Wärmepumpe wird immer heißer: Neue Technologie knackt magische Marke

Hohe Temperaturen galten lange als Achillesferse der Wärmepumpe. Ein neues Verfahren aus China stellt diese Annahme nun infrage. Erstmals gelingt es, industrielle Abwärme auf bis zu 270 Grad Celsius anzuheben – ein möglicher Wendepunkt für energieintensive Branchen.

In der industriellen Produktion entscheidet nicht selten die Temperatur über Effizienz und Machbarkeit. Viele Prozesse wie Trocknen, Destillieren oder Pasteurisieren kommen mit moderater Wärme aus. Doch sobald Metalle geschmolzen, Keramik gebrannt oder chemische Reaktionen ausgelöst werden sollen, steigen die Anforderungen drastisch.

Für diese Temperaturbereiche sind Wärmepumpen bislang kaum ein Thema. Klassische Systeme verlieren oberhalb von 200 Grad rapide an Leistungsfähigkeit. Die eingesetzten Kältemittel werden instabil, Bauteile stehen unter extremem Druck, und der technische Aufwand wächst unverhältnismäßig. Die Folge: Fossile Brennstoffe bleiben in vielen Industriezweigen alternativlos.

Dabei ist gerade dort das Einsparpotenzial besonders groß. Weltweit verschlingen industrielle Heizprozesse enorme Energiemengen, während ein erheblicher Teil der entstehenden Abwärme ungenutzt entweicht.

Schall statt Mechanik: Ein radikaler Technologiewechsel

Ein Forschungsteam der Chinesischen Akademie der Wissenschaften setzt nun auf einen Ansatz, der mit klassischen Wärmepumpen kaum noch vergleichbar ist. Statt Kompressoren oder Turbinen kommen starke akustische Schwingungen zum Einsatz, die Wärme innerhalb eines geschlossenen Systems transportieren.

Diese sogenannte thermoakustische Wärmepumpe hebt Wärme von rund 145 Grad auf bis zu 270 Grad Celsius an. Möglich wird das durch Schallwellen, die in Resonanzröhren oszillieren und den Wärmestrom antreiben. Edelgase wie Helium oder Stickstoff dienen dabei als Arbeitsmedium und umgehen typische Probleme flüssiger Kältemittel.

Der Verzicht auf bewegliche Teile reduziert nicht nur den Verschleiß, sondern eröffnet auch neue Spielräume bei Temperatur und Druck. Die Schallwellen übernehmen gewissermaßen die Funktion eines Kolbens – nur ohne Reibung.

Was der Prototyp leistet – und wo die Grenzen liegen

Messungen zeigen ein klares Muster: Je höher die Zieltemperatur, desto stärker sinkt die Effizienz. Dennoch bleibt das System auch bei extremen Werten stabil. Bei 270 Grad Celsius liefert der Prototyp mehrere Kilowatt nutzbare Wärme.

Unter optimalen Bedingungen erreichte die Anlage einen relativen Carnot-Wirkungsgrad von über 30 Prozent. Das ist für diesen Temperaturbereich bemerkenswert. Frühere Tests zeigten zudem, dass selbst sehr niedrige Eingangstemperaturen ausreichen, um den Prozess in Gang zu setzen – ein Vorteil für die Nutzung von Abwärme aus bestehenden Industrieanlagen.

Warum diese Entwicklung mehr ist als ein Laborerfolg

Die energiewirtschaftliche Bedeutung ist erheblich. Rund die Hälfte des weltweiten Endenergieverbrauchs entfällt auf Wärme und Kälte, ein großer Teil davon in der Industrie. In Ländern wie China gehen zweistellige Prozentanteile der eingesetzten Energie als Abwärme verloren.

Gelingt es, diese Energie aufzuwerten, sinkt nicht nur der Brennstoffbedarf. Auch Emissionen lassen sich deutlich reduzieren. Denkbar sind Anwendungen in Chemiewerken, Metallbetrieben oder Keramikfabriken, die ihre eigene Abwärme mehrfach nutzen könnten.

Der Blick nach vorn: Temperaturen jenseits der 1.000-Grad-Marke

Die Forscher denken bereits über den nächsten Schritt hinaus. Langfristig sollen thermoakustische Systeme Temperaturen erreichen, die bislang ausschließlich mit fossilen Brennstoffen erzeugt werden. Im Raum stehen Zielwerte von bis zu 1.300 Grad Celsius.

Als mögliche Wärmequellen gelten konzentrierende Solaranlagen oder Hochtemperaturreaktoren. Sollte diese Entwicklung gelingen, könnte die Wärmepumpe in Zukunft dort eingesetzt werden, wo heute noch Kohle, Öl oder Gas dominieren – mitten in der Schwerindustrie.

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