China entwickelt eine „nicht-rotierende“ Wärmepumpe, die Schall in Wärme umwandelt, um 27 % Industrieabwärme zu nutzen.

In Fabriken weltweit entweicht niederwertige Wärme durch Schornsteine und Rohrleitungen – während Klimaziele strenger werden und Energiepreise schwanken.

In China glaubt eine Gruppe von Forschenden, dass unsichtbare Abwärme zu einem strategischen Energieträger werden könnte – nicht nur zu einem Nebenprodukt. Ihr Werkzeug sieht weder aus wie ein Kessel noch wie eine Turbine. Es hat keine rotierende Welle, keine lodernden Flammen, und doch verhält es sich wie eine leistungsfähige Wärmepumpe – angetrieben von Schall.

Wenn Fabriken anfangen, ihrem eigenen Lärm zuzuhören

Industrieanlagen verlieren überall thermische Energie: durch heiße Abgase, warmes Kühlwasser und die Wände riesiger Öfen. Ingenieurinnen und Ingenieure wissen das. Sie dämmen, optimieren, justieren. Trotzdem entweicht ein großer Teil der von der Industrie bezahlten Energie als lauwarme Luft. Allein in China schätzen Analysten, dass Abwärme irgendwo zwischen 10 % und 27 % des gesamten Energieverbrauchs ausmacht. Das ist kein Rundungsfehler. Das ist ein ganzer Kraftwerkspark, der offen zutage liegt.

Ein Team an der Chinesischen Akademie der Wissenschaften, geleitet vom Physiker Luo Ercang am Technischen Institut für Physik und Chemie, hat nun ein Gerät vorgestellt, das genau auf diesen blinden Fleck zielt. Ihr Prototyp ist eine Hochtemperatur-thermoakustische Wärmepumpe – im Kern eine Maschine, die Wärme in starke Schallwellen umwandelt und diese Schallwellen dann wieder in heißere Wärme zurückverwandelt. Sie arbeitet ohne rotierende Teile.

Statt mehr Brennstoff zu verbrennen, nimmt das Gerät „nutzlose“ warme Abwärme und wertet sie auf – indem es eingeschlossene Schallwellen als Förderband nutzt.

Auf dem Papier adressiert es genau den Teil der industriellen Nachfrage, der am schwersten zu dekarbonisieren ist: Hochtemperaturprozesse, die heute fast vollständig mit Kohle, Gas und Öl betrieben werden.

Wie eine „nicht rotierende“ Wärmepumpe tatsächlich funktioniert

Klassische Wärmepumpen arbeiten mit einem Kältemittel, das komprimiert und expandiert wird. Beim Komprimieren wird es heiß, beim Expandieren kühlt es ab. Schwere Kompressoren, Ventile und Schmierstoffe machen diesen Zyklus zu einer praktikablen Maschine, begrenzen aber auch die Temperatur und verursachen Wartungsaufwand.

Das chinesische Gerät verwirft diese Architektur. Keine Kolben, kein Kompressorblock, keine rotierenden Schaufeln. Stattdessen nutzt es das, was Physikerinnen und Physiker einen thermoacustischen Stirling-Kreisprozess nennen. Im Kern sitzt ein Resonator – im Wesentlichen ein präzise geformtes Rohr –, in dem stehende Schallwellen mit sehr hoher Intensität hin und her laufen. Diese Wellen tragen Energie. Durch die gezielte Anordnung von Wärmeübertragern und porösen Strukturen entlang des Rohrs zwingt die Maschine Wärme dazu, „bergauf“ von einer warmen Quelle zu einer deutlich heißeren Senke zu wandern.

Der Schall entweicht nicht als Lärm; er bleibt im Resonator eingeschlossen, wo er Wärmeenergie von einem Temperaturniveau auf ein anderes transportiert.

Im Labor hat Luos Team kürzlich Ergebnisse veröffentlicht, nach denen eine wärmegetriebene thermoakustische Wärmepumpe einen Eingangsstrom von 145 °C auf etwa 270 °C am Ausgang anheben kann. Dieser Sprung um mehr als 120 °C gelingt ohne bewegliche mechanische Teile im Kernmodul.

Warum 270 °C eine psychologische Schwelle sind

Konventionelle industrielle Wärmepumpen funktionieren gut, wenn sie Temperaturen im Bereich von 80–160 °C liefern müssen. Lebensmittelverarbeitung, Brauereien, Fernwärmenetze und einige chemische Anlagen setzen sie bereits ein. Oberhalb von etwa 200 °C wird es schwierig: Schmierstoffe zersetzen sich, Dichtungen geraten an Grenzen, und die Effizienz sinkt. Die Anlagen werden schwerer, teurer und schwerer zu rechtfertigen.

270 °C zuverlässig zu erreichen – mit einem wärmepumpenähnlichen Gerät ohne rotierende Maschinen – verändert die mentale Landkarte von Ingenieurinnen und Ingenieuren.

