Großwärmepumpen nutzen thermische Energie aus einer beliebigen Wärmequelle auf einem geringen Temperaturniveau und machen diese auf einem höheren Temperaturniveau für die weitere Verwendung in der Fernwärme nutzbar. Möglich wird dies durch einen Kältemittelkreis mit entsprechenden Wärmeübertragern - ausgeführt als Verdampfer und Kondensator. In der Regel werden diese Anlagen mit Strom betrieben, weshalb Wärmepumpen sich auch ideal als Technologie der Sektorenkopplung eignen. 

Die Möglichkeiten der Wärmequellen sind nahezu endlos. So eignen sich bspw. Umweltwärmequellen wie Luft, Flusswasser, Seen oder auch Grundwasser. Aber auch andere klimaschonende Wärmequellen wie Klarwasser (gereinigtes Abwasser), Abwärme aus Rechenzentren oder Abwärme aus anderen gewerblichen und industriellen Prozessen kommen in Frage. Aufgrund der besonders hohen Effizienz ist diese Technologie ein wichtiger Baustein der Wärmewende.

Bei der Tiefen-Geothermie - genauer der hydrothermalen Tiefen-Geothermie - kann die Wärme aus Thermalwasser in mehreren Tausend Metern Tiefe zur Versorgung der Fernwärmekunden genutzt werden. Die Temperatur des Thermalwassers kann dabei bis zu 140 ºC betragen und eignet sich somit sehr gut für die Wärmeversorgung. Durch sogenannte Saugbohrungen wird das Wasser an die Oberfläche in die Heizzentrale gefördert, wo es die Wärme an das angeschlossene Wärmenetz abgibt. Das abgekühlte Wasser wird durch Sickerbohrungen wieder dem Erdreich zugeführt, um unterirdisch eine gleichbleibende Wassermenge zu gewährleisten. Durch die Wärme im Inneren der Erde wird das zurückgeführte Wasser wieder aufgeheizt. Der Pumpstromaufwand, der zur Beförderung der Wassermengen benötigt wird, ist um ein Vielfaches kleiner als die so gewonnene Wärmemenge.

Solarthermische Anlagen, wie man sie bereits häufig auf Hausdächern sieht, eignen sich ebenfalls für die großflächige Anwendung in der Fernwärme. Solaranlagen nutzen die Strahlungsenergie der Sonne und wandeln diese emissionsfrei in Nutzwärme um. Hierfür werden die Kollaktoren von Wasser oder einem Wasser-Glycol-Gemisch durchströmt, wobei sich die Temperatur stetig erhöht. Über einen Wärmeübertrager kann die thermische Energie aus dem Solarkollektor-Feld in das Wärmenetz eingespeist werden. Durch die Verwendung großer Anlagen lassen sich wichtige Skaleneffekte nutzen, die im kleinen Maßstab nicht genutzt werden können. Solarthermische Anlagen in der Fernwärme können wenige hundert bis mehrere tausend Quadratmeter Kollektorfläche aufweisen.

Die Produkte aus der Industrie oder dem Gewerbe sind fester Bestandteil des täglichen Lebens - größtenteils unbewusst. Bei den notwendigen Prozessen zur Herstellung von beispielsweise Stahl und Benzin oder der Bereitstellung von Rechenleistung in Rechenzentren entsteht häufig Abwärme als ein unerwünschtes Nebenprodukt. Über Wärmeübertrager kann diese Abwärme in ein Wärmenetz eingebunden werden, statt wie bisher mit hohem Aufwand "weggekühlt" zu werden und in die Umwelt zu gelangen. Liegt die Abwärme prozessbedingt auf einem vergleichsweise geringen Temperaturniveau vor, kann durch zusätzliche Nutzung einer Wärmepumpe die Temperatur auf das nötige Niveau angehoben werden. Abwärme kann in Wärmenetzen effektiv recycelt werden und damit Teil eines klimafreundlichen Erzeugerparks sein.