Eine Wärmepumpe braucht Metall, um Wärme ins Haus zu bringen. Kupferleitungen, Wärmeübertrager und Verdichter gehören zu ihrem Innenleben. Forschende wollen diese Bauteile so umbauen, dass für den Kältekreis deutlich weniger Material nötig ist. Entscheidend ist dabei nicht allein das Gewicht: Die Anlage soll weiterhin zuverlässig arbeiten und möglichst wenig Strom verbrauchen.
Das Fraunhofer-Projekt HÄLT verfolgt dafür ein ehrgeiziges Ziel: mindestens 50 Prozent weniger Material im Kältekreis, ohne Einbußen bei Energieeffizienz oder Lebensdauer. Die Zahl beschreibt ein Forschungsziel für den Kältekreis, keine bereits erreichte Einsparung für eine komplette Wärmepumpe. Das Projekt läuft von Mai 2026 bis April 2029.
Warum steckt überhaupt so viel Technik im Gerät?
Eine Wärmepumpe erzeugt Heizwärme nicht einfach in einem elektrischen Widerstand. Sie nimmt Energie aus einer Quelle wie der Außenluft auf und bringt sie mithilfe eines Kreislaufs auf ein höheres Temperaturniveau. Darin zirkuliert ein Kältemittel. Ein Verdichter setzt es unter Druck; anschließend gibt es Wärme an das Heizsystem ab. Nach der Entspannung kann der Kreislauf erneut Wärme aufnehmen. Die Internationale Energieagentur beschreibt die beiden Wärmeübertrager und den Verdichter als wesentliche Bestandteile.
Die Wärmeübertrager sind die Kontaktstellen zwischen dem Kältemittel und seiner Umgebung. Auf der einen Seite nehmen sie Wärme auf, auf der anderen geben sie sie ab. Rohre und Oberflächen müssen Wärme gut übertragen und zugleich dem Betrieb standhalten. Dafür werden unter anderem Kupfer, Aluminium und Stahl verwendet. Wie viel davon nötig ist, hängt vom Aufbau und von den Betriebsbedingungen ab.
Gerade Kupfer ist deshalb interessant, weil der Ausbau vieler elektrischer Anwendungen gleichzeitig Material benötigt. Weniger Material pro Anlage könnte den Bedarf bei großen Stückzahlen verringern. Für den einzelnen Haushalt folgt daraus allerdings noch kein bestimmter Preisvorteil. Materialkosten sind nur ein Teil der Rechnung; Entwicklung, Fertigung, Einbau und Wartung gehören ebenfalls dazu.
Mehr Funktion auf kleinerem Raum
Eine Möglichkeit besteht darin, Bauteile enger zusammenzuführen und Wärmeübertrager neu zu gestalten. Ein Wärmeübertrager braucht genügend wirksame Oberfläche, damit Wärme vom einen Medium zum anderen gelangen kann. Diese Oberfläche lässt sich unterschiedlich anordnen. Eine kompakte Konstruktion versucht, viel Austauschfläche auf begrenztem Raum unterzubringen, statt einfach nur ein Rohr kürzer zu schneiden.
Das internationale Forschungsprogramm IEA HPP Annex 33 untersuchte kompakte Wärmeübertrager für Wärmepumpen. Je nach Ausführung können solche Bauteile den Materialeinsatz oder die benötigte Kältemittelmenge verringern und die Effizienz verbessern. Welche dieser Vorteile zusammen auftreten, hängt vom jeweiligen System ab.
Im Projekt HÄLT verfolgen vier Fraunhofer-Institute zwei Wege. Für den Ansatz „KOMPAKT“ sollen Bauteile durch additive Fertigung, also schichtweisen Aufbau, stärker integriert werden. Der zweite Ansatz „LEICHT“ untersucht materialeffiziente Strukturen aus Blech für eine mögliche Serienfertigung. Beide Wege sollen mit Propan als Kältemittel arbeiten. Die Forschenden wollen damit Optionen entwickeln, die sich später industriell nutzen lassen.
Weniger Metall kann neue Arbeit verursachen
Eine besonders kleine Leitung ist nicht automatisch die beste Lösung. Sie kann den Fluss des Kältemittels stärker bremsen. Der Verdichter muss dann gegen einen größeren Druckverlust arbeiten. Was bei Größe oder Füllmenge gewonnen wird, kann an anderer Stelle zusätzlichen Energieaufwand verursachen.
Ein Projekt des US-Energieministeriums zu Wärmepumpen für Warmwasser nennt genau diesen Zusammenhang: Kleine Rohrdurchmesser können hohe Druckverluste auf der Kältemittelseite verursachen. Das Beispiel betrifft eine bestimmte Geräteart. Es zeigt den technischen Zielkonflikt, liefert aber keine allgemeine Zahl für deutsche Heizungsanlagen.
Auch die Lebensdauer gehört zur Rechnung. Ein Bauteil, das weniger Material enthält, muss im Betrieb dicht bleiben und seine Aufgabe über die vorgesehene Nutzungszeit erfüllen. Deshalb ist das Fraunhofer-Ziel doppelt formuliert: Der Materialbedarf soll sinken, während Effizienz und Lebensdauer erhalten bleiben. Ob die vorgeschlagenen Konstruktionen das schaffen, müssen Entwicklung und Erprobung zeigen.
Der Blick über die Herstellung hinaus
Weniger Rohmaterial ist nur ein Teil einer längeren Lebensgeschichte. Eine Wärmepumpe wird hergestellt, transportiert, betrieben, gewartet und irgendwann ersetzt. Ein sparsames Bauteil kann Vorteile bei der Herstellung bringen; verbraucht die Anlage dadurch über Jahre mehr Strom, verändert das die Gesamtbilanz. Umgekehrt kann eine längere Nutzungsdauer den Bedarf an Ersatzgeräten senken.
Bei einem Workshop des IEA-Wärmepumpenprogramms diskutierten Fachleute 2026 deshalb Materialreduktion, Reparatur und Recycling zusammen. Für Wärmeübertrager und Rohre nannten sie insbesondere das Gleichgewicht zwischen geringerem Materialeinsatz und Effizienz sowie die Frage, wie Bauteile am Lebensende gesammelt und verwertet werden. Das sind Einschätzungen aus einem Workshop, keine Messung der HÄLT-Konstruktionen.
Für die Praxis wird sich zeigen müssen, welche Bauweise unter realen Anforderungen funktioniert und wirtschaftlich herstellbar ist. Die spannende Frage lautet nicht nur, wie viel Metall ein einzelnes Bauteil verliert. Sie lautet, ob eine leichtere Konstruktion Wärme weiterhin zuverlässig und effizient transportiert und sich am Ende sinnvoll reparieren oder verwerten lässt.
Quellen
- Fraunhofer IPT: HÄLT – Hocheffiziente Kältekreise mit Propan
- IEA: How a heat pump works
- IEA HPP Annex 33: Compact heat exchangers
- US Department of Energy: Compact condensers for heat pump water heaters
- IEA HPT Project 65: Circularity in Heat Pumps
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