Artikel aktualisiert am 23.08.2023
von Boris Stippe | ca: 15 Min. zu lesen

Eisspeicher

Wie heizt eine Wärmepumpe mit Eisspeicherheizung?

Ein Eisspeicher ist ein System zur Speicherung von Wärmeenergie, das auf der Verwendung von gefrorenem Wasser als Speichermedium basiert. Es wird häufig in Verbindung mit Wärmepumpen eingesetzt, um die Effizienz des Systems zu verbessern.

Eisspeicher können durch die Verwendung von gefrorenem Wasser eine große Energiemengen auf kleinem Raum speichern
Eisspeicher können durch die Verwendung von gefrorenem Wasser eine große Energiemengen auf kleinem Raum speichern (Bildquelle: Sebastian Studio – stock.adobe.com)

Ein Eisspeicher ist eine besondere Art von Wärmespeicher, der in Verbindung mit einer Wärmepumpe eingesetzt wird. Er besteht aus einem mit Wasser gefüllten Erdtank, der in den Wintermonaten durch eine Wärmepumpe auf eine Temperatur unter dem Gefrierpunkt abgekühlt wird. Dadurch bildet sich im Tank eine Eisschicht, die im Sommer zur Kühlung des Gebäudes genutzt werden kann.

Im Sommer entzieht die Wärmepumpe dem Eisspeicher die gespeicherte Kälte und nutzt sie zur Kühlung des Gebäudes. Gleichzeitig wird das Wasser im Eisspeicher erwärmt, was wiederum im Winter zur Beheizung des Gebäudes genutzt werden kann. Durch den Einsatz eines Eisspeichers kann die Effizienz der Wärmepumpe gesteigert werden, da sie im Sommer nicht gegen hohe Außentemperaturen ankämpfen muss und im Winter mit einer höheren Vorlauftemperatur arbeiten kann.

Die Größe des Eisspeichers hängt von verschiedenen Faktoren ab, wie der Größe des Gebäudes, dem Wärmebedarf und dem verfügbaren Platz für den Speicher. In der Regel ist ein Eisspeicher jedoch eine sinnvolle Investition, da er langfristig die Heiz- und Kühlkosten senkt und gleichzeitig die Umwelt schont.

Was ist ein Eisspeicher?

Ein Eisspeicher ist ein spezieller Energiespeicher, der zur thermischen Speicherung von Energie eingesetzt wird. Er basiert auf dem Prinzip der Phasenwechselenergie, bei dem Wärmeenergie genutzt wird, um einen Stoff von einem Aggregatzustand in einen anderen zu überführen und diese Energie bei Bedarf wieder freizusetzen.

Der Speicher besteht aus einem großen Wassertank, der mit einem Kältemittelkreislauf verbunden ist. Der Kältemittelkreislauf besteht aus einem Verdichter, einem Kondensator, einem Expansionsventil und einem Verdampfer. Das Kältemittel, in der Regel ein fluoriertes Gas wie R134a, zirkuliert im Kreislauf und durchströmt diese verschiedenen Komponenten.

Der Betrieb eines Eisspeichers erfolgt in zwei Hauptphasen: der Ladephase und der Entladephase. In der Ladephase wird überschüssige Energie aus erneuerbaren Quellen wie Solarenergie oder Biomasse genutzt, um das Kältemittel im Verdampfer abzukühlen. Dieser Prozess findet in der Regel nachts oder zu Zeiten geringeren Energiebedarfs statt.

In der Entladephase wird die im Eis gespeicherte Energie bei Bedarf freigesetzt. Das Kältemittel wird durch den Verdampfer geleitet, wodurch das Eis schmilzt und das Wasser im Speichertank erwärmt wird. Diese warme Flüssigkeit kann dann für verschiedene Anwendungen wie Raumheizung, Warmwasserbereitung oder zur Unterstützung industrieller Prozesse genutzt werden.

