Der Eisspeicher ist eine innovative Entwicklung, die es ermöglicht wesentlich mehr Energie zu speichern, als das mit einem klassischen Warmwasserspeicher möglich wäre. Zugleich steigert ein Eisspeicher den Wirkungsgrad und erhöht die konstante Energieversorgung im Winter. Eine Eisspeicherheizung besteht aus einer Wärmepumpe, Solarkollektoren und dem Eisspeicher selbst.
Es klingt vielleicht erstmal abwegig, mit einem Eisspeicher zu heizen, doch das ist technisch machbar und zugleich sehr effektiv. Der Eisspeicher wird auch als Latentwärmespeicher bezeichnet, da er sich genau diese latente Wärme zunutze macht.
Wie das genau funktioniert und welche Vorteile sich aus einer Eisspeicherheizung ergeben, beleuchten wir detailliert in diesem Artikel. Natürlich werfen wir auch einen Blick auf die Kosten und mögliche finanzielle Förderungen durch den Staat.
Was ist ein Eisspeicher?
Ein Eisspeicher ist ein großer Wassertank, in dem das gespeicherte Wasser ständig eingefroren und wieder aufgetaut wird. Durch diesen Vorgang wird die sogenannte latente Wärme freigesetzt. Diese entsteht durch den Kristallisationsprozess des Wassers.
Diese Energie bezeichnet man deswegen als latent (verborgen) weil beim Phasenübergang von flüssig zu fest keine Temperaturveränderung geschieht, lediglich der Aggregatszustand verändert sich. Wasser und Eis haben dennoch 0 Grad Celsius.
So werden große Energiemengen erzeugt, die mit einer Wärmepumpe optimal genutzt werden können. Anschließend kann die gewonnene Energie für die Beheizung des Gebäudes genutzt werden. Dabei hat der Eisspeicher eine wesentlich größere Energiekapazität als ein klassischer Warmwasserspeicher.
Der Eisspeicher ist außerdem so effektiv, weil er seine Kraft nicht nur aus einer Energiequelle bezieht, sondern verschiedene Ressourcen nutzt. Zum einen die Sonnenenergie, die durch die Kollektoren auf dem Dach gewonnen wird und zum anderen die Umgebungswärme, die der Eisspeicher durch das Erdreich erhält. Deshalb ist er auch nicht gedämmt.
Wie ist ein Eisspeicher aufgebaut?
Der Eisspeicher besteht aus einem großen Tank, der meist aus Beton oder Kunststoff besteht. Dieser Speicher wird dann in einer Tiefe zwischen 1 und 4 Meter im Erdreich vergraben. Eine Dämmung des Tanks ist dabei nicht notwendig, das Erdreich isoliert sehr gut gegen äußere Wettereinflüsse.
Im Inneren des Eisspeichers sind zylinderförmige Leitungen verlegt, in denen eine frostsichere Flüssigkeit (Sole) zirkuliert. Die Wärmeträgerflüssigkeit besteht meist aus einer Mischung aus Wasser und Glykol. Die Leitungen, die den Tank durchziehen, führen jeweils zu einem Wärmetauscher, einem Entzugswärmetauscher und einem Regenerationswärmetauscher. Meist sind die Rohre ringförmig im ganzen Tank angeordnet, um eine möglichst gleichmäßige Energieverteilung zu erreichen.
Welche Komponenten benötigt man für eine Eisspeicherheizung?
Eine Eisspeicherheizung besteht aus folgenden Bauteilen: :
Eisspeicher: Ein großer Behälter, in dem das Wasser zu Eis gefroren wird, um die Kristallisationsenergie zu nutzen.
Wärmepumpe: Eine Anlage, die die gespeicherte Energie aus dem Eisspeicher nutzt, um Wärme in das Heizsystem zu bringen.
Solarkollektoren: Diese sorgen dafür, dass dem Eisspeicher wieder Wärme zugeführt werden kann, um das Eis aufzutauen.
Wärmeverteilsystem: Typischerweise großflächige Heizkörper oder eine Fußbodenheizung, die die erzeugte Wärme im Gebäude verteilt.
