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Eisspeicher

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

Das Konzept des Eisspeichers löst dieses Problem folgendermaßen. Als Speicher dient ein großer Wassertank, der bei niedrigen Temperaturen betrieben wird, z. B. zwischen 0 und 30 °C. Auf eine Wärmedämmung wird komplett verzichtet; der Speicher (eine Art 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. Das Ganze kann z. B. unter einer Garageneinfahrt liegen. 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. Bei konventionellen Wärmepumpenheizungen würde die Wärme z. B. einer Erdwärmesonde oder einem Erdregister entzogen; hier ist es stattdessen der Eisspeicher.

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.

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:

• Im Sommer kann Wärme von Sonnenkollektoren eingeleitet werden – entweder überschüssige Wärme von Kollektoren, die sonst direkt Warmwasser liefern, oder von speziell hierfür aufgestellten Kollektoren. Selbst im Winter können einfache, kaum oder gar nicht wärmegedämmte Sonnenkollektoren den Speicher beladen, da die dazu nötige Temperatur sehr niedrig ist.
• Sogar die Außenluft kann zum Regenerieren verwendet werden, solange sie wärmer ist als der Speicher (was auch im Winter immer wieder vorkommt). Beispielsweise kann dies über einen Luft-Wärmeübertrager mit einem laufruhigen Ventilator geschehen, der von einer Regelung automatisch bei ausreichend hoher Außentemperatur aktiviert wird.
• Wo Abwärme zur Verfügung steht, etwa von Abwässern oder Abluft einer Lüftungsanlage, kann auch diese genutzt werden.
• Solange der Speicher kälter ist als das umgebende Erdreich, dringt von dort Wärme ein. (Andererseits werden aber auch Wärmeverluste auftreten, wenn der Speicher im Sommer mit überschüssiger Wärme aufgeladen wird.) Man beachte, dass die Temperatur im Erdreich in Mitteleuropa selbst in geringer Tiefe natürlicherweise kaum unter 0 °C abfällt. Wenn das Erdreich über dem Speicher durch Sonneneinstrahlung erwärmt wird, wird dieser Effekt natürlich verstärkt.

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:

• Wie erwähnt kann die Wärmedämmung des Speichers komplett entfallen, was die Kosten reduziert. Der Speicher kann sehr einfach gebaut werden, so dass er bei gleichen Kosten wesentlich größer werden kann. Sogar ein saisonaler Speicher für ein Einfamilienhaus lässt sich damit realisieren, während saisonale Warmwasserspeicher nur in wesentlich größeren Einheiten (z. B. für ganze Siedlungen) praktikabel sind.
• Bei gleicher Größe hat der Eisspeicher eine höhere Wärmespeicherkapazität, da die latente Wärme genutzt wird.
• Wegen des niedrigen Temperaturniveaus können vielfältigere und einfachere Wärmequellen zur Aufladung des Speichers genutzt werden – wie oben erwähnt z. B. sehr einfache Sonnenkollektoren ohne Wärmedämmung oder zumindest an milden bis warmen Tagen auch die Außenluft.

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-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 arbeiten mit ähnlichen Soletemperaturen und deswegen mit ähnlichen Leistungszahlen und Jahresarbeitszahlen wie Eisspeicher-Systeme, solange diese bei 0 °C betrieben werden. Bei einer großzügigen Ausstattung mit Sonnenkollektoren für die Regeneration des Eisspeichers kann dessen Temperatur öfters auch deutlich höher sein, und dann sind höhere Jahresarbeitszahlen möglich. Auf der Seite des Aufwands ist der Bau eines voluminösen Eisspeichers und Einrichtungen für dessen Wiederaufladung (z. B. einfachen Sonnenkollektoren) zu vergleichen mit der Verlegung einer oder mehrerer Erdsonden. Dieser Aufwand dürfte in der Regel bei der Eisspeicher-Lösung höher liegen. Auch Erdwärmesonden erlauben die Zwischenspeicherung überschüssiger Energie im Sommer, wobei hier der Eisspeicher tendenziell effizienter sein dürfte. Man beachte, dass Erdsonden wegen der Tiefenbohrung nicht überall installiert werden dürfen, während es für Eisspeicher kaum Einschränkungen gibt (auch nicht in Wasserschutzgebieten). Dafür belegt ein Erdwärmesondensystem keinerlei Dachfläche.
• Systeme mit Erdwärmekörben sind bezüglich der Einbautiefe und des Arbeitsablaufs beim Einbau einem Eisspeichersystem ähnlicher, wobei allerdings ein Eisspeicher ähnlicher Größe mehrere Erdwärmekörbe ersetzen kann. Die wesentlichen Unterschiede bestehen darin, dass bei Erdwärmekörben die latente Wärme des Eises bzw. Wassers nicht (bzw. kaum) genutzt werden kann, und dass der Eisspeicher durch die Zusatzeinrichtungen gezielter regeneriert wird.
• Systeme mit oberflächennahen Erdregistern belegen wesentlich größere Flächen und haben wiederum ähnliche energetische Eigenschaften wie Erdwärmekörbe. Ihr Einbau dürfte wegen der großen Fläche wesentlich aufwendiger sein und kommt kaum in Frage, wenn auf der Fläche schon ein Garten oder eine Hoffläche angelegt ist; es ist eher eine Option, wenn ein Grundstück neu erschlossen wird.
• Grundwasser-Wärmepumpen nutzen eine Wärmequelle mit tendenziell etwas höherer Temperatur, könnten also etwas höhere Leistungszahlen der Wärmepumpe ermöglichen. Allerdings ist der energetische Vorteil nicht sicher, da der Stromverbrauch für die Grundwasserpumpe erheblich sein kann. Wegen des Aufwands für den Bau eines Grundwasserbrunnens ist eine solche Lösung eher für große Anlagen angemessen, während Eisspeicher auch für Einfamilienhäuser in Frage kommen.
• Luft/Wasser-Wärmepumpen (mit Nutzung von Außenluft) erlauben ein wesentlich einfacheres und daher billigeres System (ohne Speicher, Kollektoren etc.). Jedoch leidet ihre Energieeffizienz darunter, dass die Außenluft gerade dann sehr kalt ist, wenn der Wärmebedarf am höchsten ist. Ihre Jahresarbeitszahl ist deswegen in der Regel erheblich geringer (meist nicht höher als ca. 3) als die für ein Eisspeicher-System (z. B. bei 4 bis 5, beides für Niedertemperaturheizung).

