Fraunhofer ISE optimiert Großwärmepumpen für Industrie und Wärmenetze

(15.10.2026) Das Fraunhofer ISE untersucht Hochtemperaturwärmepumpen für industrielle Prozesswärme bis 160 °C und analysiert den Betrieb von fünf Großwärmepumpen in Fernwärmenetzen. Die Ergebnisse zeigen, welche Anforderungen sich an Komponenten, Hydraulik und Betriebsführung stellen.

Prüfstand zur Untersuchung dampferzeugender Wärmepumpen für Prozesstemperaturen von 160 °C am Fraunhofer ISE. (Bild: Fraunhofer ISE / Michael Spiegelhalter) 

Teststand für Prozessdampf bis 160 °C

Im Verbundprojekt „Fern- und Prozesswärmeversorgung durch Wärmepumpen als Ersatz der Kohleverbrennung (FernWP)” hat das Fraunhofer ISE einen Teststand für Hochtemperaturwärmepumpen aufgebaut. Damit lassen sich Anlagen bis 160 °C untersuchen und Prozessdampf sowie Druckheißwasser analysieren. Komponenten und Gesamtsysteme für hohe Temperaturen, große Leistungen und wechselnde Betriebsbedingungen sollen dann weiterentwickelt werden.

„Für die industrielle Anwendung ist nicht allein die maximal erreichbare Temperatur entscheidend. Eine Hochtemperaturwärmepumpe muss auch bei wechselnden Wärmequellen, Lasten und Betriebsmodi effizient und verlässlich Prozessdampf oder Druckheißwasser bereitstellen”, sagt Dr. Ursula Wittstadt, Senior Engineer und Projektleiterin FernWP am Fraunhofer ISE. „Mit unserem Teststand machen wir diese Wechselwirkungen messbar und schaffen damit eine Grundlage für die Weiterentwicklung von Komponenten und Gesamtsystemen.”

Ein Schwerpunkt der Untersuchungen liege auf Wärmepumpen mit Butan als Kältemittel. Aufgrund seiner Brennbarkeit werden auch Sicherheitsanforderungen und Fragen zur Aufstellung betrachtet. Wärmequelle, Kältemittel, Wärmeübertrager, hydraulische Einbindung, Regelung und Betriebsstrategie müssen aufeinander abgestimmt werden. Eine bloße Skalierung von Komponenten aus der Kälte- oder Gebäudetechnik reiche dafür nicht aus.

Fünf Großwärmepumpen im realen Betrieb

Im „Reallabor GroßWP” erfasst das Fraunhofer ISE seit 2023 Betriebsdaten von fünf Großwärmepumpen in Fernwärmenetzen. Die Ergebnisse zeigen, dass die Anlagen die vorgesehenen Betriebspunkte erreichen können, wenn Auslegung und Einbindung stimmen.

Axel Oliva, Projektleiter Reallabor GroßWP am Fraunhofer ISE: „Das Monitoring der fünf Anlagen zeigt, dass Großwärmepumpen im praktischen Betrieb gut funktionieren und die vorgesehenen Betriebspunkte erreichen können. Entscheidend für Effizienz und Verfügbarkeit ist aber nicht nur die Wärmepumpe, sondern auch die Wärmequelle, die hydraulische Einbindung, das bestehende Erzeugungssystem und die konkrete Betriebsstrategie. Wir haben zudem gesehen, dass der Betrieb im Kraftwerksverbund gute Kenntnisse über den bestehenden Anlagenpark, das Fernwärmenetz sowie die Kundenanlagen erfordert.”

Bei Anlagen, die Fließgewässer als Wärmequelle nutzen, nahm die thermische Leistung bei niedrigen Wassertemperaturen und im Teillastbetrieb ab. Unterhalb von etwa 6 °C Quelltemperatur wurde eine Leistungsreduktion beobachtet. Auch die Betriebsweise verändert sich: Statt eines überwiegend saisonalen Einsatzes werden Großwärmepumpen zunehmend anhand von Tagesprofilen und energiewirtschaftlichen Rahmenbedingungen betrieben. Damit steigen die Anforderungen an Start-Stopp-Zyklen, Standzeiten, Service und Anlagenverfügbarkeit.

Weitere Modelle und Sicherheitskonzepte geplant

Auf Basis der Messdaten sollen die Schnittstellen von Großwärmepumpen im Kraftwerksverbund genauer beschrieben und Modelle für eine wirtschaftlich optimierte Betriebsführung entwickelt werden. Zudem will das Fraunhofer ISE seine Sicherheitsteststände ausbauen, um geeignete Sicherheitskonzepte für Kältemittel in Groß- und Hochtemperaturwärmepumpen abzuleiten.

Das Verbundprojekt FernWP läuft bis September 2027 und wird vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie gefördert. Am Reallabor GroßWP sind neben dem Fraunhofer ISE mehrere Energieversorger, die Universität Stuttgart und weitere Projektpartner beteiligt. Das Vorhaben wird vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie sowie von der Europäischen Union gefördert.