Regelungssystem: Eine Steuerungseinheit, die den Betrieb der Eisspeicherheizung überwacht und steuert, um den Energieverbrauch zu optimieren.
Rohre & Leitungen: Ein System von Rohren, das das Wasser zur Wärmepumpe und dem Eisspeicher transportiert.
Kältemittel: Ein spezielles Gas oder eine Flüssigkeit, die in der Wärmepumpe zirkuliert und die Wärmeenergie von einem Ort zum anderen transportiert.
So funktioniert eine Eisspeicherheizung
Wenn der Eisspeicher in Betrieb ist, entzieht der Entzugswärmetauscher dem Wasser die enthaltene Wärmeenergie und leitet diese an den Verdichter weiter. Im Verdichter (Kompressor) wird das erwärmte Kältemittel komprimiert. Dadurch erhöht sich Druck und Temperatur. Diese Wärme kann anschließend an das Heiz- oder Warmwassersystem übertragen werden. Doch das ist noch lange nicht alles.
Durch das Entziehen der Wärmeenergie beginnt das Wasser zu kristallisieren und gefriert schließlich. Durch diesen Kristallisationsprozess und die Änderung des Aggregatzustands von flüssig zu fest wird latente Wärme erzeugt. Beim Gefrierprozess wird so viel Energie freigesetzt, dass man damit 1 Liter Wasser von 0 auf 80 Grad erhitzen könnte.
Nachdem das Wasser nun gefroren ist, wird dem Eisspeicher durch den Regenerationswärmetauscher wieder Wärme zugeführt, damit das Wasser wieder auftaut und flüssig wird. Das geschieht über die Solarkollektoren auf dem Dach. Die erwärmte Wärmeträgerflüssigkeit durchströmt den Eisspeicher und sorgt so für ein Schmelzen des Wassers. Auch die Umgebungstemperatur des Eisspeichers hilft dabei.
Damit die Eisspeicherheizung optimal funktionieren kann, muss das Wasser kontinuierlich gefrieren. Ist es zu kalt, gibt das Eis thermische Energie ab und die Energieausbeute sinkt, ist es zu warm, schmilzt das Eis zu Wasser und es kann keine Kristallisation stattfinden. Daher ist es sehr wichtig, das Gleichgewicht zwischen Auf- und Entladen zu halten, dafür gibt es intelligente Steuersysteme, die den Prozess optimieren.
Ist das Wasser wieder flüssig, kann der Prozess von vorne beginnen und der Kreislauf schließt sich. Deshalb ist das Konzept so nachhaltig, die Kristallisation kann unendlich oft wiederholt werden. Ein geniales und trotzdem einfaches System, mit dem Sie die Effizienz Ihrer Wärmepumpe deutlich steigern können.
Das System hat außerdem den großen Vorteil, dass im Sommer das Eis im Boden auch für die Kühlung des Gebäudes verwendet werden kann.
Wie viel Energie kann durch die Kristallisation gewonnen werden?
Die spezifische Schmelzwärme von 1 kg Wasser beträgt etwa 334 Joule pro kg, außerdem hat Wasser eine Wärmekapazität von ca. 4,19 kJ/kg.
Die benötigte Energie, um 1 Kilogramm Eis in 1 Liter Wasser mit 0 Grad Celsius zu verwandeln, ist genauso groß wie die Energie, die benötigt wird, um 1 Liter Wasser von 0 auf 80 Grad Celsius zu erhitzen. Bei der Vereisung von Wasser werden jedoch ca. 90 Wattstunden pro Kilogramm erzeugt, ohne dass sich die Temperatur dabei ändert.
Genau diesen Effekt der Kristallisationsenergie nutzt der Eisspeicher, um so große Energiemengen erzeugen zu können. Deshalb hat auch der Warmwasserspeicher keine Chance. Pro Kubikmeter Speichervolumen kann so eine Energiekapazität von rund 300 Megajoule gespeichert werden. Das entspricht etwa 80 bis 90 Kilowattstunden.
Ein handelsüblicher Eisspeicher mit einem Volumen von 10 Kubikmetern kann so eine Wärmeenergie freisetzen, die der Verbrennung von über 100 Litern Heizöl entspricht. Das sind weit über 800 bis 900 kWh Wärmeenergie.
