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Hochtemperatur-Wärmepumpe

Die Pilot-Anlage in Cottbus erreicht Temperaturen von 300 Grad Celsius. Quelle: DLR

Hochtemperaturwärmepumpen in Deutschland 2023. Quelle: Agora

Verbreitung von Hochtemperatur-Wärmepumpen in Europa (2025). Quelle: Ball

Unter Hochtemperatur-Wärmepumpen versteht man sowohl Wärmepumpen, die hohe Heiz- und Brauchwassertemperaturen erzeugen können als auch Wärmepumpen, die hohe Wärmequellentemperaturen nutzen können.

Bei der Heizungsmodernisierung geht es in der Regel darum, einen neuen, effizienten Wärmeerzeuger in ein bestehendes Wärmeverteilsystem zu integrieren. Dabei sind die erforderlichen Vorlauftemperaturen gerade bei bestehenden Heizkörpern so hoch, dass diese mit einer normalen Wärmepumpe nicht effizient erzeugt werden könnten. Daher kommen in diesen Fällen spezielle Hochtemperatur-Wärmepumpe zum Einsatz.

Diese speziellen Wärmepumpen erreichen aufgrund spezieller Verdichtertechnik, mehrstufigen Kreisprozessen und unter Einsatz verschiedener Kältemittel Vorlauftemperaturen von 70 °C bis sogar über 80°C und können so ideal in Altbauten aber auch im Gewerbe oder Industrie als Wärmepumpenlösung eingesetzt werden.

Hochtemperatur-Wärmepumpe für die Industrie

Bislang waren Wärmepumpen in der Industrie auf Temperaturen bis etwa 100 °C beschränkt und damit für viele industrielle Prozesse nicht nutzbar. Hochtemperatur-Wärmepumpen können heute, z.B. dank spezieller Kolbenkompressoren Temperaturen bis 200 °C oder Sattdampfdrücke bis zu 6 bar absolut erzeugen.

Die industrielle Wärmepumpe in der Praxis

Hochtemperatur-Wärmepumpen lassen sich in der Industrie überall dort einsetzen, wo Prozesswärme bis zu 200 °C benötigt wird. Dies gilt insbesondere für Branchen wie die Lebensmittel-, Papier- und Chemieindustrie, in denen wärmeintensive Prozesse wie Trocknung, Sterilisierung, Pasteurisierung oder Destillation eine wichtige Rolle spielen.

Technologien

Drei Technologien dominieren den Markt mit unterschiedlichen Vor- und Nachteilen.

Kolbenverdichter erreichen maximale Effizienz und die höchsten Temperaturen bis 160°C. Pro Verdichter sind jedoch maximal etwa 3 MW realisierbar, größere Leistungen erfordern Parallelschaltungen. Der entscheidende Vorteil liegt im Teillastverhalten: Die Effizienz steigt teilweise sogar bei reduzierter Last. Diese Flexibilität macht Kolbenverdichter besonders effizient bei schwankenden Betriebsbedingungen und variablen Wärmeanforderungen.
Schraubenverdichter ermöglichen Leistungen bis etwa 10 MW pro Verdichter, benötigen jedoch zwingend Ölkühlung. Diese erfordert einen Wärmeverbraucher oder kalten Rücklauf, um die entstehende 70°C-Wärme abzuführen. Die maximale Vorlauftemperatur liegt bei 125°C bei etwas geringerer Effizienz als Kolbenverdichter. Das Teillastverhalten bleibt dennoch gut und ermöglicht flexiblen Betrieb.
Turboverdichter erreichen bei Ammoniak als Kältemittel aufgrund der geringen molaren Masse erst ab etwa 20 MW wirtschaftliche Einsatzgrenzen. Im Nennauslegungspunkt zeigen sie ähnlich gute Effizienz wie Kolbenverdichter. Bei abweichenden Bedingungen und Teillast nimmt die Effizienz jedoch stark ab, was die Flexibilität erheblich einschränkt.

Für industrielle Hochtemperaturanwendungen bis 10 MW bieten Kolben- und Schraubenverdichter die optimale Balance aus Effizienz, Flexibilität und Wirtschaftlichkeit. Die Wahl hängt von der geforderten Temperatur, Leistung und den spezifischen Betriebsbedingungen ab.

Besondere Technische Lösungen

Hochtemperatur-Wärmepumpen mit Heißgas
Hochtemperatur-Wärmepumpe mit zweistufigem Kreisprozess
Hochtemperatur-Wärmepumpe mit CO₂
Hochtemperatur-Wärmepumpen für hohe Medientemperaturen

Bedeutung in der Geothermie

Hochtemperatur-Wärmepumpen werden in der Geothermie eine erhebliche Bedeutung haben. Sie erschließen den Bereich mittlerer Bohrtiefen, da dann die dort 60-80-grädigen Wässer erschlossen werden können und im Wärmemarkt dennoch mit ausreichend hohen Vorlauftemperaturen gearbeitet werden kann.

Hochtemperatur-Wärmepumpen öffnen den Wärmemarkt für die Oberflächennahe und Mitteltiefe Geothermie im industriellen Bereich. Hier wird so der Markt für Temperaturen bis zu mindestens 200 °C erschlossen.

Forschung (2022)

Die neue Versuchsanlage CoBra des DLR-Institut für CO2-arme Industrieprozesse liefert einen bedeutenden Beitrag zur Wärmewende in der Industrie: „Wir können bisher weltweit einmalige Werte beim Temperaturhub und der Wärmeabgabe-Temperatur von 300 Grad Celsius bei einer Wärmeleistung von etwa 200 Kilowatt erzielen“, sagt Institutsleiter Prof. Uwe Riedel. In Zukunft soll es noch weit darüber hinausgehen: „Die DLR-Wärmepumpen werden einen Temperaturbereich erreichen, für den es bisher keine technische Realisierung gibt. Diese Temperaturen sind erforderlich für einen CO₂-armen Umbau der entsprechenden Industrieprozesse.“ und damit eine Alternative zum Einsatz von Wasserstoff für Hochtemperaturprozesse der Industrie. Der Name CoBra ist eine Kombination aus „Cottbus“ und dem „Brayton-Prozess" der Thermodynamik, auf dem die Anlage beruht.