Bei der CO2-Wärmepumpe, die vorwiegend in der Industrie zum Einsatz kommt, wird CO2 als Kältemittel R744 verwendet. Mit dieser Art von Wärmepumpe können aus einer Eingangstemperatur von 35 °C Vorlauftemperaturen von bis zu 90 °C erzeugt werden. Industrielle Abwärme, Kühl- oder Abwässer dienen dabei als Wärmequellen für die CO2-Wärmepumpe, die eine effiziente Wärmerückgewinnung ermöglicht. Aufgrund des hohen Isentropenexponenten des CO2 kann das aus dem Verdichter austretende Druckgas, je nach Auslegung der Anlagenkomponenten, bis zu 150 °C betragen.
Bei der Verwendung als Wärmepumpen-Kältemittel hat CO2 in geschlossenen Kreisläufen einen vernachlässigbaren direkten Treibhauseffekt (GWP* = 1). Es ist nicht brennbar, chemisch inaktiv und schwerer als Luft.
CO2 als Kältemittel in Wärmepumpen zeichnet sich durch eine ganze Reihe physikalischer Eigenschaften besonders im Hinblick auf die Energieeffizienz aus. CO2 hat einen vergleichsweise hohen Wert bei der spezifischen Verdampfungsenthalpie. Das ist die Wärmemenge, die erforderlich ist, um 1 kg Kältemittel bei gleichbleibender Temperatur zu verdampfen. Auch lassen sich aus der volumetrischen Kälteleistung, die von den stofflichen Eigenschaften des CO2 abhängt, erhebliche Abweichungen in der Heizleistung ableiten. Die volumetrische Kälteleistung stellt dar, wie viel Kälteleistung mit 1 m3 Kältemittel theoretisch realisiert werden kann. Je größer dieser Wert ist, umso weniger Kältemittel muss für eine bestimmte Heizleistung umgewälzt werden. Das heißt wiederrum, dass dadurch auch Energieverluste in Anlagenkomponenten der Wärmepumpe sinken.
Da der Einsatz von CO2 in Wärmepumpen einen höheren technischen Aufwand gegenüber synthetischen Kältemitteln erfordert und damit auch zu höheren Kosten führt, wird CO2 hauptsächlich in Großwärmepumpen mit einer Heiz- bzw. Kälteleistung über ca. 100 kW eingesetzt. In dieser Größenordnung rechtfertigen die Effizienzvorteile den notwendigen erhöhten Investitionsbedarf. Meist amortisieren sich die Kosten innerhalb von zwei bis fünf Jahren gegenüber Wärmepumpen mit synthetischen Kältemitteln.