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Eisspeicher-Heizungen: Heizen mit gefrierendem Wasser

Mit Eis zu heizen, ist nicht nur praktikabel, sondern auch CO2-neutral. Der Einbau eines Eisspeichers lohnt sich aber vor allem, wenn man damit auch kühlen will.
Im Innern des EisspeichersLaden...
Als das FIFA-Exekutivkomitee seine Entscheidung bekannt gab, die Fußballweltmeisterschaft im Jahr 2022 auf der arabischen Halbinsel Katar austragen zu wollen, witzelten Fans in aller Welt: "Warum nicht Grönland?" Schließlich sei es gleichgültig, ob der Ball im heißen Sand oder auf dem ewigen Eis rolle. Tatsächlich stellt der WM-Zuschlag den Wüstenstaat vor eine gigantische technologische und energetische Herausforderung. Durchschnittlich 85 Prozent Luftfeuchtigkeit, Temperaturen bis zu 50 Grad Celsius, dazu die heißen Winde – nicht nur Fußballbegeisterte fragen sich: Wie soll das gehen? Woher soll das viele Kühleis kommen, das für die Klimatisierung der riesigen geplanten Stadien benötigt wird?

Die Antwort findet sich womöglich in Friedrichshafen am Bodensee. Dort entwickelte ein Klimaingenieur einen unterirdischen Eistank, der nicht nur das derzeit größte Problem des arabischen Emirats Katar lösen könnte, sondern auch neue Ansätze für ein besonders ressourcensparendes Kühlen und Heizen von Gebäuden aller Art bietet: der "SolarEis"-Speicher des Erfinders Alexander von Rohr.

Heizen mit Eis klingt wie ein Widerspruch. Doch das System aus Eis, Sonnenkollektor und Wärmepumpe wurde schon mehrfach mit Preisen ausgezeichnet und hat hier zu Lande mittlerweile Marktreife erlangt: 20 Gewerbegebäude und ebenso viele Einfamilienhäuser nutzen das neue Heiz- und Kühlsystem bereits.

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Im Inneren des Eisspeichers | Messarbeiten im Inneren eines Eisspeichers zum Ende einer Heizperiode. Der hier gezeigte Eisspeicher hat ein Volumen von mehr als 900 000 Litern.
Doch woher stammt die Energie, die ein solcher "SolarEis"-Speicher erzeugt? "Das Geheimnis beruht auf einem einfachen physikalischen Prinzip: Wenn Wasser zu Eis gefriert, entsteht die so genannte Kristallisationswärme", erklärt Alexander von Rohr. Beim Gefrierprozess erstarren die sonst sehr beweglichen Wassermoleküle und setzen dadurch Energie frei. "Die freigesetzte Wärme entspricht derselben Energiemenge, die man benötigt, wenn man Wasser von 0 auf 80 Grad Celsius erhitzt."

Energie aus dem Eis

Frühere Ansätze, die sich die Kristallisationswärme zu Nutze machen wollten, hätten aber unter einem entscheidenden Problem zu leiden gehabt: "Die dabei auftretende Sprengwirkung des Eises war technisch nicht beherrschbar", meint Alexander von Rohr. Anders nun mit dem "SolarEis"-System, das durch seine neuartige Technologie die Sprengung durch das sich ausdehnende Wasser zuverlässig verhindern soll, indem sie das Eis dabei nicht – wie üblich – von außen nach innen gefrieren lässt, sondern von innen nach außen.

Der Clou bei "SolarEis" ist, dass das System den Kristallisationsprozess hundertprozentig unter Kontrolle hat. So kann es ihn gezielt steuern – und vor allem fast beliebig lang hinauszögern. Dabei wird der Gefrierpunkt über Monate hinweg immer wieder eingeleitet, gestoppt und aufs Neue gestartet. Und stets wird eine enorme Menge an Kristallisationswärme freigesetzt. "Dieses physikalische Phänomen kommt der extrem hohen Effizienz der Anlage über den gesamten Jahreszyklus hinweg zugute", meint von Rohr.

