Das Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE hat an einem neuen Teststand die Bereitstellung von Prozessdampf bis 160 °C und Druckheißwasser durch Hochtemperaturwärmepumpen analysiert. Parallel liefern Betriebsdaten von fünf Großwärmepumpen in deutschen Fernwärmenetzen Erkenntnisse für die Anlagenplanung. Wie das Institut am 7. Oktober 2026 berichtet, erreichen die überwachten Anlagen ihre vorgesehenen Betriebspunkte, wenn Komponenten, Regelung, hydraulische Einbindung und Betriebsstrategie passend ausgelegt und umgesetzt sind. Die Untersuchungen sollen die Nutzung von Wärmepumpen in Industrieprozessen und Wärmenetzen vereinfachen und optimieren.
Industrielle Prozesswärme verlangt eine systemische Auslegung
Hochtemperaturwärmepumpen dienen in den untersuchten industriellen Anwendungen dazu, Wärme auf dem für Heißwasser, Druckheißwasser oder Prozessdampf benötigten Temperaturniveau bereitzustellen. Damit adressieren sie einen Wärmebedarf, den Industrieprozesse häufig bislang durch fossile Wärmeerzeugung decken. Die Anforderungen gehen jedoch über das Erreichen einer bestimmten Temperatur hinaus: Anlagen und Komponenten müssen ebenso für dynamische Einsatzbedingungen ausgelegt sein.
Für die Dekarbonisierung von Prozesswärme sieht das Fraunhofer ISE maßgeschneiderte Komponenten, eine systemische Auslegung und geeignete Sicherheitskonzepte als entscheidend an. Einzelne Bauteile aus der Kälte- oder Gebäudetechnik lediglich zu skalieren, reicht demnach nicht aus. Wärmequelle, Kältemittel, Wärmeübertrager, hydraulische Einbindung und Regelung müssen gemeinsam betrachtet werden. Hinzu kommt eine wirtschaftlich geeignete Betriebsstrategie. Für die Planung steht damit nicht nur die Wärmepumpe selbst im Mittelpunkt, sondern ihr Zusammenspiel mit den übrigen Teilen des Versorgungssystems.
FernWP untersucht Prozessdampf bis 160 °C im Labor
Der Labor-Teststand entstand im Verbundprojekt Fern- und Prozesswärmeversorgung durch Wärmepumpen als Ersatz der Kohleverbrennung, kurz FernWP. Er verbindet thermodynamische Konzeptentwicklung und Komponentenprüfung mit einer praxisnahen Systemauslegung. Wärmepumpen für Prozessdampf können dort bis 160 °C vermessen werden. Die Untersuchungen zur Dampf- und Druckheißwasserbereitstellung liefern damit Messdaten, aus denen sich Optimierungspotenziale für Auslegung und Betriebsführung ableiten lassen.
Dr. Ursula Wittstadt, Senior Engineer und Projektleiterin FernWP am Fraunhofer ISE, beschreibt die Anforderungen: »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«.
Im laufenden Projekt konzentrierten sich die Forschenden auf Wärmepumpen mit Butan als Kältemittel. Wegen dessen Brennbarkeit untersuchten sie auch Sicherheitsaspekte und Aufstellungsfragen. Die Messdaten sollen Wärmepumpenherstellern und Entwicklern von Wärmeübertragern helfen, Komponenten gezielter für hohe Temperaturen, große Leistungen und wechselnde Betriebspunkte auszulegen. Die Temperaturangabe von 160 °C beschreibt dabei die untersuchte Bereitstellung von Prozessdampf und den Messbereich des Teststands; konkrete Effizienzkennzahlen nennt das Institut nicht.
Reallabor GroßWP erfasst fünf Anlagen in Fernwärmenetzen
Großwärmepumpen für Fernwärme sind strombasierte Wärmeerzeuger, die in die Versorgung eines Fernwärmenetzes eingebunden werden. Ihre Betriebsbedingungen hängen deshalb auch vom bestehenden Erzeugungssystem und vom Netz ab. In Deutschland werden nach Angaben des Fraunhofer ISE rund 16 Prozent der Haushalte mit Fernwärme versorgt. Die Umstellung der Fernwärmezentralen auf strombasierte, wesentlich auf Großwärmepumpen gestützte Versorgungssysteme ist eine zentrale Option zur Defossilisierung.
Im Reallabor GroßWP erfasst das Institut seit 2023 umfangreiche Daten aus dem realen Betrieb von fünf Anlagen. Anders als die Laboruntersuchungen in FernWP richtet sich dieses Monitoring auf die Anforderungen deutscher Fernwärmenetze. Im Fokus stehen Auslegung, hydraulische Einbindung und Betriebsführung.
Axel Oliva, Projektleiter Reallabor GroßWP am Fraunhofer ISE, ordnet die Ergebnisse ein: »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.« Der Betrieb im Kraftwerksverbund erfordert nach den Projekterfahrungen außerdem gute Kenntnisse des vorhandenen Anlagenparks, des Fernwärmenetzes und der Kundenanlagen.