Eisspeicher bieten als Energiespeicher mehrere Vorteile. Sie sind im Vergleich zu anderen Speichertechnologien wie Batteriespeichern kostengünstig. Sie haben eine hohe spezifische Speicherkapazität, da die Phasenwechselenergie des Eises deutlich höher ist als die spezifische Wärmekapazität von Wasser. Außerdem sind sie umweltfreundlich, da sie erneuerbare Energiequellen nutzen und keine schädlichen Emissionen verursachen.

Wie funktioniert ein Eisspeicher?

Ein Eisspeicher, auch Eiswärmespeicher oder Eisspeicherheizung genannt, funktioniert auf der Grundlage des Phasenwechsels von Wasser. Das Prinzip beruht darauf, dass beim Gefrieren und Schmelzen von Wasser große Energiemengen in Form von Latentwärme freigesetzt bzw. aufgenommen werden.

Er besteht aus einem isolierten Wassertank, der in der Regel im Erdreich oder im Keller eines Gebäudes installiert wird. Der Speicher ist in zwei Bereiche unterteilt, einen Kaltwasserbereich und einen Warmwasserbereich. Zwischen den beiden Bereichen befindet sich eine Trennwand, die normalerweise aus einem wärmeleitenden Material besteht.

Dabei arbeitet der Eisspeicher in einem Zyklus, der aus drei Hauptphasen besteht: der Ladephase, der Speicherphase und der Entladephase.

Während der Ladephase wird kaltes Wasser oder ein Kältemittelgemisch durch einen Wärmetauscher in den Kaltwasserraum des Speichers geleitet. Nachts oder in Zeiten mit geringerem Energiebedarf wird die Kältemaschine zugeschaltet, um das Wasser im Kaltwasserraum auf eine Temperatur knapp über dem Gefrierpunkt abzukühlen. Dabei wird dem Wasser Wärme entzogen und es beginnt allmählich zu gefrieren. Die freigesetzte Energie wird vom Kältemittel im Kältekreislauf aufgenommen.

In der Speicherphase verbleibt das gefrorene Eis im Kaltwasserraum und dient als thermischer Energiespeicher. Das Eis wirkt wie ein Puffer, der Wärmeenergie aufnehmen und speichern kann.

In der Entladephase wird warmes Wasser oder eine warme Flüssigkeit durch den Wärmetauscher im Warmwasserraum des Speichers gepumpt. Das warme Medium gibt Wärme an das Eis ab, wodurch das Eis schmilzt und das Wasser im Heißwasserraum erwärmt wird. Die Wärmeenergie wird dann entweder direkt für die Raumheizung genutzt oder über einen Wärmetauscher zur Warmwasserbereitung weitergeleitet.

Der Zyklus wiederholt sich, indem kaltes Wasser wieder in den Kaltwasserraum gepumpt wird, um das Eis wieder aufzubauen. Dies ermöglicht eine kontinuierliche Nutzung des Eisspeichers als Wärmespeicher.

Die Effizienz eines Eisspeichers hängt von verschiedenen Faktoren wie der Größe des Speichers, der Wärmedämmung, der Leistung der Kältemaschine und der Effizienz des Wärmetauschers ab. Ein richtig dimensionierter und betriebener Eisspeicher kann dazu beitragen, den Energiebedarf eines Gebäudes zu optimieren, indem überschüssige Energie gespeichert und bei Bedarf wieder abgegeben wird.

Was sind die Vorteile eines Eisspeichers im Vergleich zu anderen Heizsystemen?

Eisspeicher bieten im Vergleich zu anderen Heizsystemen mehrere Vorteile:

