Eisspeicher: Heizung und Kühlung mit Eis
Bei einer Solar-Eisspeicherheizung wird in einem unterirdischen Eisspeicher fortlaufend Wasser gefroren und wieder aufgetaut. Mit der dadurch gewonnenen Energie heizt und klimatisiert die Eisheizung kleine wie große Gebäude. Eine Wärmepumpe mit Eisspeicher zu kombinieren, bietet viele Vorteile, vor allem durch die umweltfreundliche Nutzung von Umwelt- und Sonnenenergie. Die Technik ist jedoch komplex und kostenintensiv in der Anschaffung.
Was ist ein Eisspeicher?
Eine Eisspeicherheizung ist eine in den frühen 2000er-Jahren entwickelte Technologie zur Energiegewinnung und zur temporären Speicherung von Wärmeenergie. Sie verbindet die Vorzüge eines Eisspeichers mit denen einer Wärmepumpe. In der Regel wird sie mit einer Sole-Wasser-Wärmepumpe betrieben. Diese macht die gespeicherte Energie aus der Umwelt für Heiz- und Kühlzwecke nutzbar. Das Besondere an einem Eisspeicher ist, dass er auch die Energie aus der Kälte, die aus dem Aggregatzustandswechsel von Wasser zu Eis kommt, ausschöpft. Eisspeicher zählen daher zu den sogenannten Latentwärmespeichern.
Während herkömmliche Wärmepumpen die Wärme aus einer natürlichen Quelle, wie Luft, Erdreich oder Wasser, gewinnen, kombiniert ein Eis-Energiespeicher-System vier Energiequellen, nämlich Umgebungsluft, solare Einstrahlung, Kristallisationsenergie und Erdwärme. Eisspeicher bieten eine gute Lösung, um saisonal flexibel Energie zu speichern, wenn zusätzliche Heizenergie benötigt wird und nur begrenzte Möglichkeiten für Erdwärme bestehen. Sie funktionieren aber nur ergänzend zur Wärmepumpen-Technologie. Hingegen sind Wärmepumpen auch monovalent, das heißt als alleinige Heizung, im Neubau- und Altbaubereich einsetzbar.
Aufbau einer Eispeicherheizung
In unmittelbarer Nähe zum Haus wird eine Zisterne, ein unterirdischer Wassertank, circa ein bis vier Meter tief in den Boden eingebaut. Dieser Behälter hat eine zylindrische Form, besteht meistens aus Beton und ist nicht zusätzlich isoliert. Passt man die Zisterne technisch an und integriert sie in ein Heizsystem, dient der einfache Wasserspeicher als Eisspeicher.
Der Eisspeicher ist fast vollständig mit Regenwasser gefüllt. Dieses dient als Energiespeichermedium. Im Inneren der Zisterne befinden sich spiralförmige Kunststoffrohre, durch die eine frostsichere Flüssigkeit fließt. Sie fungieren als Wärmetauscher. Zu- und Abflussleitungen verbinden den Wasser-Erdspeicher mit einer Wärmepumpe im Gebäude. Die Wärmepumpenheizung ist wiederum an einen Warmwasserspeicher und das Heizsystem angeschlossen.
Wie funktioniert ein Eisspeicher?
Eisspeicher speichern Energie in Form von Wasser. Bei einer Eisspeicherheizung zirkuliert ein Sole-Wasser-Gemisch, meist eine Mischung aus Wasser und Frostschutzmittel, durch das Rohrsystem innerhalb der Zisterne. Der Wärmetauscher hat die Aufgabe der Energieübertragung, indem er die im Wasser gespeicherte Wärme aufnimmt und sie zur Wärmepumpe im Gebäude transportiert.
Anschließend macht die Wärmepumpe die aufgenommene Umgebungswärme aus dem Eisspeicher nutzbar für die Heizung und Warmwasserversorgung. Das Prinzip basiert auf der effizienten Funktionsweise einer Wärmepumpe, bei der die Wärme aus der Umwelt auf ein Kältemittel übertragen wird und durch einen Kompressor verdichtet wird, um das Temperaturniveau anzuheben.
Unser Produktsortiment von Bosch umfasst keine Eisspeicherheizungen. Wir bieten jedoch eine breite Auswahl an bewährten Heizsystemen, die ebenfalls auf erneuerbaren Energien basieren und Ihnen effiziente, nachhaltige Lösungen für Ihre Heizbedürfnisse bieten.
Aufladen des Eisspeichers durch Wärmezufuhr
Damit die Wärmepumpe kontinuierlich Wärme aus der mit Wasser gefüllten Zisterne beziehen kann, muss diese regelmäßig mit externer Wärmeenergie versorgt werden. Ansonsten ist die gespeicherte Wärme mit der Zeit aufgebraucht. Das Wasser im Eisspeicher würde stetig abkühlen und bliebe in gefrorenem Zustand. Indem der Eisspeicher wieder auftaut, regeneriert er sich. Nur so stellt er in der nächsten Heizperiode erneut die maximal mögliche Energiemenge bereit. Der Aufwärmprozess ist unendlich wiederholbar.
