Energiespeicher

Das Heizen ohne Gas, Öl und mit minimalem Strom mag sich für viele unvorstellbar anhören. Aber mit der Eis-Energiespeicherheizung wird dies Realität. Statt Eiswürfel ins Feuer zu legen, setzt die Eisspeicherheizung auf eine Kombination aus Eis-Energiespeicher, Solar-Luftabsorber und einer Wärmepumpe. Sie zieht Wärme aus dem Erdreich, Wasser und der Umgebungsluft. Insbesondere dient der Eis-Energiespeicher als Hauptquelle der Wärme.

Eisspeicher (hier mit Direktverdampfer)

Das Bild präsentiert einen Eisspeicher für den Einsatz in der Klimatechnik. Der Behälter, gefertigt aus PE, enthält spiralförmig gewundene Wärmeübertragerrohre, die den gesamten Behälter in rund 50 Ebenen füllen. Das PE-Rohrsystem wickelt sich gegenläufig und hält einem Betriebsdruck von 6 bar stand. Man kann den Tank drinnen oder draußen, sogar im Erdreich, positionieren. Sein Transportgewicht bleibt niedrig, und das Speichermedium Wasser sowie das Wärmeträgermedium Sole füllt man vor Ort auf.

In der gewerblichen Kühlung nutzen Experten Eisspeicher, um Kälteenergie über Direktverdampfer im Wassertank oder durch einen Solekreis zu liefern, wodurch das Wasser gefriert. Beim Entladen überträgt das Eis Wärme direkt an das fließende Wasser. Um eine gleichmäßige Eisbildung an den Kühler-Rohren oder Platten zu gewährleisten, rühren Pumpen das Wasser im Tank oder blasen Luft am Boden ein. Eisdickenmesser verhindern das komplette Einfrieren, können jedoch bei Teillasten Schwierigkeiten verursachen.

Ein alternativer offener Tanktyp ist der siloähnliche „Eisturm“. Hier bespritzen Ammoniak-Plattenverdampfer bei einer Verdampfungstemperatur von etwa -7,5 °C für ungefähr 8 Minuten mit Wasser aus einem Becken, um Eis zu bilden. Diese Eisschicht sprengt in etwa 1-3 Minuten durch das Einwirken von Heißgas; danach setzt erneutes Anfrieren ein. In etwa 10 Stunden fallen so viele Eisplatten ins Wasser-Eis-Gemisch, dass das gesamte Wasser ersetzt wird. Einblasende Luft verhindert das Zusammenkleben der Eissplitter. Die Füllstandsmessung erfolgt durch ein Schwimmerkreuz unter dem Scherbeneis oder Ultraschall. Das Entladen geschieht dann als Eiswasser, etwa +4/+1 °C, innerhalb von 2 bis 3 Stunden.

Hydraulisches Schema der Wärme- und Kälteerzeugung mit Energiespeicher / Eisspeicher

Im Oktober 2011 eröffnete die "Alte Pumpstation Haan" vor den Toren Düsseldorfs als Industriedenkmal, Kulturstätte und Bürogebäude. Das Gebäude verfügt über ein fortschrittliches Energiekonzept, das auf einem Solar-Eisspeicher basiert, da geothermische Sonden aufgrund der ungünstigen geologischen Bedingungen vor Ort nicht verwendet werden konnten.

Das Energiekonzept speichert Sonnenenergie, die in den warmen Monaten von Solar-Kollektoren (einschließlich eines Energiezauns und Dachkollektoren) in einem großen Solar-Eisspeicher mit einem Wasservolumen von 120 m³ auf niedrigem Temperaturniveau gesammelt wird. Dank der umgebenden Erdwärme erfolgt eine dauerhafte und kosteneffiziente Speicherung der Energie ohne Notwendigkeit einer aufwändigen Isolierung.

Ausschnitt aus einem Eisspeicher (hier ist es ein Betonbecken mit eingebauten Wärmetauschern)

Während der kühlen Jahreszeit verwendet eine Wärmepumpe die im Solar-Eisspeicher gespeicherte Energie, um das Gebäude zu heizen. Dabei wird der Solar-Eisspeicher durch den Energiezaun und die Dachkollektoren weiterhin aufgeladen. Im März schaltet das System die "Solarenergie" aus, und die Wärmepumpe entzieht dem Wasserpuffer Wärme bis zu dem Punkt, an dem er friert. Dadurch bildet sich Eis an den Wärmetauscherrohren im Betonspeicherbecken. Dieses Eis dient dann bis Juli zur Kühlung. Für den Rest des Sommers kühlt die Wärmepumpe aktiv die Büroräume, was allerdings kostenintensiver ist.

Das Umwandeln von Wasser in Eis bietet den Vorteil, dass durch den Phasenübergang der Energieinhalt des Speichers signifikant steigt. In Haan erhöht sich durch diese Vereisung der Energieinhalt des Speichers um 11.600 kWh auf 14.000 kWh. Eine speziell entwickelte Steuerung überwacht die verschiedenen Komponenten des Systems. Sie entscheidet, ob die vom Absorber erzeugte Wärme direkt zum Heizen verwendet oder im Speicher gespeichert wird.

Die Steuerung sorgt dafür, dass die Wärmepumpe so viel Wärme aus dem Speicher zieht, dass er gefriert, insbesondere gegen Ende der Heizsaison. Eine korrekte Anpassung der Steuerung ist für das erfolgreiche Funktionieren des Systems unerlässlich. Strategische Planungen sind nötig, vor allem im Hinblick auf Vorhersagen des jährlichen Temperaturverlaufs. Das Ziel ist, die Vereisung spät genug zu starten, um die Kühlperiode möglichst wirtschaftlich zu gestalten, aber auch rechtzeitig genug, um ein ausreichendes Eisvolumen sicherzustellen.