• Unter 150 °C: klassische Wärmepumpen und Wärmerückgewinnung konkurrieren bereits mit Gaskesseln.
• Zwischen 150 °C und 250 °C: fortgeschrittene Hochtemperatur-Wärmepumpen sind eine Nische, begrenzt durch Materialien und Kosten.
• Über 250 °C: fossile Verbrennung dominiert fast vollständig.

Der neue thermoakustische Prototyp landet genau in diesem umkämpften mittleren Band. Seine Entwickler argumentieren, dass mit besseren Hochtemperaturmaterialien und intelligenterem Resonatordesign Varianten der Technologie Ausgangstemperaturen von 800 °C und darüber anpeilen könnten – möglicherweise bis zu 1.300 °C um das Jahr 2040. Das würde große Teile der Keramik-, Metall- und petrochemischen Industrie abdecken.

Von Papierfabriken bis Stahlwerken: Wer braucht das wirklich?

Der größte Teil des industriellen Wärmebedarfs stammt nicht aus Büroheizkörpern. Er kommt aus Prozessen, die Materialien verdampfen, trocknen, kalzinieren, cracken oder schmelzen.

Sektor	Typische Prozesstemperatur	Aktuelle Hauptenergiequelle
Brauereien, Lebensmittelverarbeitung	80–140 °C	Gas, Dampfnetze, einige Wärmepumpen
Papier, Textilien, Pharma	120–220 °C	Gas-/Kohle-Kessel, Öl, begrenzt Wärmepumpen
Keramik, Glas, Metallurgie (leicht)	300–900 °C	Kohle, Gas, Koks, Schweröl
Primärstahl, Zement, Petrochemie	800–1.600 °C	Kohle, Gas, Koks, Prozessgase

Heutige Wärmepumpen knabbern an den unteren beiden Zeilen. Thermoakustische Geräte zielen darauf, in die oberen hineinzubeißen. Jede Anlage, die 100–250 °C heiße Gase über einen Schornstein abführt, könnte diese „Abwärme“ theoretisch in eine solche Pumpe einspeisen, in 300–600 °C Wärme umwandeln und im Prozess wiederverwenden.

Für eine energieintensive Fabrik kann schon eine Reduktion des Brennstoffverbrauchs um 10 % die Projektökonomie, die CO₂-Compliance und die langfristige Wettbewerbsfähigkeit verschieben.

Warum China Abwärme so stark vorantreibt

Chinas Industriesektor verbraucht grob 40 % der thermischen Energie des Landes. Die Regierung steht vor einem bekannten Widerspruch: Wachstumsziele auf der einen Seite, Klimaverpflichtungen und Smogprobleme auf der anderen. Abwärmenutzung gehört zu den seltenen Maßnahmen, die gleichzeitig Brennstoff sparen, Emissionen senken und die lokale Luftqualität verbessern.

Politikdokumente aus Peking erwähnen zunehmend „Effizienz des Energiesystems“ und „nicht-elektrische Dekarbonisierungspfade“ neben bekannteren Themen wie Solarenergie und E-Mobilität. Wärmepumpen – konventionelle wie neuartige – passen gut in diese Sprache. Eine chinesische Technologie, die sich in großem Maßstab fertigen lässt und in Stahlwerke, Raffinerien und Glasfabriken in ganz Asien geliefert werden kann, würde dem Land zudem einen weiteren Exporthebel in der globalen Energiewende geben.

Was thermoakustische Wärmepumpen für Ingenieurinnen und Ingenieure attraktiv macht

Aus technischer Sicht bringt das Konzept greifbare Vorteile:

• Keine rotierende Maschinerie: weniger Verschleißteile, weniger Vibrationen, geringeres Risiko katastrophaler mechanischer Ausfälle.
• Keine Ölschmierung: keine Kontamination von Prozessströmen, einfachere Wartungsabläufe.
• Gas als Arbeitsmedium: oft Inertgase wie Helium oder Stickstoff – statt brennbarer oder klimaschädlicher Kältemittel (hohes GWP).
• Modulare Geometrie: Resonatoren und Wärmeübertrager können prinzipiell gestapelt oder so angeordnet werden, dass sie zu spezifischen Anlagenlayouts passen.

Gleichzeitig gibt es ernsthafte Hürden. Hochintensive akustische Felder belasten Materialien. Wärmeübertrager müssen wiederholte thermische Zyklen bei hunderten Grad überstehen. Und die Gesamteffizienz – das Verhältnis nutzbarer heißer Leistung zur zugeführten Wärme – muss konkurrenzfähig bleiben gegenüber dem Verbrennen eines zusätzlichen Kubikmeters Gas.

Woher die Eingangswärme kommen kann

Ein interessanter Aspekt der chinesischen Forschung ist, dass die Quellentemperatur von etwa 140–160 °C nicht fossil sein muss. Das Team nennt drei Hauptoptionen:

• Niedertemperatur-Industriabwärme, etwa aus Abgasen, Trocknungsanlagen oder chemischen Reaktoren.
• Konzentrierende Solarthermieanlagen, die an sonnigen Tagen Wärme im mittleren Temperaturbereich liefern.
• Nuklearsysteme mit moderaten Austrittstemperaturen, einschließlich fortschrittlicher kleiner modularer Reaktoren (SMR), die auf Prozesswärme zugeschnitten sind.

