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Funktion und Kosten von Eisspeichern im Überblick

Wie funktioniert ein Eisspeicher? Wie nutzen Wärmepumpen den Phasenwechsel des Latentwärmespeichers? Was kosten Solareis-Lösungen für ein Einfamilienhaus?

Um solarthermische Energiequellen saisonübergreifend nutzbar zu machen, werden heutzutage großvolumige Solarspeicher eingesetzt, mit denen man ganzjährig in Niedrigstenergiegebäuden Heizen kann. Oder man nutzt sogenannte Eisspeicher, die die Energie des Phasenwechsels von Wasser per Wärmepumpe nutzen. Diese Latentwärmespeicher sind mittlerweile auch als Standardlösung für normale Ein- und Zweifamilienhäuser erhältlich und helfen, die Effizienz von Wärmepumpen deutlich zu steigern oder bei gleichbleibender Effizienz der Wärmepumpe die Investition in den Erdwärmetauscher zu reduzieren. So kann die Solarthermie über ihren direkten Beitrag bei Sonnenschein oder ihren indirekten Beitrag über den Pufferspeicher hinaus, energetisch sinnvoll integriert werden.

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Prinzip solarthermisch unterstützter Wärmepumpenheizungen

Solarthermisch unterstützte Wärmepumpen beruhen auf dem Konzept, solarthermische Anlagen zur alleinigen Versorgung einer Wärmepumpe einzusetzen. Herkömmliche Solaranlagen wandeln hauptsächlich im Sommer und in den Übergangsmonaten Sonnenenergie in Wärme um. Die so gewonnene Energie wird dann in einem Solarspeicher zeitweise zwischengespeichert und dann dem Heiz- oder Brauchwasserkreislauf direkt zugeführt. Der Solarkollektor einer solaren Wärmepumpe dient im Gegensatz dazu, zuerst die Wärmepumpe zu versorgen und die so "hoch gepumpte" Wärme anschließend über einen oder mehrere herkömmliche Speicher dem Heiz- und Trinkwasserkreislauf zuzuführen.

Um die tages- und jahreszeitabhängig schwankende Gestehung von Solarwärme insbesondere im Winter der Wärmepumpe als nutzbare Umweltenergie zur Verfügung zu stellen, bedarf es jedoch einer anderen Speichertechnik: einem Latentwärmespeicher, der im alltäglichen Sprachgebrauch als "Eisspeicher" bezeichnet wird. Dieser speichert Temperaturen um den Gefrierpunkt und ermöglicht es daher der Solaranlage auch Niedertemperaturwärme im Winter zu sammeln und über den Eisspeicher der Wärmepumpe zuzuführen. Die Solaranlage wird somit auch im Winter genutzt und die Installation eines Erdwärmetauschers wird nicht zwangsläufig notwendig.

Als latenter Eisspeicher können Zisternen mit Regenwasser ebenso verwendet werden wie Kies-Wasser- oder Paraffinspeicher. Neben der Heizfunktion lassen sich Eisspeicher auch zum "Natural Cooling" per Wärmepumpe zum aktiven Kühlen von Immobilien nutzen. Sobald die Speicherwassertemperatur unter das Temperaturniveau des den Speicher umgebenden Erdreichs sinkt, so nimmt der Speicher auch die Erdwärme des den Speicher umgebenden Erdreichs auf. Die Höhe dieses Energieertrages richtet sich dabei nach der Bodenbeschaffenheit.

Schematische Darstellung der Anbindung eines Eisspeichers an eine Wärmepumpe als Wärmequelle und Speicher der Wärme der Solarkolektoren. (Abbildung: Viessmann Werke)
Schematische Darstellung der Anbindung eines Eisspeichers an eine Wärmepumpe als Wärmequelle und Speicher der Wärme der Solarkolektoren. (Abbildung: Viessmann Werke)

Einsatz des Eisspeichers als Puffer- und Latentwärmespeicher

Soll die Wärme der Sonne möglichst optimal für die Heizung und das Warmwasser genutzt werden, so sind der Solarkollektor und der Wärmespeicher im Haus (Pufferspeicher) größer als sonst auszulegen. Hat der Wärmespeicher nach mehreren Tagen Sonnenschein seine maximale Temperatur erreicht, so kann die Wärme vom Solarkollektor genutzt werden, indem diese dem Eisspeicher zugeführt wird.