Vor- und Nachteile einer Eisspeicherheizung
Der größte Vorteil des Eisspeichers ist seine hohe Energiekapazität im Vergleich zu klassischen Warmwasserspeichern. Allerdings benötigt man dafür auch eine Menge Platz auf seinem Grundstück.
Vorteile Eisspeicher | Nachteile Eisspeicher |
Erhöhung des Wirkungsgrades des gesamten Heizungssystems | Hoher Platzbedarf auf dem Grundstück |
Größere Speicherkapazität, da Eis mehr Energie speichern kann als Wasser | Umfangreiche Baumaßnahmen für den Bau des Eisspeichers |
Eisspeicher kann im Sommer auch für die Kühlung genutzt werden | Höhere Anfangskosten als bei klassischem Warmwasserspeicher |
Einfache Technik und damit sehr wartungsarm | |
Sehr umweltfreundlich und nachhaltig |
Wie kann ein Eisspeicher effizient genutzt werden?
Um einen Eisspeicher effizient zu nutzen, müssen einige Faktoren stimmen. Hier die drei wichtigsten Tipps für einen erfolgreichen Betrieb:
Verwendung von erneuerbaren Energiequellen: Nutzen Sie erneuerbare Energiequellen wie Solarenergie, um den Eisspeicher aufzuladen. Auf diese Weise können Sie die Energie effizient nutzen und Ihre Energiekosten senken.
Verwendung von effizienten Wärmepumpen: Kombinieren Sie den Eisspeicher mit effizienten Wärmepumpen, um die Energieeffizienz zu steigern und den Energieverbrauch zu reduzieren.
Intelligente Steuerungssysteme: Nutzen Sie intelligente Steuerungssysteme, die den Betrieb des Eisspeichers optimieren und auf den Energiebedarf des Gebäudes abstimmen. Dies hilft, den Energieverbrauch zu minimieren und die Effizienz zu verbessern.
Wie groß muss ein Eisspeicher sein?
Um die richtige Größe eines Eisspeichers für ein Einfamilienhaus zu berechnen, müssen vorher einige Werte ermittelt werden. Wir gehen in diesem Beispiel von einer Wohnfläche von 150 Quadratmeter aus und einem Wärmbedarf von ca. 100 kWh pro Jahr und Quadratmeter. Das entspricht einem modernen und gut gedämmten oder saniertem Haus.
Bei einem Energiegewinn von 90 kWh pro Kubikmeter Speichervolumen durch die Eisspeicherheizung kann man davon ausgehen, dass das Einfamilienhaus an einem kalten Wintertag rund 2 Kubikmeter Eisvolumen benötigt, um den Energiebedarf zu decken.
Dabei wird der Energiegewinn durch die Solarkollektoren nicht mit einbezogen, da der Ertrag im Winter oft viel niedriger ausfällt. Rechnet man die Energiegewinnung durch die Sonne noch hinzu, sinkt der Bedarf auf etwa 1,5 Kubikmeter des Eisspeichers.
Die Speichergröße sollte mindestens vier bis fünf Mal so groß sein wie der tatsächliche Energiebedarf, damit ein Puffer bleibt, um sonnenarme Zeiten zu überbrücken.
Ein handelsüblicher Eisspeicher für den privaten Gebrauch hat meist eine Größe von rund 10 Kubikmetern, so ist genügend Puffer gegeben, um einige Tage ohne Sonne auszukommen und nur von den eigenen Reserven zu zehren. Speicher mit diesem Volumen sind für Häuser mit einer Heizlast von bis zu 13 kW ausgelegt.
Zur Not kann aber auch der elektrische Heizstab der Wärmepumpe das Heizungssystem unterstützen, wenn nicht genügend Energie vorhanden ist.
Eisspeicherheizung Kosten
Die Kosten für den Eisspeicher selbst belaufen sich etwa zwischen 5.000 und 7.000 € je nach Volumen des Tanks. Hinzu kommen dann noch 3.000 bis 4.000 € für das Ausheben der Grube, den Einbau des Tanks und der Installation der Rohrleitungen. Für die Anschaffung und Installation der Solarkollektoren fallen etwa 2.000 bis 2.500 € an. Insgesamt kann man also mit Gesamtkosten von 12.000 € rechnen für eine Eisspeicher-Anlage ohne Wärmepumpe.
