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Eisspeicher

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Definition: ein Niedertemperatur-Wärmespeicher, der zusammen mit einer Wärmepumpe betrieben wird und die Kristallisationswärme des Eises nutzt

Englisch: ice storage

Kategorien: erneuerbare Energie, Haustechnik, Wärme und Kälte

Autor: Dr. Rüdiger Paschotta

Wie man zitiert; zusätzliche Literatur vorschlagen

Ursprüngliche Erstellung: 25.09.2012; letzte Änderung: 13.08.2016

Wenn Wärme in einem konventionellen Warmwasserspeicher (oder Heizungs-Pufferspeicher) gespeichert wird, muss dieser Speicher eine gute Wärmedämmung haben, damit er nicht zu viel Wärme verliert. Dies ist insbesondere dann ein Problem, wenn ein großer Wärmespeicher betrieben werden soll, um als saisonaler Speicher zu dienen – beispielsweise um im Sommer überschüssige Wärme von einer thermischen Solaranlage (→ Solarthermie) aufzunehmen und im Herbst oder Winter wieder abzugeben. Bei einem so großen Wärmespeicher wird die Wärmedämmung nämlich recht aufwendig, insbesondere wenn er wegen seiner Größe außerhalb eines Gebäudes aufgestellt werden soll.

Das Konzept des Eisspeichers

solares Eisspeicher-System

Abbildung 1: Funktion eines solaren Eisspeicher-Systems. Sonnenkollektoren speisen Wärme in den im Garten vergrabenen Eisspeicher ein, der zusätzlich auch Wärme aus dem Erdreich aufnehmen kann. Eine Wärmepumpe entnimmt dem relativ kalten Speicher Wärme für Heizung und Warmwasser. Ein Teil der gewonnenen Wärme kann auch (hier nicht gezeigt) direkt genutzt werden.

Das Konzept des Eisspeichers löst dieses Problem folgendermaßen. Hier wird der Speicher, der einfach Leitungswasser enthält, bei niedrigen Temperaturen betrieben, z. B. zwischen 0 und 20 °C. Auf eine Wärmedämmung wird komplett verzichtet; der Speicher (eine Zisterne) wird einfach oberflächennah in die Erde eingegraben, so dass das untere Ende z. B. 4 Meter unter der Erdoberfläche liegt, und wird nach oben hin mit etwas Erde bedeckt. Da das niedrige Temperaturniveau des Speichers für eine direkte Nutzung für eine Zentralheizung und für Warmwasser nicht ausreicht, wird die Wärme mit Hilfe einer Wärmepumpe entnommen. Diese schickt eine abgekühlte Sole (z. B. ein frostsicheres Glykol/Wasser-Gemisch) durch einen langen Kunststoffschlauch im Wassertank; der Schlauch fungiert dort als Wärmeübertrager. Wenn das Wasser im Speicher auf 0 °C abgekühlt ist, beginnt es zu gefrieren. Beim Gefrieren wird latente Wärme frei: Bei stetiger Wärmeentnahme bleibt die Temperatur konstant bei 0 °C, sinkt also nicht weiter ab; stattdessen friert ein immer größerer Teil des Wassers ein. Erst wenn alles Wasser gefroren ist, sinkt die Temperatur dann weiter. Dieses Bild ist zwar etwas idealisiert, da die Wärmeleitung im Wasser und Eis Temperaturunterschiede nicht sofort ausgleichen kann, beschreibt die Vorgänge jedoch einfach und hinreichend genau.

Es erscheint paradox, dass ausgerechnet ein halb vereister Wassertank als Wärmespeicher dienen soll. Mit einer Wärmepumpe wird dies jedoch möglich.