Kernstück des Sytems ist der betonummantelte Wassertank, der beim Bau der Anlage im Erdreich versenkt werden muss. Das Fassungsvermögen reicht dabei von 10 bis 15 Kubikmeter für kleinere Einheiten und bis zu 1000 bei Großprojekten. Sobald der Tank installiert ist, nimmt das Wasser die natürliche Erdwärme von zirka 8 bis 12 Grad Celsius auf und macht sich diese für die spätere Energiegewinnung zu Nutze.

Nun kommt die Wärmepumpe ins Spiel. Sie entzieht dem unterirdischen Tank mit Hilfe eines flüssigen Kältemittels Wärme und leitet sie ins Innere des Hauses, wo sie zum Beheizen der Räume genutzt wird, während unten das Wasser allmählich gefriert.

Begrenzter Speicherplatz

Zugleich werden die Temperaturbedingungen im Tank durch einen oberirdischen Kollektor beeinflusst, der – auf dem Dach montiert – seine Energie sowohl aus der vorhandenen Lufttemperatur als auch aus der Sonnenkraft bezieht. Er liefert die Energie, die es braucht, um das gefrorene Wasser wieder aufzutauen.

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Einbau eines Eisspeichers | Das Fassungsvermögen der betonummantelten Eisspeicher muss an die Größe des zu heizenden Gebäudes angepasst werden. Bei Privathäusern kann ein Tank wie dieser ohne größeren Aufwand im Erdreich versenkt werden.
Wissenschaftler der Fachhochschule Biberach attestieren der Eisspeicherlösung, in Kombination mit der angedockten Solaranlage, mit einem Wert von 5,46 (nach der VDI-Richtlinie 4650) einen deutlich höheren Wirkungsgrad als allen anderen bisherigen Wärmepumpensystemen. Und das private Gladbecker Institut für Energie-, Kälte- und Umwelttechnik (InEKK) kommt nach einer Projektstudie gar zu dem Schluss: "Durch die Kombination aus Gas-Absorptionswärmepumpe und saisonalem Eisspeicher kann auf Grund der gleichzeitigen Nutzung von Wärme und Kälte eine Gesamteffizienz von über 200 Prozent, bezogen auf die eingesetzte Primärenergie, erreicht werden."

Doch Institutsleiterin Dr. Sylvia Schädlich gibt zu bedenken: "Man muss den Platz haben, um den Eisspeicher im Boden zu versenken. Er wird ja danach ausgelegt, wie groß der Wärme- und Kältebedarf ist. Das ist in Innenstädten nicht immer möglich."

Auch sollte der genaue Nutzungszweck vor einem Eisspeicher-Einbau bedacht werden: "Bei Gebäuden, die Heizung und Kühlung brauchen, ist der Eisspeicher auf jeden Fall das Mittel der Wahl. Wenn der Eisspeicher aber nur zum Heizen benötigt wird, muss der Bauherr sich vorher überlegen, wie er den durchgefrorenen Eisblock im Sommer auftauen will – er muss also allein dafür Energie aufbringen, um den Eisblock auftauen und im Winter wieder nutzen zu können. Der eigentliche Vorteil des Systems ist also gerade die Kombination aus Heizen und Kühlen."

Gutes Klima im Archiv

Bei der Friedrichshafener Herstellerfirma Isocal gehen beständig neue Bestellungen ein: Ein Hotel in Konstanz soll ganzjährig beheizt werden. Ein Krankenhaus bei Frankfurt möchte Energiekosten senken. Ein Schwimmbad im Hochsauerland benötigt eine energieeffiziente Klimaanlage. Geschäftsführer Heiko Lüdemann: "Wir haben derzeit mehr als 1000 Anfragen aus aller Welt, die wir kaum bearbeiten können, weil uns noch ausreichend Fachkräfte fehlen."

Auch das neue Stuttgarter Stadtarchiv im nahe gelegenen Bad Cannstatt ist auf eine besonders flexible Energielösung angewiesen – sie soll in der Lage sein, zu jeder Tages- und Nachtzeit konstante Temperaturen für die empfindlichen Archivalien zu gewährleisten.