Effizienz und Wirtschaftlichkeit: Eisspeicher nutzen die hohe Energiedichte des Phasenwechsels von Wasser und ermöglichen so eine effiziente Wärmespeicherung. Die latente Wärme des Eises ist deutlich höher als die spezifische Wärmekapazität von Wasser. Dadurch kann mehr Energie auf kleinerem Raum gespeichert werden. Dies führt zu einer hohen Energiespeicherkapazität und ermöglicht die effiziente Nutzung von überschüssiger oder kostengünstiger Energie, z.B. aus erneuerbaren Quellen. Langfristig kann dies zu Kosteneinsparungen bei der Gebäudebeheizung führen.
Nachhaltigkeit und Umweltfreundlichkeit: Sie sind umweltfreundliche Heizsysteme, da sie erneuerbare Energiequellen nutzen und keine direkten CO2-Emissionen verursachen. Durch die Integration von Eisspeichern in ein erneuerbares Energiesystem kann der Anteil erneuerbarer Energien an der Wärmeversorgung eines Gebäudes erhöht werden. Dies trägt zur Reduktion von Treibhausgasemissionen und zur Nachhaltigkeit bei.
Flexibilität und Lastmanagement: Zudem ermöglichen Eisspeicher einen flexiblen Energieeinsatz, da sie überschüssige Energie speichern und bei Bedarf wieder abgeben können. Dies ist besonders vorteilhaft in Verbindung mit erneuerbaren Energien, deren Verfügbarkeit je nach Wetterlage schwankt. Die Speicherung überschüssiger Energie in Zeiten geringer Nachfrage und die Nutzung der gespeicherten Energie in Zeiten hoher Nachfrage ermöglicht ein effektives Lastmanagement und eine bessere Auslastung der Energieinfrastruktur.
Langlebigkeit und geringer Wartungsaufwand: In der Regel haben Eisspeicher eine lange Lebensdauer und erfordern nur einen geringen Wartungsaufwand. Der Speicherbehälter kann aus robusten Materialien wie Stahlbeton oder Kunststoff bestehen, die eine hohe Lebensdauer aufweisen. Die Komponenten des Kältemittelkreislaufs wie Kompressor und Wärmetauscher müssen regelmäßig gewartet werden, sind aber in der Regel langlebig und zuverlässig.
Platzersparnis: Im Vergleich zu anderen Energiespeichertechnologien wie Batterien oder Wärmespeichern auf der Basis von Wasser oder Erde benötigen Eisspeicher weniger Platz. Da die Energiedichte von Eis hoch ist, kann in einem vergleichsweise kleinen Speichertank viel Energie gespeichert werden. Dies ist besonders vorteilhaft in Gebieten mit begrenztem Platzangebot.

Insgesamt bieten Eisspeicher eine effiziente, nachhaltige und flexible Lösung für die Wärmespeicherung und Beheizung von Gebäuden. Sie können dazu beitragen, den Energieverbrauch zu optimieren, den Anteil erneuerbarer Energien zu erhöhen und langfristig Kosten einzusparen.

Wie wird ein Eisspeicher in eine Wärmepumpenanlage integriert?

Die Integration erfolgt in der Regel durch den Anschluss des Eisspeichers an den Wärmequellen- und Wärmesenkenkreislauf der Wärmepumpe. Im Folgenden wird detailliert erläutert, wie diese Integration erfolgen kann:

Wärmequellenkreislauf: Die Wärmepumpe entzieht der Wärmequelle (z.B. Erdreich, Grundwasser oder Umgebungsluft) Wärmeenergie und erhöht die Temperatur über den Kältemittelkreislauf. Zur Einbindung des Eisspeichers in den Wärmequellenkreislauf ist in der Regel ein zusätzlicher Wärmetauscher erforderlich. Das Kältemittel gibt die Wärme an das Wasser im Eisspeicher ab und kühlt sich dabei ab. Dadurch wird die im Eisspeicher gespeicherte Wärmeenergie aufgenommen und der Wärmepumpenprozess unterstützt.
Steuerung und Regelung: Für eine effiziente Integration ist eine intelligente Steuerung und Regelung erforderlich. Die Steuerung überwacht und optimiert den Betrieb der Wärmepumpe und des Eisspeichers auf Basis der aktuellen Bedingungen und des Energiebedarfs. Dabei werden Faktoren wie die Temperatur in der Wärmequelle, die Temperatur im Eisspeicher, der Energiebedarf des Gebäudes und die Leistung der Wärmepumpe berücksichtigt. Dies ermöglicht einen effizienten Energieaustausch zwischen Wärmepumpe und Eisspeicher.