Zwei Umweltquellen sorgen für die Regeneration des Eisspeichers:
- Solar-Luft-Absorber: Die Solarkollektoren auf dem Hausdach nehmen die Wärme aus der Sonne und der Umgebungsluft auf und führen diese über die Zirkulation des Sole-Gemisches, also die frostsichere Flüssigkeit, der Zisterne zu. Das lädt das Wärmereservoir des Eisspeichers auf.
- Natürliche Erdwärme: Da die Außenwände der Betonzisterne nicht gedämmt sind, dringt die Wärme aus dem umgebenden Erdreich leicht ein und erwärmt das Wasser zusätzlich – selbst im Winter herrschen hier Temperaturen über 0 °C.
Eine Wärmepumpe benötigt Strom zum Antrieb. Durch die Integration einer PV-Anlage ist das System aus Wärmepumpe mit Solar-Eisspeicher vollkommen energieautark. Die Solarzellen erzeugen kostenlosen Strom aus Sonnenlicht. Werden Photovoltaik und Solarthermie beziehungsweise Solar-Luft-Absorbern kombiniert, spricht man von einem Kraftdach, das die Strom- und Wärmeproduktion abdeckt.
Heizen mit Eis: Nutzung der latenten Wärme
Der Eisspeicher macht sich den physikalischen Effekt des Phasenwechsels von Wasser zu Eis zunutze, der bei 0 °C einsetzt. Sinkt die Wassertemperatur in der Zisterne, beginnt das Wasser allmählich von innen nach außen zu gefrieren. Wenn Wasser von flüssiger zu fester Form übergeht, setzt es eine große Menge an Energie frei – die sogenannte Kristallisationswärme. Dabei findet keine Temperaturveränderung statt. Das liegt daran, dass die beweglichen Wassermoleküle erstarren.
Diese latente Wärme (aus dem Lateinischen “verborgen”, “unsichtbar”) entspricht der Energie, die in etwa benötigt wird, um einen Liter Wasser von 0 °C auf 80 °C zu erhitzen. Es wird also das 80-fache an Energie freigesetzt! Die neu gewonnene Energie lässt sich zum Heizen eines Gebäudes nutzen, bis die Zisterne schließlich komplett vereist und zu einem richtigen Eisspeicher wird. Daher kommt die Namensgebung. Durch die spezielle Anordnung des Leitungsnetzes ist sichergestellt, dass der Eisspeicher nicht gesprengt wird, wenn sich das Eis ausdehnt.
Wie viel Energie steckt in Eis?
- Die Phasenwechselenergie für Wasser zu Eis beträgt 334 kJ. Diesen Wert teilt man durch den Umrechnungsfaktor 3600, da 1 kWh 3600 kJ sind.
- Wenn ein Liter Wasser gefriert, gibt es rund 0,1 kWh an Wärmeenergie ab. Im Vergleich dazu entspricht 1 Liter Erdgas und Heizöl circa 10 kWh an Energie.
- Ein Eisspeicher mit 10 m³ Wasser setzt durch den Kristallisationseffekt etwa 928 kWh Wärmeenergie frei. Dies berechnet sich wie folgt: 10.000 kg Wasser × 334 kJ = 3.340 kJ; 3.340 kJ / 3600 =927.78 kWh.
- Ein 10 m³ Eistank erzeugt ungefähr die Energiemenge von 100 Litern Heizöl. Diese Energiemenge deckt nur einen Teil des Heizbedarfs eines durchschnittlichen Einfamilienhauses ab.
Gebäudekühlung mit einem Eisspeicher
Die Vereisung des Speichers bietet einen weiteren Vorteil. Wenn das Eis durch die zugeführte Regenerationswärme schmilzt, gibt es reichlich Kälte ab, die wiederum zum Kühlen genutzt werden kann. So trägt der Eisspeicher im Sommer zur natürlichen Kühlung des Hauses bei. Man spricht hierbei auch vom “Natural Cooling”. Das System nutzt die gespeicherte Kälte direkt, um die Innenräume kühl zu halten. So fungiert der Eisspeicher als Klimaanlage in der warmen Jahreszeit. Während der Sommermonate übernimmt der Solar-Luft-Absorber die Warmwasserbereitung vollständig.
Übrigens gibt es Warmwasser-Wärmepumpen, die speziell dafür konzipiert sind, Warmwasser aus erneuerbaren Energien zu erzeugen. Diese unterstützen die Heizung und senken die Energiekosten für die Warmwasserbereitung. Die Warmwasser-Wärmepumpe Compress 5000 DW von Bosch nutzt Raum- oder Außenluft und ist dank einer Plug-and-Play-Installation schnell nachgerüstet. Die integrierte PV-Steuereinheit stellt eine einfache Einbindung in eine Photovoltaikanlage sicher.