"Unter den drei Aspekten Energie-, Investitions- und Wartungskosten bietet uns das Eisspeichersystem die günstigste Lösung", ist Matthias Bertram, Sachgebietsleiter für Stadtsanierungsmaßnahmen in Stuttgart, überzeugt. Das habe der Vergleich mit herkömmlichen Heiz- und Klimatisierungssystemen und Holzpelletheizungen ergeben. Andere Alternativen wie Geothermie oder umfangreiche Fotovoltaik standen den Bauherren nicht zur Verfügung – für die Module fehlten ausreichende Flächen, eine Erdsonde hätte unter Umständen das Grundwasser im Heilkurort Bad Cannstatt gefährden können.

Die Planer haben hochgerechnet, dass durch die Verwendung des Eisspeichers im Stuttgarter Stadtarchiv bis 2030 rund 1100 Tonnen klimaschädigende CO2-Gase vermieden werden können. Auch die Verbrauchskosten lassen sich demnach im Vergleich mit einer rein konventionellen Anlage um jährlich 78 000 Euro senken.

Doch auch bei diesem öffentlichen Großprojekt gab der spezielle Nutzungszweck den eigentlichen Ausschlag für die Eisspeicherlösung: "Die teilweise sehr empfindlichen alten Dokumente und Gemälde haben einen unschätzbaren Wert, auch das Stadtmuseum nutzt künftig einen Teil des Magazins", erzählt Matthias Bertram, "deshalb haben wir uns an die europäischen Normen für die Lagerung von Archivalien zu halten. Das bedeutet: Wir brauchen ganzjährig eine konstante Temperatur von 18 Grad Celsius mit höchstens 0,5 Grad Celsius Abweichung. Die relative Luftfeuchtigkeit muss dabei stets 50 Prozent betragen – plus/minus zwei Prozent."

Heiz-Kühl-Periode

Und auch ein anderes, allgegenwärtiges Problem vieler großer Verwaltungsgebäude machte den Planern laut Matthias Bertram bereits im Vorfeld Sorgen: "Besonders im Frühjahr und im Herbst schwanken die Außentemperaturen beträchtlich, so dass man oft nachts heizen muss, aber tagsüber die Kühlung benötigt wird. Wenn man diese Temperaturschwankungen mit einer konventionellen Anlage bewältigen will, verursacht dies einen enormen Energieverbrauch." Anders beim Eisspeicher: "Die Kälte, die beim nächtlichen Heizen als eine Art Abfallprodukt anfällt und im Eisspeicher zwischengelagert wird, kann tagsüber problemlos für die Kühlung abgerufen werden."

Damit lässt sich die neuartige Eisheizung nicht nur in den Sommermonaten auch zum aktiven Kühlen selbst großer Raumflächen verwenden – als nahezu kostenneutrale und umweltschonende Klimaanlage. Dies funktioniert allerdings nur in unseren Breitengraden ohne weitere technische Komponenten. Und in Katar?

"Dort lässt sich die Kälte aus Sonnenkraft gewinnen", ist Alexander von Rohr überzeugt, "und zwar, indem der Eisspeichereffekt, bei dem der Gefrierprozess über die Wärmepumpe zum Heizen dient, umgekehrt wird." In diesem Fall werden Sonnenstrahlen auf Parabolspiegeln gebündelt, um dann über einen Wärmetauscher Eis zu erzeugen. Mit dieser Variante einer "solaren Klimatisierung", die sogar ohne die hierfür sonst erforderlichen Kollektoren auskommt, wird das Wechselspiel von kalt zu heiß und heiß zu kalt komplettiert.

Schließlich eröffnet das Eisspeichersystem neue Perspektiven für Umwelt und Energieversorgung. Denn noch immer werden Häuser zu rund 80 Prozent aus konventionellen Rohstoffen wie Öl und Gas gespeist. Und noch immer verursachen Gebäude etwa 40 Prozent der klimaschädlichen Treibhausgase. Mit der neuen "Eiszeit", die gerade in Friedrichshafen ihren Anfang nimmt und vielleicht schon bald Katar erreicht, könnte sich das ändern.
9. KW 2011

Dieser Artikel ist enthalten in Spektrum - Die Woche, 9. KW 2011

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