Die genaue Konfiguration der Integration kann je nach den spezifischen Anforderungen und Bedingungen des Systems variieren. Es ist wichtig, dass die Dimensionierung und Auslegung der Wärmepumpe und des Eisspeichers aufeinander abgestimmt sind, um eine optimale Leistung zu erzielen. Ein Fachinstallateur oder Energieberater kann bei der Planung und Installation einer Wärmepumpenanlage mit Eisspeicherintegration helfen, um die bestmögliche Effizienz und Leistung zu erzielen.

Wie viel Energie kann ein Eisspeicher speichern und wie lange kann diese Energie genutzt werden?

Die Speicherkapazität eines Eisspeichers hängt von verschiedenen Faktoren wie der Größe des Speicherbehälters, der Dicke der Eisschicht und den Umgebungsbedingungen ab. Um die Energiemenge zu berechnen, die ein Eisspeicher speichern kann, muss die spezifische Schmelzwärme des Eises und das Volumen des Speicherbehälters berücksichtigt werden.

Die spezifische Schmelzwärme des Eises beträgt ca. 334 kJ/kg. Das bedeutet, dass pro Kilogramm Eis 334 kJ Energie gespeichert werden können. Die genaue Kapazität hängt jedoch von der Temperaturdifferenz zwischen dem Eis und der Umgebung ab. Je größer der Temperaturunterschied, desto mehr Energie kann gespeichert werden.

Auch die Dicke der Eisschicht im Speichertank kann die Speicherkapazität beeinflussen. Je dicker die Eisschicht, desto mehr Energie kann gespeichert werden. Die Dicke der Eisschicht kann je nach Anwendung variieren, liegt aber typischerweise zwischen einigen Zentimetern und mehreren Metern.

Die Lebensdauer der im Eisspeicher gespeicherten Energie hängt von mehreren Faktoren ab, wie dem Wärmebedarf des Gebäudes, dem Energieverbrauch und der Größe des Eisspeichers. Ist der Eisspeicher ausreichend dimensioniert und die Energiemenge gut auf den Bedarf des Gebäudes abgestimmt, kann die gespeicherte Energie über mehrere Tage bis Wochen genutzt werden.

Die tatsächliche Nutzungsdauer kann jedoch variieren und hängt von der Effizienz des Systems, der Isolierung des Speichers und der Wärmeleitfähigkeit des umgebenden Erdreichs oder Gebäudes ab. In der Praxis wird die gespeicherte Energie typischerweise über einen Zeitraum von einigen Stunden bis zu mehreren Tagen genutzt, je nach Wärmebedarf und Energieeffizienz des Gebäudes.

Es ist wichtig zu beachten, dass die genaue Energiemenge und Nutzungsdauer eines Eisspeichers durch eine professionelle Dimensionierung und Planung bestimmt werden sollte. Ein erfahrener Fachmann kann die spezifischen Anforderungen analysieren und den Eisspeicher entsprechend konfigurieren, um eine optimale Nutzung der gespeicherten Energie zu gewährleisten.

Wie hoch sind die Kosten für die Installation und Wartung eines Eisspeichers?

Die Kosten für die Installation und Wartung eines Eisspeichers hängen von verschiedenen Faktoren ab, wie z.B. der Größe des Speichers, der Komplexität des Systems, den örtlichen Gegebenheiten und der Verfügbarkeit von Arbeitskräften. Hier sind einige Kostenaspekte, die berücksichtigt werden sollten:

Installation: Die Installation eines Eisspeichers erfordert in der Regel den Einsatz von Fachleuten wie Heizungs- oder Kältetechnikern. Die Installationskosten hängen von der Größe des Speichers und der Komplexität des Systems ab. Sie umfassen die Kosten für den Speichertank, den Kältemittelkreislauf, die Wärmetauscher, die Rohrleitungen, die Isolierung und die Steuereinheit. Die Kosten können variieren, aber als grobe Schätzung kann man von mehreren tausend bis zehntausend Euro ausgehen.
Wartung: Ein Eisspeicher muss regelmäßig gewartet werden, um eine optimale Leistung und lange Lebensdauer zu gewährleisten. Die Wartung umfasst die Inspektion des Kältemittelkreislaufs, die Überprüfung der Dichtheit, die Reinigung des Wärmetauschers und die Überprüfung der Steuereinheit. Die Häufigkeit der Wartung hängt von verschiedenen Faktoren ab, wie der Lebensdauer des Eisspeichers, den Betriebsstunden und den Betriebsbedingungen. Die Kosten für die Wartung können jährlich anfallen und variieren je nach Umfang der Wartungsarbeiten und den Stundensätzen der Fachkräfte.
Betriebskosten: Die Betriebskosten eines Eisspeichers umfassen die Energiekosten für den Betrieb der Kältemaschine und anderer Hilfssysteme wie Pumpen und Steuerungen. Die genauen Betriebskosten hängen von der Größe des Eisspeichers, dem Energiebedarf des Gebäudes, den Strompreisen und der Effizienz des Systems ab. Wichtig ist, dass Eisspeicher im Vergleich zu anderen Energiespeichertechnologien wie Batteriespeichern tendenziell niedrigere Betriebskosten aufweisen, da sie weniger mechanische Verschleißteile haben und weniger Wartung benötigen.
Lebenszykluskosten: Bei der Betrachtung der Gesamtkosten eines Eisspeichers sollten auch die Lebenszykluskosten berücksichtigt werden. Diese umfassen nicht nur die Installations- und Wartungskosten, sondern auch die langfristigen Energieeinsparungen, die durch die Nutzung des Eisspeichers erzielt werden können. Durch die Speicherung überschüssiger Energie und die Optimierung des Energieverbrauchs kann ein Eisspeicher langfristig zu erheblichen Kosteneinsparungen bei der Beheizung des Gebäudes führen.

Bitte beachten Sie, dass die genauen Kosten für die Installation und Wartung eines Eisspeichers von vielen Faktoren abhängen und daher von Fall zu Fall unterschiedlich sein können. Es wird empfohlen, Angebote von verschiedenen Fachleuten einzuholen und eine detaillierte Kostenanalyse für das spezifische Projekt durchzuführen, um eine genaue Schätzung zu erhalten.

Wie effizient ist ein Eisspeicher im Vergleich zu anderen Energiequellen?

Ein Eisspeicher kann eine effiziente und nachhaltige Alternative zu herkömmlichen Energiequellen sein, insbesondere wenn er in Verbindung mit einer Wärmepumpe verwendet wird. Hier sind einige Aspekte, die die Effizienz eines Eisspeichers im Vergleich zu anderen Energiequellen beeinflussen:

Phasenwechselwirkungsgrad: Der Wirkungsgrad eines Eisspeichers basiert auf dem Prinzip des Phasenwechsels von Wasser. Beim Gefrieren und Schmelzen von Wasser wird latente Wärme freigesetzt bzw. aufgenommen. Diese Phasenwechselenergie ist deutlich höher als die spezifische Wärmekapazität des Wassers. Dadurch kann ein Eisspeicher mehr Energie auf kleinerem Raum speichern, was zu einer höheren Energiedichte führt.
Kombination mit Wärmepumpe: Durch die Kombination eines Eisspeichers mit einer Wärmepumpe kann die Effizienz weiter gesteigert werden. Eine Wärmepumpe nutzt den umgekehrten Kältemittelkreislauf, um Umweltenergie aufzunehmen und auf ein höheres Temperaturniveau zu bringen. Durch den Einsatz eines Eisspeichers als Wärmespeicher kann die Wärmepumpe überschüssige Energie nutzen, um das Eis zu schmelzen und die Wärmeenergie in den Speicher zu übertragen. Dies ermöglicht eine effiziente Nutzung erneuerbarer Energiequellen und eine bessere Abstimmung von Angebot und Nachfrage.
Integration erneuerbarer Energien: Ein Eisspeicher kann effektiv mit erneuerbaren Energiequellen wie Solarenergie oder Biomasse kombiniert werden. In Zeiten hoher Energieproduktion, z.B. an sonnigen Tagen, kann die überschüssige Energie genutzt werden, um das Eis im Speicher zu schmelzen und Wärmeenergie zu speichern. Diese gespeicherte Energie kann dann zu Spitzenlastzeiten oder in Zeiten geringer Energieproduktion genutzt werden, was zu einer effizienteren Nutzung erneuerbarer Ressourcen führt.
Geringe Verluste: Ein gut isolierter Eisspeicher kann geringe Wärmeverluste aufweisen, was zu einem höheren Wirkungsgrad führt. Durch die Verwendung hochwertiger Dämmmaterialien und eine sorgfältige Installation können die Wärmeverluste auf ein Minimum reduziert werden. Dadurch bleibt die im Eisspeicher gespeicherte Energie über längere Zeiträume erhalten und kann effizient genutzt werden.
Individuelle Anpassung: Die Effizienz eines Eisspeichers hängt auch von der richtigen Dimensionierung und Anpassung an den individuellen Energiebedarf des Gebäudes oder der Anwendung ab. Durch eine professionelle Planung und Installation kann der Eisspeicher optimal an die spezifischen Anforderungen angepasst werden, was zu einer effizienten Nutzung und besseren Energieeffizienz führt.

