de uitstoot van broeikasgassen af.^[7][2]

Een van de belangrijkste industriële toepassingen van restwarmte is de productie van stoom. Hete rookgassen afkomstig van gasturbines, verbrandingsmotoren, industriële ovens en andere thermische processen bevatten vaak voldoende energie om zonder extra brandstof water te verdampen.

Hiervoor worden afgasketels of warmteterugwinningsstoomgeneratoren (Heat Recovery Steam Generators, HRSG's) toegepast. Deze installaties brengen de warmte uit de rookgassen via een warmtewisselaar over op voedingswater, waardoor processtoom ontstaat.^[7] Warmteterugwinning is vooral interessant wanneer rookgassen een voldoende hoge temperatuur hebben. Bij industriële processen zoals emaillijnen, spanningsarmgloeiovens en thermische oxidatoren kunnen de rookgastemperaturen ruim boven 450 °C uitkomen, waardoor een aanzienlijk deel van de beschikbare warmte economisch kan worden teruggewonnen.^[8]

In combinatiecentrales wordt de uitlaatwarmte van een gasturbine benut om stoom op te wekken, die vervolgens een tweede stoomturbine aandrijft. Hierdoor stijgt het totale rendement van de centrale aanzienlijk. Vergelijkbare systemen worden toegepast in raffinaderijen, chemische installaties, staalbedrijven en de scheepvaart, waar afgasketels restwarmte omzetten in processtoom.

Bij warmtekrachtkoppeling (WKK) worden elektriciteit en nuttige warmte gelijktijdig geproduceerd. De warmte die bij conventionele elektriciteitsproductie vaak verloren gaat, wordt hierbij benut voor gebouwverwarming, warm water of industriële processen. Hierdoor kan het totale energetische rendement oplopen tot meer dan 80%, afhankelijk van de installatie en de toepassing.^[9]

Restwarmte wordt in toenemende mate ingezet voor stadsverwarming. Hierbij wordt warmte afkomstig van industrie, afvalverbranding, elektriciteitscentrales of datacenters via een ondergronds leidingnet verdeeld naar woningen, kantoren en andere gebouwen.

Bij lage-temperatuurwarmtenetten kan restwarmte met een relatief lage temperatuur rechtstreeks worden gebruikt of lokaal met behulp van een warmtepomp worden opgewaardeerd. Hierdoor kunnen ook warmtebronnen die vroeger economisch onbruikbaar waren alsnog worden benut.^[10]

Restwarmte wordt veel gebruikt voor het voorverwarmen van lucht, water of andere processtromen voordat deze een installatie binnenkomen. Door voedingswater, verbrandingslucht of proceswater reeds gedeeltelijk op temperatuur te brengen, hoeft minder primaire energie te worden toegevoegd om de gewenste procestemperatuur te bereiken.

Warmtewisselaars worden hiervoor op grote schaal toegepast in industriële installaties, verwarmingssystemen en energiecentrales.^[11]

Wanneer restwarmte voldoende warm is, kan zij worden benut voor de opwekking van elektriciteit. Hiervoor worden onder meer de Organische rankinecyclus (ORC), de klassieke Rankinecyclus en thermo-elektrische generatoren toegepast.

Bij een Organische rankinecyclus wordt een organische werkvloeistof gebruikt in plaats van water. Daardoor kan ook warmte met een lagere temperatuur economisch worden benut voor elektriciteitsproductie. Dergelijke installaties worden onder meer toegepast in de industrie, geothermie en biomassa-installaties.^[12]

Restwarmte kan tijdelijk worden opgeslagen om later opnieuw te worden gebruikt. Hiervoor worden verschillende technieken voor thermische energieopslag toegepast, zoals warmwaterbuffers, ondergrondse warmteopslag en seizoensgebonden warmteopslag.

Door warmte tijdelijk op te slaan kan vraag en aanbod beter op elkaar worden afgestemd, waardoor minder energie verloren gaat en duurzame warmtebronnen efficiënter kunnen worden ingezet.^[13]

Wanneer restwarmte niet economisch of technisch kan worden hergebruikt, wordt zij afgevoerd naar de omgeving. Dit gebeurt doorgaans via luchtkoelers, koelwater, radiatoren of koeltorens.

Bij elektriciteitscentrales en grote industriële installaties vormen koeltorens een herkenbaar onderdeel van het proces. Zij voeren overtollige warmte af door een deel van het koelwater te laten verdampen. Bij voertuigen gebeurt de warmteafvoer voornamelijk via de radiator en de uitlaatgassen.^[14]

Het hergebruik van restwarmte vermindert het primaire energieverbruik en kan daardoor bijdragen aan een lagere uitstoot van broeikasgassen. Vooral in de industrie en de energiesector vormt warmteterugwinning een belangrijk onderdeel van energie-efficiëntieprogramma's.

Restwarmte die niet wordt benut, kan lokaal bijdragen aan het stedelijk hitte-eilandeffect. Warmte afkomstig van gebouwen, verkeer, industrie en airconditioningsystemen verhoogt de temperatuur in stedelijke gebieden ten opzichte van het omliggende platteland.^[15]

Op mondiale schaal is de directe bijdrage van antropogene restwarmte aan de opwarming van de aarde aanzienlijk kleiner dan die van broeikasgassen. Toch kan de lokale invloed in dichtbevolkte en sterk geïndustrialiseerde gebieden merkbaar zijn.^[16]

• Warmtekrachtkoppeling
• Koeltoren
• Organische rankinecyclus
• Stadsverwarming
• Tweede hoofdwet van de thermodynamica
• Warmtewisselaar