Diese Flexibilität ist wichtig. Eine Kupferschmelze in Nordchina könnte ihre eigenen Abgasströme anzapfen. Ein Chemiepark im Nahen Osten könnte ein Feld aus Solarspeigeln mit thermoakustischen „Boostern“ kombinieren, um Reaktoren nach Sonnenuntergang zu betreiben. Ein europäischer Industriecluster neben einem dedizierten Kernkraftwerk könnte ähnliche Geräte nutzen, um exakt die benötigten Temperaturen zu erreichen – ohne separate fossile Kessel.

Wie viel Abwärme ist das eigentlich?

Globale Studien legen nahe, dass in allen Sektoren zusammen niedrig- und mitteltemperierte Abwärme hunderte Gigawatt thermischer Leistung erreichen könnte – entsprechend der Leistung vieler großer Kraftwerke. Das meiste davon verschwindet derzeit in Luft oder Wasser. Die chinesische Schätzung, wonach 10–27 % des nationalen Energieverbrauchs als Wärme verloren gehen, umfasst wahrscheinlich viele Branchen und Annahmen; selbst am unteren Ende ist die absolute Zahl enorm.

Alles davon zu erschließen ist unrealistisch. Vieles liegt zu weit weg von der Nachfrage, ist zu niedrig temperiert oder fällt nur klein und intermittierend an. Aber jeder Prozentpunkt, der im großen Maßstab zurückgewonnen wird, bedeutet weniger Brennstoffimporte, weniger Emissionshandel und mehr Spielraum für das Stromnetz, um Elektrifizierung an anderer Stelle zu verkraften.

Ein Stahlwerk der Zukunft könnte weniger Gasverträge abschließen – nicht weil es seinen Kernprozess geändert hat, sondern weil es begonnen hat, der leisen Energie zuzuhören, die in seinen eigenen Rohrleitungen summt.

Risiken, Zielkonflikte und praktische Kopfschmerzen

Thermoakustische Technologie lebt bislang vor allem in Forschungslaboren und in wenigen Demonstratoren. Der Sprung von polierten Fachartikeln in schmutzige Gießereien wirft neue Fragen auf.

• Haltbarkeitsrisiko: akustische Ermüdung und Hochtemperaturkorrosion könnten Bauteile schneller angreifen als Modelle vorhersagen.
• Regelungskomplexität: Resonanzbedingungen stabil zu halten, während der vorgelagerte Prozess schwankt, kann Regelungssysteme überfordern.
• Wirtschaftliches Risiko: kapitalintensive Hardware muss mit günstigen, vertrauten Gasbrennern konkurrieren, deren Kosten Betriebsleiter gut kennen.
• Lärmschutz: obwohl der Schall eingeschlossen ist, könnten Leckagen oder Ausfälle extremen Lärm erzeugen – was Sicherheitsvorschriften streng prüfen würden.

Chinesische Teams experimentieren bereits mit unterschiedlichen Stack-Materialien, keramischen Strukturen und fortschrittlichen Legierungen, um diese Punkte anzugehen. Simulationswerkzeuge aus der Akustik, Strömungsmechanik und Materialwissenschaft erleichtern es inzwischen, Designs zu „stresstesten“, bevor überhaupt Metall geschnitten wird.

Warum das über Chinas Grenzen hinaus wichtig ist

Wenn China thermoakustische Wärmepumpen zu einer robusten Produktlinie entwickeln kann, würde der Effekt weit über seine Industrieparks hinausreichen. Schwerindustrie in Europa, Nordamerika und dem Nahen Osten steht unter CO₂-Bepreisung, grünen Beschaffungsregeln und Investorendruck. Viele dieser Anlagen teilen dieselbe Physik: heiße Öfen, warme Abgase und strenge Temperaturanforderungen.

Eine kommerziell verfügbare „nicht rotierende“ Wärmepumpe, die sich in vorhandene Rohrleitungen einklinkt und 150 °C Abgas nutzt, um 250–400 °C nutzbare Wärme zu erzeugen, würde Anlagenbetreibern plötzlich einen neuen Hebel geben. Statt den gesamten Prozess neu zu entwerfen, könnten sie eine thermische Aufwertungsstufe nachrüsten. Das löst nicht jedes Klimaproblem, aber es eröffnet einen weiteren Pfad, auf dem Physik und Wirtschaftlichkeit zusammenfinden könnten.

Hinter den Schlagzeilen über schallgetriebene Pumpen steckt ein breiterer Wandel. Ingenieurinnen und Ingenieure beginnen, Wärme selbst als Ressource zu behandeln, die man managen, speichern, aufwerten und handeln kann – statt als wegwerfbares Nebenprodukt. Von thermischen Batterien über Hochtemperaturkeramik bis hin zur Thermoakustik läuft das Rennen, aus jedem Joule mehr herauszuholen. Das – genauso wie jeder einzelne Durchbruch – wird mitentscheiden, welche Industrieakteure in einer Welt bestehen, die jede Tonne Kohlenstoff zählt.