Energiekosten einfach einfrieren

Entlang der Wärmetauscherrohre bilden sich Eiszylinder mit einem Durchmesser von ca. 100 cm.

Rund 350000 Wärmepumpen wurden bisher in Deutschland installiert – ein Boom, der kaum zu stoppen ist. Und tatsächlich spricht viel für diesen vielleicht wichtigsten Trend in der Gebäudetechnik:
Herkömmliche Wärmepumpen beziehen ihre Heizenergie nicht aus fossilen Rohstoffen, sondern entweder aus der natürlichen Erd-, Grundwasser- oder Lufttemperatur.
Diese meist relativ kühlen Temperaturquellen werden in einer Art "umgekehrtem Kühlschrankeffekt" in Wärme umgewandelt – mit unterschiedlich hohem Aufwand. Mal werden Erdkollektoren großflächig im Garten installiert, mal sind Bohrungen in großer Tiefe erforderlich, mal genügt ein einfacher Stellplatz für eine Luftwärmepumpe.
Jedes dieser Konzepte ermöglicht grundsätzlich eine umweltfreundliche und sparsame Versorgung mit Heizenergie und warmem Wasser. Die Krux: Nicht jede Wärmepumpe ist auch für jedes Gebäude geeignet – und keines der genannten herkömmlichen Verfahren ist bisher wirklich ausgereift:

• Für eine Erdwärmepumpe ist zunächst eine ausreichende Gartenfläche erforderlich, auch sollte die Installation möglichst vor der Erstbepflanzung durchgeführt werden. Doch auch später noch können Schäden an den Rohrleitungen auftreten – etwa durch starken Wurzelwuchs von Bäumen und Sträuchern.
• Bei der Nutzung des Grundwassers für die Erzeugung von Heizenergie ist meist ein aufwendiges Genehmigungsverfahren durch die örtliche Wasserbehörde Pflicht. Die Bohrungen sind zudem teuer und mit gewissen Risiken für die Bausubstanz der umliegenden Gebäude verbunden. So zeigten sich etwa im Schwarzwaldstädtchen Staufen nach umfangreichen Erdwärmebohrungen Risse an 256 Häusern – ein Schaden von mehr als 40 Mio. Euro.
• Völlig "ungefährlich" sind dagegen Luftwärmepumpen – allerdings erreichen sie nicht immer die erforderliche Vorlauftemperatur und müssen daher nicht selten durch klassische Öl- oder Gasheizbrenner unterstützt werden.

Messarbeiten im Inneren eines Eispeichers zum Ende einer Heizperiode. Der hier gezeigte Eisspeicher hat ein Volumen von mehr 900000 l.

Der entscheidende Nachteil aller drei genannten Wärmepumpen-Systeme ist jedoch ihre Abhängigkeit von natürlichen Standort- und Klimabedingungen, die sich oft nur schwer vorhersehen und steuern lassen. Um diese Schwächen zu umgehen, setzen zahlreiche Eigenheimbesitzer, Unternehmen und öffentliche Einrichtungen bei Neubauten und Modernisierungen neuerdings auf ein sogenanntes "SolarEis"-Speichersystem.

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Sonne, Luft, Erde, Wasser und Eis

Das Grundprinzip: Anstatt sich nur auf eine natürliche Energiequelle zu verlassen, werden hierbei gleich mehrere "Naturgewalten" gleichzeitig genutzt: Sonne, Luft, Erde, Wasser – und Eis.
Erfinder dieser "optimalen Wärmepumpe" ist der Friedrichshafener Ingenieur Alexander von Rohr, der zusammen mit Heiko Lüdemann eine eigens für das Projekt gegründete Manufaktur am Bodensee betreibt – die Isocal Heizkühlsysteme GmbH.
Das hier gefertigte "SolarEis"-System wurde bereits 2006 mit dem "Innovationspreis der deutschen Gaswirtschaft" ausgezeichnet und besteht aus mehreren Komponenten:

Der "SolarEis"-Speicher vor dem Firmengebäude von Isocal.

• Das zentrale Element ist der Eisspeicher. Dabei handelt es sich um einen isolierten Wassertank, der in einer Tiefe von etwa vier Metern in den Erdboden eingelassen wird. Bei Wohnhäusern geschieht dies meist unter der Garage. Das Fassungsvermögen reicht dabei von etwa 10 – 15 m³ für Einfamilienhäuser und bis zu 1000 m3 bei Gewerbegebäuden. Einmal im Erdboden versenkt, nimmt das Wasser dort zunächst die natürliche Erdwärme der Bodenschichten auf und macht sich diese für die spätere Energiegewinnung zunutze.
• Zugleich werden die Temperaturbedingungen im Tank durch einen übererdigen Kollektor beeinflusst, der – meist auf dem Hausdach montiert – seine Energie sowohl aus der vorhandenen Lufttemperatur als auch aus der Sonnenkraft bezieht. Dieser "SolarLuft"-Kollektor speichert die Wärme selbst noch bei Dunkelheit oder Regen und lagert sie über ein entsprechendes Leitungssystem im "SolarEis"-Speicher ein. Im Sommer wird die Solarwärme genutzt, um das Brauchwasser zu erwärmen – im Winter bietet der Kollektor eine kräftige Heizunterstützung.
• Nun kommt die Wärmepumpe ins Spiel: Sie versorgt das Gebäude mit der nötigen Raumwärme, die zuvor durch Sonnenenergie, Lufttemperatur oder Erdwärme im "SolarEis"-Speicher erzeugt wurde. Dabei kommt eine spezielle "Gas-Absorptions"-Wärmepumpe mit einer Leistung von mindestens 40 kW zum Einsatz, die von einem Gasbrenner angetrieben wird.
• Um auch jederzeit ausreichende Mengen an warmem Wasser zur Verfügung zu stellen, wird zusätzlich ein Warmwasserspeicher im Gebäude installiert. Dieser speist sich zunächst aus der Sonnenwärme, die der "SolarLuft"-Kollektor erzeugt. Scheint die Sonne nicht, springt die Wärmepumpe automatisch auf die Versorgung mit Wärmeenergie aus dem "SolarEis"-Speicher um.
• Ein speziell für dieses komplexe System entwickelter Regler kontrolliert die einzelnen Komponenten: der "SolarEis"-Manager. Damit legen die Bewohner beispielsweise fest, ob die Wärme des überirdischen "SolarLuft"-Kollektors sofort für Warmwasser verwendet oder aber zunächst im unterirdischen "SolarEis"-Speicher eingelagert werden soll.