Kostenpunkt | Kosten |
Eisspeicher | 5.000 – 7.000 € |
Einbau & Installation | 3.000 € – 4.000 € |
Solarkollektoren | 2.000 € – 2.500 € |
Gesamtkosten | 10.000 € – 13.000 € |
Eisspeicherheizung vs. Erdwärme
In diesem Beispiel wollen wir kurz vergleichen, wie gut der Eisspeicher preislich gegen Erdwärme aus Kollektoren oder Erdsonden abschneidet.
Eine Tiefenbohrung mit Erdsonde kostet durchschnittlich etwa ebenfalls 10.000 bis 15.000 €, allerdings kommen in dem Fall keine weiteren Kosten hinzu, da keine Kollektoren benötigt werden. Flächenkollektoren, die horizontal unterirdisch verlegt werden, sind meist mit Kosten von 6.000 bis 10.000 € noch günstiger.
Ein preislicher Vorteil ist mit dem Eisspeicher daher erstmal nicht gegeben. Allerdings kann ein Eisspeicher eine gute Alternative sein, wenn ihr Grundstück zu klein für Flächenkollektoren ist oder eine Tiefenbohrung nicht infrage kommt.
Betriebskosten einer Eisspeicherheizung
Die Eisspeicherheizung ist durch die Kombination mit einer Wärmepumpe eine sehr effektive und sparsame Möglichkeit das eigene Zuhause mit Energie zu versorgen. Je nachdem welche Art Wärmepumpe Sie verbaut haben und wie gut das Gebäude gedämmt ist, kann man mit jährlichen Energiekosten zwischen 500 und 700 € rechnen.
Der Eisspeicher erhöht die Effektivität der Wärmepumpe und des gesamten Heizsystems, so können die Nebenkosten insgesamt gesenkt werden.
Förderung für Eisspeicher
Es gibt keine direkten finanziellen Zuschüsse, da Eisspeicher aktuell nicht förderungsfähig sind. Sie können aber beim Kauf und Einbau eines Eisspeichers, der mit erneuerbaren Energien gespeist wird, den KfW-Kredit 270 in Anspruch nehmen. Über diesen zinsgünstigen Kredit können Sie die gesamten anfallenden Kosten für Kauf und Installation finanzieren. Die Mindestlaufzeit beträgt zwei Jahre und die Zinssätze fangen bei ca. 5 % an, viele Konstellationen für ihren individuellen Kredit sind möglich.
Kombination Wärmepumpe, Eisspeicher und Solaranlage
Am effektivsten funktioniert eine Eisspeicherheizung, wenn Sie zusätzlich zur Wärmepumpe auch noch mit einer PV-Anlage ausgestattet ist. So können nämlich verschiedene natürliche Energiequellen genutzt werden, um die Energieversorgung des Gebäudes zu unterstützen.
Die Solarthermiekollektoren liefern Energie, um das gefrorene Eis des Eisspeichers wieder aufzutauen, damit der Prozess von vorne beginnen kann. Die Wärmepumpe sorgt dafür, dass die Energie des Wassers entzogen und genutzt wird, denn nur so gefriert das Wasser anschließend. Die PV-Anlage beliefert die Wärmepumpe schließlich mit kostenlosen Strom, so dass die Betriebskosten noch weiter gesenkt werden.
Fazit: Lohnt sich eine Eisspeicherheizung
Eine Eisspeicherheizung ist eine wunderbare Möglichkeit, erneuerbare Energien zu nutzen, um die eigene Energieversorgung zu sichern und die Umwelt dabei zu schonen. Preislich muss man allerdings aktuell noch ein paar Abstriche hinnehmen, denn es gibt günstigere Optionen als einen Eisspeicher installieren zu lassen. Daher lohnt sich eine Eisspeicherheizung nur bedingt.
Sollten aber andere Möglichkeiten wie Flächenkollektoren oder eine Tiefenbohrung mit Erdsonde nicht möglich sein, stellt ein Eisspeicher eine gute Alternative dar.