Als Kollektoren kommen vielfach unverglaste Solar-Luftabsorber zum Einsatz, da sie Temperaturen entsprechend des Solekreises bereitstellen und bei verglasten Kollektoren die Gefahr bestünde, dass sich Luftfeuchtigkeit auf den Scheiben niederschlägt und die weitere Wärmeaufnahme behindert. Zudem können spezielle Hybridkollektoren eingesetzt werden, die bei Sonnenschein wie normale Solarkollektoren funktionieren und bei bedecktem Himmel durch ein Gebläse Umgebungsluft durch den Kollektor blasen. Diese Luft gibt ihre Wärme an die zirkulierende Solarflüssigkeit ab, welche in den Latentwärmespeicher transportiert wird.

Vornehmlich im Sommer erfolgt also eine Speicherung von überschüssiger Sonnenwärme, wobei der Eisspeicher dann als ganz normaler Pufferspeicher und Wärmequelle für die Wärmepumpe dient. Dies schützt den Solarkollektor zudem vor Überhitzung. Die im Speicher aufgenommene Wärme kann dann während einer längeren Schlechtwetterperiode oder je nach Größe des Eisspeichers auch bis in den Herbst hinein durch eine Wärmepumpe zur Deckung des Wärmebedarfs genutzt werden. Da die Quellentemperatur im Vergleich zur Erdwärme höher ist, ist auch die Leistungszahl der Wärmepumpe höher und somit der Verbrauch an elektrischem Strom geringer.

Der zylinderförmige Eisspeicher VITOFRIOCAL von Viessmann kann modular für Wärmepumpen mit einer Nenn-Wärmeleistung von 6,0 bis 17,2 kW genutzt werden. (Abbildung: Viessmann Werke)
Der zylinderförmige Eisspeicher VITOFRIOCAL von Viessmann kann modular für Wärmepumpen mit einer Nenn-Wärmeleistung von 6,0 bis 17,2 kW genutzt werden. (Abbildung: Viessmann Werke)

Im Winter entzieht die Wärmepumpe dem Eisspeicher so viel Wärme, sodass sich dieser im Winter auf 0°C abkühlt. Bei weiterem Wärmeentzug gefriert das Wasser. Daher spricht man hierbei auch von sogenanntem "Solareis". Von da an kommt das Latentwärmeprinzip zum Tragen, das beim Übergang vom flüssigen zum festen Zustand funktioniert. So kann der Wärmebedarf des Winters mit einem relativ kleinen Eisspeichervolumen gedeckt werden. Im Sommer wird dann durch Sonnenwärme der Latentwärmespeicher wieder aufgewärmt, sodass das Solareis schmilzt.

Die besondere Funktion des Solarkollektors liegt nun darin, in Kombination mit dem Eisspeicher auch Wärme mit niedrigerer Temperatur sinnvoll zu nutzen. Diese Niedertemperatur-Solarwärme wird im Latentwärmespeicher zwischengespeichert und bei fehlender Solarwärme durch die Wärmepumpe genutzt. Der Solarkollektor erfährt dadurch einen höheren Ausnutzungsgrad und damit ebenfalls eine höhere Wirtschaftlichkeit.

Bilder-Gallerie: Viessmann Eisspeicher-System

Eisspeicher-System VITOFRIOCAL von Viessmann (Abbildung: Viessmann Werke)
Eisspeicher-System VITOFRIOCAL von Viessmann (Abbildung: Viessmann Werke)
Eisspeicher-System VITOFRIOCAL von Viessmann (Abbildung: Viessmann Werke)
Eisspeicher-System VITOFRIOCAL von Viessmann (Abbildung: Viessmann Werke)
Eisspeicher-System VITOFRIOCAL von Viessmann (Abbildung: Viessmann Werke)
Eisspeicher-System VITOFRIOCAL von Viessmann (Abbildung: Viessmann Werke)
Eisspeicher-System VITOFRIOCAL von Viessmann (Abbildung: Viessmann Werke)
Eisspeicher-System VITOFRIOCAL von Viessmann (Abbildung: Viessmann Werke)
Eisspeicher-System VITOFRIOCAL von Viessmann (Abbildung: Viessmann Werke)
Eisspeicher-System VITOFRIOCAL von Viessmann (Abbildung: Viessmann Werke)
Eisspeicher-System VITOFRIOCAL von Viessmann (Abbildung: Viessmann Werke)
Eisspeicher-System VITOFRIOCAL von Viessmann (Abbildung: Viessmann Werke)

Energieaufnahme und -abgabe beim Phasenübergang

Als latente Wärme ("latent" lat. für "verborgen") bezeichnet man die bei einem Phasenübergang aufgenommene oder abgegebene Wärmemenge. Latent heißt sie deshalb, weil die Aufnahme bzw. Abgabe dieser Wärme nicht zu einer Temperaturänderung führt. Spezielle Beispiele sind die

  • Verdampfungswärme,
  • Sublimationswärme,
  • Kristallisationswärme und
  • Schmelzwärme,

die den Phasenübergang von fest zu flüssig beschreibt.