Dabei ist zu beachten, dass die Effizienz eines Eisspeichers von verschiedenen Faktoren abhängt, wie z.B. der Auslegung des Systems, der Dimensionierung des Speichers, der Wärmedämmung und der Integration mit anderen Komponenten. Eine professionelle Beratung und Planung ist daher entscheidend, um die bestmögliche Effizienz und Leistung eines Eisspeichers zu gewährleisten.

Fazit

Ein Eisspeicher ist eine effiziente und nachhaltige Lösung zur Speicherung von Wärmeenergie. Durch die Verwendung von gefrorenem Wasser als Speichermedium kann ein Eisspeicher große Energiemengen auf kleinem Raum speichern. Insbesondere in Kombination mit einer Wärmepumpe kann die Effizienz des Systems weiter gesteigert werden. Im Vergleich zu anderen Heizsystemen bietet ein Eisspeicher eine Reihe von Vorteilen. Er ist kostengünstig, da er eine hohe Energiedichte aufweist und somit mehr Energie auf kleinem Raum speichern kann. Außerdem ist sie umweltfreundlich und nachhaltig, da sie erneuerbare Energiequellen nutzt und keine schädlichen Emissionen verursacht. Durch Flexibilität und Lastmanagement kann überschüssige Energie effizient genutzt werden, was zu einer optimalen Auslastung der Energieinfrastruktur führt. Darüber hinaus ist ein Eisspeicher langlebig und wartungsarm. Die Integration eines Eisspeichers in ein Wärmepumpensystem erfolgt durch den Anschluss an den Wärmequellen- und Wärmesenkenkreislauf der Wärmepumpe. Die Steuerung und Regelung des Systems ist entscheidend für die effiziente Nutzung der gespeicherten Energie. Die Speicherkapazität eines Eisspeichers hängt von der Größe des Speicherbehälters, der Dicke der Eisschicht und den Umgebungsbedingungen ab. Die gespeicherte Energie kann je nach Wärmebedarf und Effizienz des Systems über einen Zeitraum von einigen Stunden bis zu mehreren Tagen genutzt werden. Auch die Kosten für die Installation und Wartung eines Eisspeichers hängen von der Größe des Speichers, der Komplexität des Systems und den örtlichen Gegebenheiten ab. Es ist ratsam, Angebote von Fachleuten einzuholen und eine detaillierte Kostenanalyse durchzuführen, um genaue Schätzungen zu erhalten. Ein Eisspeicher ist im Vergleich zu anderen Energiequellen effizient, insbesondere wenn er mit einer Wärmepumpe kombiniert wird. Durch den Phasenwechsel des Wassers kann eine hohe Energiedichte erreicht werden. Die Kombination mit erneuerbaren Energiequellen und die geringen Verluste tragen zur Effizienz des Systems bei. Eine individuelle Anpassung an den Energiebedarf des Gebäudes oder der Anwendung ist ebenfalls möglich.

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