Physikalisches Phänomen

Ein "SolarEis"-Speicher wird eingebaut.

Erfinder Alexander von Rohr: "Einen Eiskeller zu Hause im Garten zu haben, wie die Generation unserer Großeltern das kannte, kann auf diesem Wege wieder zum Alltag werden und kostengünstig für das richtige Klima sorgen." Doch woher stammt die enorme Energiemenge, die ein moderner "SolarEis"-Speicher erzeugt? Alexander von Rohr: "Das Geheimnis beruht auf einem einfachen physikalischen Prinzip: Wenn Wasser zu Eis gefriert, entsteht die sogenannte Kristallisationswärme. Diese freigesetzte Wärmemenge entspricht derselben Energiemenge, die man gewinnt, wenn man Wasser von 80°C auf 0°C herabkühlt. Das Problem: Bisher konnte dieser Effekt nicht genutzt werden, da die dabei auftretende Sprengwirkung des Eises technisch nicht beherrschbar war."
Anders nun mit dem "SolarEis"-System, das durch seine neuartige Technologie die Sprengung des Eises zuverlässig verhindert. Der Clou: Der Kristallisationsprozess kann nun nicht nur hundertprozentig beherrscht, sondern auch gezielt gesteuert – und vor allem – fast beliebig hinausgezögert werden. Dabei wird der Gefrierpunkt über Monate hinweg immer wieder eingeleitet, gestoppt und aufs Neue gestartet. Und immer wieder aufs Neue wird eine enorme Menge an Kristallisationswärme freigesetzt. Alexander von Rohr: "Dieses physikalische Phänomen kommt der extrem hohen Effizienz der Anlage im Betrieb über den gesamten Jahreszyklus hinweg zugute."
Mit dem "SolarEis"-System kann man jedoch nicht nur im Winter heizen, sondern im Sommer auch die gespeicherte Kälte zum aktiven Kühlen von Wohn- und Arbeitsräumen verwenden. Der "SolarEis"-Speicher wird damit zur nahezu kostenneutralen und umweltschonenden Klimaanlage. Es ist lediglich eine kleine Umwälzpumpe nötig, die den Kaltwasserkreislauf zwischen Gebäude und Eisspeicher aufrecht erhält.

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Positiv für PV-Anlagen

Besitzer von Photovoltaik-Anlagen können sich zudem über einen äußerst gewinnbringenden Nebeneffekt freuen: Denn die Kühlung aus dem Eisspeicher kann ohne gro-ßen Aufwand an besonders heißen Sommertagen auch für die Module genutzt werden. Damit lassen sich die bei Überhitzung von PV-Anlagen einsetzenden Energieverluste ausgleichen – die "SolarEis"-Kühlung bringt hierbei in der Praxis zwischen 25 und 30% Energiegewinn.
Das Ganze ist trotz seiner zahlreichen physikalischen und technischen Finessen nicht nur flexibel, sondern auch leicht zu installieren und lässt sich leicht steuern. Dabei deckt das "SolarEis"-System bei entsprechender Auslegung sowohl den Wärme- als auch den Kältebedarf von Gebäuden aller Größenordnungen hundertprozentig und ganzjährig ab – vom Eigenheim bis zum Bürokomplex.
Zu den Nutzern gehören nicht nur immer mehr "Häuslebauer" zwischen Flensburg und Garmisch, sondern etwa auch ein Luxushotel in Konstanz (mit einem "SolarEis"-Speicher von 170 m³) oder ein Verwaltungsgebäude in Düsseldorf (mit 800 m³ Speichervolumen). Auch das in einem Wasserschutzgebiet gelegene Stuttgarter Stadtarchiv setzt auf die Innovation aus Friedrichshafen: In dem Archiv kommen ein 385 m³ großer Eisspeicher und eine Wärmepumpe mit einer Leistung von 160 kW zum Einsatz, sorgen für ein angenehmes Arbeitsklima und schützen die empfindlichen Archivalien vor Überwärmung oder schädlichen Kälteeinflüssen.

Bilder: Isocal

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