Obwohl die Wärmepumpe selbst dem ganz eingefrorenen Speicher immer noch Wärme entziehen kann, wird ihre Leistungszahl und damit die Energieeffizienz dann abfallen. Der Speicher muss also irgendwann wieder “aufgeladen” (regeneriert) werden, wobei zum Schmelzen des Eises wieder entsprechende Wärmemengen zugeführt werden. Hierfür gibt es verschiedene Möglichkeiten:

Es wird deutlich, dass Eisspeicher vor allem für die Nutzung erneuerbarer Energie interessant sind, allerdings auch für Abwärme aus verschiedenen Quellen. Insofern bietet das Eisspeicher-Konzept Möglichkeiten, um die Abhängigkeit von fossilen Energieträgern zu reduzieren und Klimaschutz zu betreiben.

Wenn ein Eisspeicher hauptsächlich mithilfe von Sonnenenergie regeneriert wird, wird er auch als Solar-Eis-Speicher oder Solareis-System bezeichnet.

Vergleich mit herkömmlichen Sonnenkollektor- und Speichersystemen

Es liegt zunächst nahe, das Eisspeicher-Konzept mit dem herkömmlicher Sonnenkollektor- und Speichersysteme zu vergleichen. Die hauptsächlichen Vorteile des Eisspeicher-Konzepts sind dann die folgenden:

Die Entnahme von Wärme aus dem Eisspeicher erfordert leider Antriebsenergie für die Wärmepumpe. Deswegen ist dieses System einem anderen Wärmepumpensystem vom Nutzen her ähnlicher als einem Wärmespeicher, der bei höherer Temperatur arbeitet.

Dem steht offenkundig der wesentliche Nachteil (im Vergleich mit einem konventionellen Wärmespeicher bei höherer Temperatur) entgegen, dass zur Wärmeentnahme aus dem Speicher eine Wärmepumpe benötigt wird, die natürlich erhebliche Mengen wertvoller Antriebsenergie (in der Regel elektrische Energie) verbraucht. (Herkömmliche Sonnenkollektoranlagen benötigen nur geringe Mengen elektrischer Energie zum Antrieb von Pumpen und zum Betrieb einer elektronischen Steuerung.)

Der angemessenere Vergleich ist deswegen nicht der mit einer reinen Solarheizung, sondern vielmehr der mit anderen Arten von Wärmepumpen-Systemen (bzw. Wärmequellen für Wärmepumpen), wie im nächsten Abschnitt behandelt. Allein aufgrund der höheren Wärmeausbeute der Kollektoren von einer höheren Effizienz zu sprechen, ohne den zusätzlichen Bedarf an elektrischer Energie zu beachten, ist irreführend.

Im Prinzip kann ein Eisspeicher auch mit einer Gas-Adsorptionswärmepumpe oder Gas-Absorptionswärmepumpe kombiniert werden. Wenn ein solches Gerät einen Gas-Heizkessel ersetzt, kann dem Eisspeicher auch ohne zusätzliche elektrische Antriebsenergie Wärme entzogen werden. Allerdings verbleibt dann ein erheblicher Verbrauch von Erdgas. Die Energieeffizienz ist höher, wenn das Erdgas verstromt wird, um eine Elektrowärmepumpe anzutreiben.

Vergleich mit anderen Wärmepumpen-Systemen

Das Eisspeicher-System kann als eine Alternative zu Wärmepumpen-Systemen mit anderen Arten von Wärmequellen angesehen werden:

Systeme mit Erdwärmesonden sind dem Eisspeicher ähnlich: Sie arbeiten bei ähnlichen Temperaturen, auch wenn latente Wärme von Wasser hier eine geringere Rolle spielt.

Wenn das Eisspeichersystem einen deutlichen energetischen Vorteil gegenüber klassischen Arten der Wärmepumpenheizung aufweisen soll, muss die Anlage mit großzügig bemessenen Sonnenkollektoren versehen werden, so dass der Speicher oft ganz aufgetaut und deutlich wärmer als 0 °C ist. Die Nutzung der erhöhten Speicherkapazität durch latente Wärme erfolgt allerdings nur bei 0 °C. Deswegen muss tendenziell auch die Speichergröße erhöht werden, um oft bei höheren Temperaturen arbeiten zu können.