So wird beispielsweise beim Erstarren von Wasser, dem Phasenübergang vom flüssigen Wasser zum festen Eis bei 0°C, ungefähr so viel Wärme frei, wie zum Erwärmen der selben Menge Wasser von 0°C auf 80°C benötigt wird. Die spezifische Phasenumwandlungsenthalpie ist also im Vergleich zur spezifischen Wärmekapazität relativ hoch. Für Wasser liegt die Schmelzenthalpie bei 334 kJ/kg und die spezifische Wärmekapazität bei ca. 4,19 kJ/kg. Dadurch ist die Energiedichte im Vergleich zu Heißwasserspeichern erheblich größer ist. Wird also ein Liter Wasser um 1 °K abgekühlt, werden 1,163 Wh Energie frei. Während der Vereisung bleibt die Temperatur zwar konstant bei 0 °C, doch es werden weitere 93 Wh/(kgK) Kristallisationsenergie frei, die von der Wärmepumpe genutzt werden kann.

Wärmeentzug und Vereisung durch den Wärmetauscher

Um das Volumen eines Eisspeichers bestmöglich zu erfassen, werden die Wärmetauscher häufig an einem Gerüst als Spirale mit unterschiedlichen Radien über die gesamte Speicherhöhe geführt. Je nach Form des Speichers können aber auch ganz unterschiedliche Rohrführungen gewählt werden. So gibt es z. B. Eisspeicher mit Kapillarrohrmatten, die über die große Wärmeübertragungsfläche der Kapillaren für einen besonders hohen Wirkungsgrad sorgen.

Bilder-Gallerie: sp.ICE Eisspeicher mit BEKA Kapillarohrmatten

sp.ICE Eisspeicher mit BEKA Kapillarohrmatten (Foto: BeKa Heiz- und Kühlmatten GmbH)
sp.ICE Eisspeicher mit BEKA Kapillarohrmatten (Foto: BeKa Heiz- und Kühlmatten GmbH)
sp.ICE Eisspeicher mit BEKA Kapillarohrmatten (Foto: BeKa Heiz- und Kühlmatten GmbH)
sp.ICE Eisspeicher mit BEKA Kapillarohrmatten (Foto: BeKa Heiz- und Kühlmatten GmbH)
sp.ICE Eisspeicher mit BEKA Kapillarohrmatten (Foto: BeKa Heiz- und Kühlmatten GmbH)
sp.ICE Eisspeicher mit BEKA Kapillarohrmatten (Foto: BeKa Heiz- und Kühlmatten GmbH)

Um im Winter nun das Heiz- oder Brauchwasser zu erhitzen, kühlen Wärmepumpen das ihnen zugeführte Umweltmedium teilweise bis unter den Gefrierpunkt ab. In der Regel wird als Umweltmedium in den Wärmetauscherschlangen ein Wasser/Glykol-Gemisch eingesetzt, das selbst einen niedrigeren Gefrierpunkt aufweist.

Alternativ zu diesem Prinzip gibt es Eisspeicher, bei denen der die Wärme entziehende Verdampfer nicht in der Wärmepumpe, sondern am Ort des Wärmeentzugs - im Speicher selbst - eingebaut wird. Der Verdampfer selbst wird von FCKW-freiem Kältemittel durchströmt, das rund 5 °C kälter ist als das außen befindliche Wasser. Ist das Wasser auf etwa 0°C abgekühlt, bildet sich an der Verdampferoberfläche Eis.

Weil dieses Solareis den Wärmeübergang behindert, vertauscht eine Automatik nur für Sekunden die Funktion von Wärmeaufnahme und Wärmeabgabe. Auf der dadurch leicht erwärmten Oberfläche des Verdampfers kann sich das Eis nicht halten und rutscht in den Eis-Speicher ab.

