China: Forscher brechen die Temperaturgrenzen von Wärmepumpen

Chinesische Forscher haben eine technologische Hürde überwunden, die die industrielle Nutzung von Wärme seit mehr als hundert Jahren begrenzt hat. Eine neue Wärmepumpen-Architektur soll theoretisch in der Lage sein, sogar einige Erze zu schmelzen.

200-Grad-Marke spielend überwunden

Bislang galt es als kaum möglich, vergleichsweise niedrige Temperaturen mit einer Wärmepumpe effizient auf über 200 Grad Celsius anzuheben. Ein Forschungsteam der Chinesischen Akademie der Wissenschaften (CAS) hat nun gezeigt, dass sogar deutlich höhere Werte erreichbar sind. Und das ohne bewegliche Teile und mit einem neuartigen physikalischen Ansatz, wie die South China Morning Post berichtet.

Unter Leitung von Luo Ercang am Institut für Physik und Chemie der CAS entwickelte das Team eine sogenannte thermoakustische Hochtemperatur-Wärmepumpe. In Versuchen erzeugte das System aus einer Wärmequelle von 145 Grad Celsius eine Zieltemperatur von 270 Grad. Damit wurde eine Grenze überschritten, an der konventionelle Wärmepumpen bislang scheiterten. Die Technologie könnte zukünftig industrielle Abwärme oder Solarwärme in hochwertige Prozessenergie umwandeln, etwa für Keramik, Metallverarbeitung oder die petrochemische Industrie.


Der Durchbruch kommt zu einem wichtigen Zeitpunkt. Rund die Hälfte des weltweiten Endenergiebedarfs entfällt auf Heizen und Kühlen, ein großer Teil davon in der Industrie. Überall geht ein großer Teil der eingesetzten Energie als Abwärme verloren. Würde auch nur ein Teil davon zurückgewonnen und auf ein höheres Temperaturniveau gebracht, ließen sich Energieverbrauch, Emissionen und Produktionskosten erheblich senken.

Schall treibt Wärme

Kern der aktuellen Innovation ist eine Wärmepumpe, die mit Schall arbeitet. Statt mechanischer Kompressoren nutzt sie starke stehende Schallwellen, um Wärme "bergauf" von einer niedrigen zu einer hohen Temperatur zu transportieren. Dieses Prinzip verbindet den klassischen Stirling-Kreisprozess mit der Thermoakustik. Da keine beweglichen Bauteile nötig sind, gilt das System als besonders robust und für den Dauerbetrieb geeignet.

Ein Prototyp kann bereits Wärme aus Quellen mit weniger als 50 Grad aufnehmen und effektiv verarbeiten. Bei einer Eingangs­temperatur von 67 Grad wurden schon über 200 Grad Ausgangstemperatur erreicht. Zum Vergleich: Moderne Absorptionswärmepumpen liegen meist bei etwa 100 Grad, sogenannte Wärmetransformatoren knapp unter 200 Grad.

Luo und sein Team blicken noch weiter nach vorn. In wissenschaftlichen Veröffentlichungen skizzieren sie das Ziel, bis 2040 Wärmepumpen zu entwickeln, die Temperaturen von bis zu 1300 Grad liefern, die beispielsweise durch industrielle Abwärme oder Solarthermie beheizt werden. Damit könnte eine klimaneutrale Hochtemperaturversorgung für Schwerindustrie Realität werden, um etwa Erze zu schmelzen, in denen Metalle mit relativ geringen Schmelztemperaturen enthalten sind.


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