Nutzung von Kälte

Sehr vorteilhaft ist die zusätzliche Nutzung von Kälte aus einem Eisspeicher. Es ist insbesondere möglich, dem Speicher im Sommer für die Klimatisierung eines Gebäudes Kälte zu entnehmen – mit anderen Worten, überschüssige Wärme einzuleiten. So erzielt man einerseits eine quasi kostenlose Kühlung (“freie Kühlung”), und andererseits wird der Eisspeicher regeneriert, so dass später wieder mehr Wärme entnommen werden kann. Der Kühlbetrieb kann daher am Ende netto sogar mehr Energie einsparen, als er erfordert.

Einfluss verschiedener Randbedingungen

Diverse Randbedingungen beeinflussen die Effizienz und die Machbarkeit eines Eisspeicher-Wärmepumpensystems:

Ein Zahlenbeispiel

Als Beispiel betrachte man ein Einfamilienhaus mit Wärmedämmung, welches etwa der Energieeinspar-Verordnung (EnEV) 2009 für Neubauten entspricht. An einem kalten Wintertag benötigt das Haus 120 Kilowattstunden Wärme für Heizung und Warmwasser, und der jährliche Wärmebedarf beträgt 15 000 kWh, entsprechend rund 1500 Litern Heizöl.

Ein gut wärmegedämmtes Einfamilienhaus kann pro Kubikmeter Tankvolumen grob geschätzt einen Wintertag überbrücken. Mit 50 bis 100 Kubikmetern lässt sich also schon viel erreichen, denn auch im Winter gibt es gelegentlich schönes Wetter, das die Nachladung des Speichers erlaubt.

Die Schmelzenthalpie von Wasser beträgt 333 kJ/kg; dies entspricht etwa der Wärmemenge, die für die Aufheizung des Wassers von 0 °C auf 80 °C nötig wäre. Dies bedeutet, dass der größte Teil des Wärmespeichervermögens des Eisspeichers durch die latente Wärme beim Gefrieren zustande kommt, und dass damit pro Kubikmeter Speichervolumen (entsprechend rund 900 kg) eine Wärmemenge von 300 MJ = 83 kWh gespeichert werden kann. Das genannte Haus benötigt also knapp 1,5 Kubikmeter Speichervolumen, um einen kalten Wintertag ohne solare Wärmegewinne zu überbrücken. Nachdem besonders kalte Wintertage aber eher sonnig sind, genügt im Mittel weniger - z. B. rund 1 Kubikmeter pro Tag.

Wenn ein saisonaler Speicher realisiert werden soll, der die Nutzung überschüssiger Wärme vom Sommer zum Heizen im Herbst und Winter erlaubt, wird ein Speichervolumen in der Größenordnung von 50 bis 100 m3 benötigt. Dieses würde für 100 m3 eine Wärmemenge von 100 · 83 kWh = 8300 kWh speichern können, d. h. gut die Hälfte des jährlichen Gesamtwärmeverbrauchs und damit einen wesentlichen Teil des Verbrauchs im Winter. Auch ein Speichervolumen von 50 m3 würde genügen unter der Annahme, dass großzügig ausgelegte und günstig ausgerichtete Sonnenkollektoren auch im Winter einen wesentlichen Ertrag bringen. Dass der solare Ertrag an etlichen trüben Tagen sehr niedrig ist, stört angesichts des großen Speichers relativ wenig.

Ein Speichervolumen von 50 m3 würde z. B. mit einem zylinderförmigen Speicher erreicht, dessen Höhe und Durchmesser 4 m betragen. Speicher dieser Größe sind auch auf nicht allzu großen Grundstücken gut realisierbar.