Gebäudeklimatisierung und -kühlung mit Eisspeichern

Die Kälte des Eisspeichers kann während der Sommermonate aber auch zum Kühlen verwendet werden. Die bei der Kühlung dem Gebäude im Sommer entzogene Wärme wird umgekehrt dem Eisspeicher zum Auftauen wieder zugeführt und sorgt so für die zur Regenerierung notwendige Energiemenge für die nächste Heizperiode.

Da in der Heizperiode ca. 2000 h geheizt wird, stehen somit auch 2000 h Kälte zur Verfügung, die zum großen Teil in den Speicher eingelagert werden. Da die Kühlperiode im Sommer aber nur ca. 600 bis 1000 h dauert, ist ein entsprechend großer Speicher nötig, in dem mehr Eis (Kälte) gebildet werden kann, als im Sommer zum Kühlen benötigt wird. Im Sommer kann das Eis somit nahezu ohne energetischen Zusatzaufwand zum Kühlen nutzbar gemacht werden. Der Speicher nimmt dabei die dem Gebäude entzogene Solarwärme auf, welche im nachfolgenden Winter wieder zum Heizen genutzt wird.

Kann jedoch die Entzugsleistung nicht komplett durch den Eisspeicher gedeckt werden, kann durch Flachdachabsorber, Erdwärme, Regenwasser oder Abwärmenutzung die fehlende Wärmemenge ergänzt werden. Kann am Ende des Sommers der Eisspeicher keine Kälte mehr liefern, so stellt insbesondere die Kombination von solarer Wärmpumpe und Erdwärme eine sinnvolle Systemlösung dar.

Schematische Darstellung einer Gebäudeklimatisierung mit Hilfe eines Eisspeichers und einer Gaswärmepumpe (Grafik: ASUE Arbeitsgemeinschaft für sparsamen und umweltfreundlichen Energieverbrauch e.V.)
Schematische Darstellung einer Gebäudeklimatisierung mit Hilfe eines Eisspeichers und einer Gaswärmepumpe (Grafik: ASUE Arbeitsgemeinschaft für sparsamen und umweltfreundlichen Energieverbrauch e.V.)

Kosten-Vergleich von Eisspeichern und Erdwärmetauschern

Eisspeicher werden u.a. von Viessmann oder auch von Consolar in verschiedenen Konfektionen angeboten. Während Heizungshersteller Viessmann den Speicher mit Luftabsorbern anbietet, setzt die auf Solarwärmeanlagen spezialisierte Consolar auf einen Hybridkollektor, der bei geringem Solarertrag zusätzlich über ein Gebläse Luftwärme durch den Kollektor bläst und so weitere Wärme gewinnt.

Die Kosten des Eisspeichers selbst sind jedoch relativ vergleichbar. So muss in vielen Fällen für einen Eisspeicher für eine etwa 7 kW große Sole-Wasser-Wärmepumpe mit etwa 5.000 bis 6.000 Euro gerechnet werden. Hinzu kommen jedoch noch die Kosten der Erdarbeiten und die entsprechenden Kollektoren, sodass vielfach mit einem Gesamtpreis von etwa 10.000 Euro ausgegangen werden kann.

Damit ist ein Eisspeicher als Alternative zu einem Flächenkollektor oder auch Erdwärmesonden nicht unbedingt im Preisvorteil, da eine Sonde mit 100 Bohrmetern und einer Entzugsleistung von 5 kW - dies entspricht in etwa der Entzugsleistung eines kleinen Eisspeichers - in weiten Teilen Deutschlands mit Kosten von etwa 5.000 bis 6.000 Euro anzusetzen ist. Zudem entfällt auch der Luft-Absorber bzw. der Solarkollektor. Ein Flächenkollektor ist häufig noch günstiger.

Rein aus Preis-Gesichtspunkten ist daher kein entscheidender Kostenvorteil auf Seiten des Eisspeichers auszumachen. Bestehen allerdings Beschränkungen bei der Bohrtiefe, sind aus Gewässerschutzgründen keine Bohrungen erlaubt oder das Grundstück zu klein, um einen Flächenkollektor auszulegen, so ist ein Eisspeicher eine aus praktischer Sicht attraktive Alternative zu einer normalen Erdwärmeheizung.

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"Funktion und Kosten von Eisspeichern" wurde am 28.01.2019 das letzte Mal aktualisiert.