Wirtschaftlichkeit und Größe von Eisspeichern
Wie groß ein Eisspeicher sein muss, hängt vom individuellen Wärmebedarf des Gebäudes ab. Die komplexe Auslegung und Berechnung erfolgt durch eine Fachperson. Dabei ist entscheidend, dass alle beteiligten Komponenten, also Eiswasserspeicher, Solarkollektoren und Wärmepumpe, ideal aufeinander abgestimmt sind. Es ist nicht ratsam, den Eisspeicher selber einzubauen und zu planen!
Für ein Einfamilienhaus und eine Heizleistung bis circa 13 kW umfasst die Größe des Eisspeichers typischerweise zehn Kubikmeter, was 10.000 Litern Wasser entspricht. Es gibt auch Eisspeichersysteme für Mehrfamilienhäuser und Großanlagen, die ein deutlich größeres Eisspeichervolumen umfassen. Solche Großwärmepumpen bieten eine nachhaltige Wärmequelle für größere Wärmebedarfe. Eisspeicher allein reichen jedoch nicht aus, um ein Gebäude zu beheizen. Erst durch die Freisetzung von latenter Wärme durch den Gefrierprozess ist es möglich, ausreichend Energie darin zu speichern.
Das Heizen mit Eis ist sehr effizient und günstig und bietet im Vergleich zu herkömmlichen Heizsystemen großes Einsparpotenzial durch die geringen Betriebskosten. Demgegenüber stehen jedoch der hohe Anschaffungspreis und der Planungsaufwand. Probleme ergeben sich bei einem Eisspeicher vorwiegend dabei, das richtige Verhältnis zwischen Wärmeentzug aus dem Eisspeicher und solarer Einspeisung zu finden, damit sowohl Heiz- als auch Kühlbedarf sichergestellt sind.
Zu beachten ist: Je mehr Wärme dem Eisspeicher entzogen wird, desto ineffizienter arbeitet die Wärmepumpe. Dadurch vergrößert sich der zu leistende Temperaturhub zwischen der Temperatur der Wärmequelle und der Vorlauftemperatur des Heizsystems. Folglich nimmt der Wirkungsgrad einer Wärmepumpe ab, weil die Anlage mehr Strom verbraucht und die Jahresarbeitszahl sinkt. Um die Wirtschaftlichkeit zu erhöhen, ist es also notwendig, den Eisspeicher fortlaufend mit Wärmeenergie aus dem Luft-Solar-Absorber zu beladen.
Vor- und Nachteile eines Eisspeichers
Vorteile
- Effiziente Nutzung von Umweltenergie
- Ganzjähriger Betrieb (Heizen und Kühlen) möglich
- Einsparung von Energiekosten und CO2-Emissionen
- Der Speicher benötigt keine Wärmedämmung
- Keine Genehmigung für Tiefenbohrung notwendig
- Wasser als Speichermedium ökologisch unbedenklich
- Staatliche Förderung für Anlagentechnik
Nachteile
- Sehr hohe Anschaffungskosten
- Abhängigkeit von Regenerationsquellen
- Platzbedarf auf dem Grundstück
- Installations- und Wartungsaufwand
- Technische Komplexität des Systems
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Dank der fortschrittlichen Inverter-Technologie gehören die Wärmepumpen von Bosch zu den leisesten und effizientesten auf dem Markt. Modulierende Heizanlagen regeln die Kompressorleistung variabel und arbeiten so besonders stromsparend und bedarfsgerecht. Das erhöht die Wirtschaftlichkeit des Systems und senkt die Betriebskosten erheblich.
Kosten und Förderung für eine Eisspeicherheizung
Die Kosten für eine komplette Eisspeicheranlage richten sich nach der Größe des Gebäudes und der Speichergröße und liegen allgemein recht hoch. Verglichen mit den Kosten einer Erdwärmepumpe sind Eisheizungen meist noch teurer. Obwohl das Verlegen von Erdsonden eine genehmigungspflichtige Tiefenbohrung erfordert. Für das Einlassen des Eisspeichers in den Boden sind hingegen oberflächennahe Erdarbeiten nötig, um ein großes Loch auszugraben.
Für die einzelnen Komponenten des Heizsystems erhalten Sie Fördergelder vom Staat. Das gilt für die Sole-Wasser-Wärmepumpe und die Solarkollektoren, lediglich der Eisspeicher selbst wird nicht direkt bezuschusst. Die Förderung für Wärmepumpen beantragen Sie bei der KfW Kreditanstalt für Wiederaufbau. Unser Bosch Förderservice unterstützt Sie dabei gerne!
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