Wenn das Haus über eine Fußbodenheizung verfügt, kann der größte Teil des Wärmebedarfs auf einem Temperaturniveau von ca. 30 °C gedeckt werden. Die Jahresarbeitszahl einer sehr guten Wärmepumpe kann dann in der Größenordnung von 5 liegen. (Physikalisch wäre sogar ein Wert von 10 möglich, aber heutige Wärmepumpen schöpfen das theoretische Potenzial nicht annähernd aus.) Mit einer Jahresarbeitszahl von 5 würde der jährliche Wärmeverbrauch von 15 000 kWh mit 3000 kWh elektrischer Energie gedeckt; eine schlechtere Wärmepumpe würde hierfür allerdings mehr benötigen, z. B. 4000 kWh. Diese grobe Abschätzung berücksichtigt diverse Details nicht, gibt aber einen guten Anhaltspunkt.

Wenn 4000 kWh mit einem Wärmepumpen-Stromtarif von 20 Cent/kWh bezogen werden, ergibt dies jährliche Stromkosten von 800 € (ohne Grundpreis). (Für die effizientere Wärmepumpe wären es 600 €.) Hiermit verglichen würden 15 000 kWh, die in einem modernen Brennwertkessel mit 95 % Wirkungsgrad aus Erdgas erzeugt werden, bei einem Gastarif von 6,5 Cent/kWh jährliche Brennstoffkosten von 1026 € verursachen. (Die Stromkosten der Gasheizung in der Größenordnung von 100 € können für den Vergleich vernachlässigt werden, da ähnliche Kosten durch Pumpen u. ä. beim Eisspeicher anfallen dürften.) Das Eisspeicher-System weist also klar niedrigere Betriebskosten aus, wobei die Kostendifferenz je nach Energiepreisentwicklung auch noch deutlich zunehmen könnte, und auch bei Vergleich mit einer Ölheizung noch größer wäre. Andererseits macht es eine Einsparung von wenigen hundert Euro pro Jahr schwierig, die erheblichen Investitionskosten zu amortisieren. Der Bau eines Eisspeicher-Systems bietet sich im Wesentlichen dann an, wenn ohnehin die Heizungsanlage erneuert werden müsste.

Ein ungedämmtes Haus bräuchte einen wesentlich größeren Eisspeicher, der die die Kosten hochtreibt, obwohl andererseits höhere Betriebskosten eingespart werden können.

Für ein ungedämmtes (älteres) Einfamilienhaus wäre ein wesentlich größerer Speicher nötig, wenn das Eisspeichersystem den Wärmebedarf komplett oder weitgehend decken sollte. Der tägliche Wärmebedarf beträgt dann nämlich etliche hundert Kilowattstunden, entsprechend mehreren Kubikmeter Speichervolumen. Der Bedarf an elektrischer Energie für die Wärmepumpe wäre natürlich ebenfalls entsprechend höher. Dasselbe gilt aber auch für andere Heizungssysteme, z. B. mit Erdgas; die mögliche Betriebskosteneinsparung pro Jahr könnte dann leicht weit über 1000 € liegen. Bei den Investitionskosten wird die Differenz zu einer Gasheizung aber auch wesentlich höher.

Ein umfassender Kostenvergleich ist nicht ohne Berücksichtigung der detaillierten Verhältnisse im konkreten Fall möglich. Besonders wichtige Faktoren sind die für die Heizung benötigte Vorlauftemperatur, die benötigte Menge an Heizwärme und die Verfügbarkeit geeigneter Flächen für die Sonnenkollektoren. Ebenfalls sind alternative Lösungen wie eine Erdsondenheizung nicht an jedem Standort möglich. Ein weiterer wichtiger, aber unsicherer Faktor sind die zukünftigen Preise für elektrische Energie und z. B. Erdgas.

Literatur

[1]Blog-Artikel: Eisspeicherheizung - die clevere neue Art der Solarheizung?

(Zusätzliche Literatur vorschlagen)

Siehe auch: Wärmespeicher, saisonaler Energiespeicher, Energiespeicher, Wärmepumpe, latente Wärme, Sonnenkollektor, Solarthermie
sowie andere Artikel in den Kategorien erneuerbare Energie, Haustechnik, Wärme und Kälte

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