Flusswasser unter etwa 6 °C begrenzt die thermische Leistung
Welchen Einfluss die Wärmequelle hat, zeigen die untersuchten Anlagen mit Fließgewässern als Wärmequelle. Bei niedrigen Wassertemperaturen und im Teillastbetrieb ging ihre thermische Leistung zurück. Unterhalb einer Quelltemperatur von etwa 6 °C beobachteten die Forschenden eine Leistungsreduktion.
Diese Beobachtung stammt aus dem Anlagenmonitoring des Reallabors GroßWP. Sie bezieht sich auf die untersuchten Systeme mit Fließgewässern und ist keine allgemeine Temperaturgrenze für sämtliche Großwärmepumpen. Für die Auslegung solcher Anlagen liefert sie einen konkreten Hinweis darauf, dass die Bedingungen auf der Quellenseite bei der Betrachtung der verfügbaren Wärmeleistung berücksichtigt werden müssen. Eine bezifferte Höhe der Leistungsreduktion oder einen Vergleich der fünf Anlagen enthält die Veröffentlichung nicht.
Tagesprofile verändern die Anforderungen an den Betrieb
Auch die Fahrweise der überwachten Anlagen hat sich gegenüber frühen Planungen verändert. Während zunächst häufig ein überwiegend saisonaler Einsatz vorgesehen war, werden Großwärmepumpen zunehmend nach Tagesprofilen und energiewirtschaftlichen Rahmenbedingungen betrieben.
Damit steigen die Anforderungen an Start-Stopp-Zyklen, Standzeiten, Service und Anlagenverfügbarkeit. Die Betriebsstrategie betrifft folglich nicht allein die Wahl der Einsatzzeiten, sondern auch die Anforderungen an den zuverlässigen Anlagenbetrieb. Die im Reallabor gewonnenen Erkenntnisse können Betreiber bei der Optimierung ihrer Betriebsführung unterstützen. Eine bestimmte wirtschaftlich optimale Fahrweise ist damit jedoch noch nicht als Projektergebnis ausgewiesen.
Modelle und weitere Sicherheitsuntersuchungen sind geplant
Aus den Zwischenergebnissen von FernWP und Reallabor GroßWP will das Fraunhofer ISE als nächsten Schritt die Schnittstellen von Großwärmepumpen im Kraftwerksverbund detaillierter beschreiben. Darauf sollen Methoden zur Modellbildung und praxisnahe Ableitungen für eine wirtschaftlich optimale Fahrweise aufbauen. Zusätzlich plant das Institut, seine Sicherheitsteststände weiterzuentwickeln, um Sicherheitskonzepte für die verwendeten Kältemittel abzuleiten. Diese Arbeiten sind angekündigte Forschungsschritte, keine bereits abgeschlossenen Ergebnisse.
FernWP läuft noch bis September 2027 und wird vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie gefördert. Das Reallabor GroßWP erhält Förderung vom selben Ministerium und von der Europäischen Union. Forschungsaktivitäten und Ergebnisse zur Wärmepumpentechnik sowie zur Defossilisierung industrieller Prozesse zeigt das Fraunhofer ISE vom 13. bis 15. Oktober 2026 auf der Chillventa in Nürnberg am Stand 7A-408.
Quelle: Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE
Häufig gestellte Fragen
Welche Temperaturen untersucht das Fraunhofer ISE bei Wärmepumpen für Prozessdampf?
Am Labor-Teststand des Projekts FernWP können Wärmepumpen für Prozessdampf bis 160 °C vermessen werden. Untersucht wird außerdem die Bereitstellung von Druckheißwasser. Konkrete Effizienzkennzahlen nennt das Institut nicht.
Welche Faktoren sind für den Betrieb von Großwärmepumpen in Fernwärmenetzen entscheidend?
Neben der Wärmepumpe sind die Wärmequelle, die hydraulische Einbindung, das bestehende Erzeugungssystem und die Betriebsstrategie entscheidend für Effizienz und Verfügbarkeit. Die fünf überwachten Anlagen erreichen ihre vorgesehenen Betriebspunkte, wenn Komponenten, Regelung, Einbindung und Betriebsstrategie passend ausgelegt und umgesetzt sind.
Wie beeinflusst kaltes Flusswasser die Leistung der untersuchten Großwärmepumpen?
Bei den untersuchten Anlagen mit Fließgewässern als Wärmequelle beobachtete das Fraunhofer ISE unterhalb einer Quelltemperatur von etwa 6 °C eine Reduktion der thermischen Leistung. Diese Beobachtung gilt für die überwachten Systeme und stellt keine allgemeine Temperaturgrenze für sämtliche Großwärmepumpen dar. Die Höhe der Leistungsreduktion wird nicht beziffert.
Weitere Informationen auf: www.ise.fraunhofer.de
Quelle: Fraunhofer ISE