Eisspeicher – Energie aus erneuerbaren Quellen effizient aufbewahren
Wer hat sich schon einmal gefragt, warum ein paar Eiswürfel ausreichen, um ein ganzes Getränk auf angenehme Trinktemperatur herunterzukühlen? Und wie lässt sich dieses Phänomen für die Wärme- und Kälteversorgung von Gebäuden zu Nutze machen? Die Antwort: Mithilfe eines Eisspeichers. Im Zeitalter von Wärmepumpen und erneuerbaren Wärmequellen erfreuen sich Eisspeicher immer größerer Beliebtheit. Sie dienen dem Zweck, Wärme und Kälte zu speichern und können so Fluktuationen in Angebot und Nachfrage ausgleichen. Dadurch werden Effizienz und Wirtschaftlichkeit von Heizungs- und Kälteanlagen gesteigert.
Eis: Hohe Speicherdichte
Kälte in Form von Eis zu speichern, hat sich seit Jahrtausenden bewährt. Schon die Ägypter und Römer haben mit Eis gehandelt, um es für die Konservierung von Lebensmitteln oder im Brauereiwesen zu verwenden. Später wurde das im Winter auf Seen geschlagene Eis in Eiskellern gelagert und ganzjährig aufbewahrt.
Wenn Eis auftaut und sich vom festen in den flüssigen Aggregatzustand wandelt, nimmt es Energie auf. Ziemlich viel Energie. Diese Energiemenge, Kristallisationsenergie genannt, entspricht dem Erwärmen von Wasser von 0°C auf 80°C. Auf kleinem Raum kann also durch diesen Phasenübergang eine große Energiemenge gespeichert werden.
Umgekehrt ist es möglich, dem flüssigen Wasser Wärme zu entziehen, bis es vollständig vereist ist. Dadurch lässt sich unser Getränk im Sommer durch ein paar Eiswürfel signifikant abkühlen. Die Wärme, die für das Tauen der Eiswürfel notwendig ist, wird dem Getränk entzogen.
Wärmespeicher, die diesen Phasenwechsel nutzen, nennt man Latentwärmespeicher. Deren Speicherdichte liegt deutlich über der eines Speichers ohne Phasenwechsel (sensibler Wärmespeicher). Das wird in folgender Grafik veranschaulicht.
Das Speichervolumen kann grob um das 6-fache reduziert werden, da auf gleichem Raum mehr Energie gespeichert werden kann. Durch die hohe Speicherkapazität können Wärmequellen, z. B. Luftwärmetauscher oder Geothermie-Anlagen, sowie die Wärmepumpe kleiner dimensioniert werden.
Aufbau und Funktionsweise des Eisspeichers:
Der Eisspeicher besteht aus einem großen zylindrischen Behälter voller Wasser, durch den spiralförmige Rohre führen. Diese fungieren als Wärmeübertrager.
Die Rohre werden von einer Kühlflüssigkeit, auch Sole genannt, durchströmt. Deren Gefrierpunkt liegt deutlich unter 0°C. Ist die Sole-Temperatur niedriger als die des Wassers im Eisspeicher, gibt der Eisspeicher Wärme ab. Erreicht der Eisspeicher beim Abkühlen dann die 0°-Grenze, beginnt er zu gefrieren. Sobald der Speicher vollständig gefroren ist, kühlt er weiter ab bis irgendwann keine weitere Wärme entzogen werden kann. Dann muss der Eisspeicher erst wieder "regeneriert" werden. Dafür kommen günstige Wärmequellen in Betracht, wie z.B. Solarabsorber, Luftwärme oder Abwärme, die dem Speicher zugeführt werden. Zusätzlich wird der Speicher über die Außenwände durch die Umgebungswärme regeneriert. In der Regel werden Eisspeicher wie Zisternen in die Erde eingelassen. Es gibt keine Isolierung, sodass ein Wärmeaustausch mit dem Erdreich stattfindet. Die Regeneration erfolgt somit zu einem großen Teil kostenfrei.
Über 4°C dehnt sich Wasser mit zunehmender Temperatur aus, genauso wie andere Stoffe. Die Dichte nimmt also ab. Unter 4°C passiert jedoch das Gegenteil. Hier nimmt die Dichte mit sinkender Temperatur ab. Die Dichte ist also bei 4°C maximal. Daher frieren Seen von oben nach unten zu und am Grund eines Sees wird es nie kälter als 4°C. Diese Eigenschaft des Wassers sorgt im Eisspeicher dafür, dass das Wasser gut durchmischt wird. Das ist gut für den Regenerationsprozess und ein weiterer Vorteil gegenüber den klassischen Wärmespeichern.
Wärme aus Eis generieren:
Liegt ein Kühlbedarf vor, kann der Eisspeicher auch als Saisonal-Speicher verwendet werden. Dafür wird das in der Heizperiode erzeugte Eis konserviert und in den Sommermonaten für die Gebäudekühlung verwendet. Hierzu wird also keine zusätzliche Kältemaschine benötigt. Daher nennt man diesen Vorgang „natürliche Kühlung“. So wird der Eisspeicher aufgetaut, also regeneriert, und ist nach dem Sommer wieder bereit für den Winter, wenn dem Wasser wieder Wärme entzogen wird. Es findet also eine doppelte Nutzung des Eisspeichers statt: Wärmequelle im Winter und natürliche Kühlung im Sommer.
Aber wie lässt sich nun aus dem Eisspeicher Wärme generieren?
Das Geheimnis ist die Wärmpumpe. Hätten die Römer diese Technologie gekannt, hätten sie Eisspeicher vermutlich schon vor 2000 Jahren für ihre Fußbodenheizungen verwendet. Die durch die Sole entzogene Wärme liegt zwar auf einem niedrigem Temperatur-Niveau, oft unter 0°C. Mithilfe von Wärmepumpen kann die Wärme jedoch auf ein höheres Temperatur-Niveau gebracht und somit zum Heizen nutzbar gemacht werden. Je höher die Quelltemperatur, desto effizienter die Wärmepumpe. Bei Außentemperaturen unter 0°C wäre z. B. der Wärmebezug aus dem Eisspeicher effizienter als über einen Luftwärmetauscher.
Aktuelle Entwicklungen: Kleine Eisspeicher für Privathaushalte
Derzeit finden Eisspeicher hauptsächlich in großen Bauprojekten Verwendung und unterstützen die Wärmeversorgung von Stadtquartieren oder Bürogebäuden (siehe z. B. Projekt Lichtenau). Es gibt jedoch bereits Eisspeicher für den Hausgebrauch und hier tut sich gerade Einiges. Hier finden Sie unseren Blogbeitrag zum kleinen Eisspeicher EQS.
Im Folgenden nochmal zusammengefasst die Vorteile von Eisspeichern:
- Eisspeicher gewährleisten einen effizienten Wärmepumpenbetrieb, auch bei Eiseskälte.
- Kälte aus dem Winter wird im Sommer zur Kühlung eingesetzt
- Hohe Energiespeicherfähigkeit –Wärmepumpe und Quellen können kleiner dimensioniert werden.