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 über das Jahr gerechnet sogar wesentlich mehr Energie einsparen, als er erfordert. Und dieser Energieaufwand könnte sogar größtenteils mit Photovoltaik gedeckt werden, da er ja nur an heißen Tagen entsteht.

Einfluss verschiedener Randbedingungen

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

• Wie bei allen Wärmepumpensystemen ist die erreichbare Jahresarbeitszahl umso höher, je niedriger die benötigte Temperatur der Nutzwärme ist. Bei Zentralheizungsanlagen ist dies die Vorlauftemperatur. Flächenheizungen wie z. B. Fußbodenheizungen oder Wandheizungen sind hier wesentlich vorteilhafter als konventionelle Heizkörper, besonders wenn diese knapp bemessen sind und das Haus über keine gute Wärmedämmung verfügt.
• Die Größe des Wärmebedarfs beeinflusst natürlich die nötige Größe des Speichers und der Kollektoren. Auch deswegen kann die Realisierung erheblich kostengünstiger werden, wenn das Haus gut wärmegedämmt ist.
• Es wird im Freien etwas Platz benötigt, um den Eisspeicher einzubauen – möglichst in der Nähe des Heizkellers (wobei die Distanz bezüglich Wärmeverlusten der Leitungen nicht kritisch ist). Die benötigte zugängliche Fläche ist freilich moderat (für ein wärmegedämmtes Einfamilienhaus z. B. rund 10 Quadratmeter) und ist nach dem Einbau auch wieder anders nutzbar.
• Für die Sonnenkollektoren, mit denen der Speicher regeneriert wird, muss ein geeigneter Ort vorhanden sein, möglichst mit guter Südausrichtung. Ein relativ steiles Dach ist günstig, um die Wärmeausbeute im Winter zu maximieren. (Bei großzügiger Bemessung ist der Verlust an Effizienz im Hochsommer weniger relevant.) Bei knappen Flächen kann ergänzend die Außenluft verwendet werden.
• Wie oben erwähnt vergrößert die zusätzliche Nutzung von Kälte z. B. für die sommerliche Klimatisierung den Nutzen eines Eisspeichersystems erheblich.

Ein Zahlenbeispiel

Als Beispiel betrachte man ein energetisch saniertes Einfamilienhaus (210 m² Wohnfläche) mit einigermaßen guter 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.

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.

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.

Natürlich ist die Kapazität eines Speichers der wichtigste Aspekt. Stattdessen geben Hersteller manchmal die entnehmbare Heizleistung an, was leider ziemlich irreführend sein kann. Schließlich hilft es nicht, wenn die für ein Haus nötige Heizleistung zwar prinzipiell entnehmbar ist, der Speicher dann aber innerhalb zu kurzer Zeit völlig einfriert.

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.

Von außen sichtbare Eisspeicher

Ein Eisspeicher muss nicht unbedingt als eine von außen unsichtbare Zisterne ausgeführt werden, die beispielsweise unter einer Garagenzufahrt eingebaut ist. Es gibt nämlich auch Speicher, die bis an die Oberfläche reichen und optisch so ansprechend gestaltet sind, dass sie z. B. in eine Rasenfläche integriert werden können und dabei die Optik eines Vorgartens aufwerten.

Siehe auch: Wärmespeicher, saisonaler Energiespeicher, Energiespeicher, Wärmepumpe, latente Wärme, Sonnenkollektor, Solarthermie