Eisspeicher: Wie effizient ist das Heizen mit Eis?

Ein Eisspeicher stellt eine Möglichkeit zur thermischen Energiespeicherung dar, die im Zusammenspiel mit Wärmepumpen und Photovoltaikanlagen zur Beheizung sowie Kühlung von Gebäuden eingesetzt werden kann. Das System nutzt dabei die Energie, die beim Phasenübergang von Wasser zu Eis freigesetzt wird.

Relevanz für bestehende Photovoltaik- und Stromspeichersysteme

Für Betreiber, die bereits eine Photovoltaikanlage und einen Batteriespeicher nutzen, erfüllt ein Eisspeicher als thermische Komponente eine ergänzende Funktion im Gesamtsystem:

• Sektorentrennung: Der Batteriespeicher deckt den rein elektrischen Haushaltsbedarf ab. Der Eisspeicher puffert hingegen die thermische Energie und entlastet so den Stromspeicher.
• Ertragsnutzung: In Erzeugungsphasen der PV-Anlage kann der generierte Strom gezielt für den Betrieb der Wärmepumpe eingesetzt werden, um das thermische System zu regenerieren oder zu betreiben.
• Systembetreuung: Bei bestehenden Anlagen erfordert die Einbindung eines Eisspeichers eine Abstimmung der Steuerungsschnittstellen zwischen Wechselrichter, Batteriespeicher und Wärmepumpenmanagement, um einen reibungslosen Weiterbetrieb zu gewährleisten.

Was sind Eisspeicher?

Ein Eisspeicher – auch als Latentspeicher oder Eis-Wasser-Wärmespeicher bezeichnet – ist ein thermisches Speichersystem, das meist aus einem unterirdischen, wassergefüllten Behälter besteht. Im Inneren befinden sich Rohrleitungen, durch die ein Wärmeträgermedium zirkuliert.

Das System dient in Kombination mit einer Sole-Wasser-Wärmepumpe der Beheizung und Gebäudekühlung. Es nutzt dabei die physikalische Besonderheit der Kristallisationswärme: Beim Phasenübergang von flüssigem Wasser zu Eis wird eine erhebliche Menge Energie freigesetzt, die durch die Wärmepumpe für das Heizsystem nutzbar gemacht wird. Im Sommerbetrieb lässt sich das entstandene Eis wiederum zur passiven Gebäudekühlung einsetzen.

Wie funktionieren Eisspeicher?

Das Funktionsprinzip eines Eisspeichers basiert auf dem kontinuierlichen Wechsel des Aggregatzustands von Wasser. Eine angeschlossene Wärmepumpe entzieht dem flüssigen Wasser im Behälter thermische Energie. Unterschreitet die Temperatur den Gefrierpunkt, setzt der Phasenübergang zu Eis ein, wobei die sogenannte Kristallisationswärme freigesetzt und für das Heizsystem genutzt wird.

Zur Aufrechterhaltung dieses Prozesses wird das gefrorene Wasser über externe Quellen wie Solarthermie, Massivabsorber oder Umgebungsluft wieder aufgetaut und der Speicher somit thermisch regeneriert.

Bedeutung für die Betreuung von PV-Bestandsanlagen

In bestehenden Gesamtsystemen – insbesondere bei Kombination von Photovoltaik, Stromspeicher und Wärmepumpe – ergeben sich durch den Einsatz eines Eisspeichers spezifische Anforderungen an den laufenden Betrieb:

• Schnittstellenabstimmung: Das Steuerungssystem der PV-Anlage muss mit dem Energiemanagement der Wärmepumpe harmonieren, um Solarstromüberschüsse gezielt für die Regeneration des Speichers einzusetzen.
• Entlastung des Stromspeichers: Die hocheffiziente Bereitstellung von Niedertemperaturwärme senkt die elektrische Last der Wärmepumpe. Dadurch wird der bestehende Batteriespeicher im Winter seltener tiefentladen, was die Systemstabilität erhöht.
• Überwachung des Gesamtsystems: Für die technische Betriebsführung von Bestandsanlagen ist eine kontinuierliche Erfassung der Steuerparameter nötig, um die Abstimmung zwischen elektrischer Eigenversorgung und thermischem Speicherbedarf dauerhaft zu gewährleisten.

Die wichtigsten Komponenten eines Eispeichers

Ein Eisspeichersystem setzt sich aus mehreren aufeinander abgestimmten Systemkomponenten zusammen, die die Speicherung und Bereitstellung thermischer Energie ermöglichen.

Kernkomponenten und ihre Funktion

• Wassertank (Latentspeicher): Ein meist unterirdisch installierter, isolierter Behälter, der als Speichermedium für das Wasser dient.
• Wärmetauscher (Entnahme- und Regenerationsleitungen): Im Tank verlegte Rohrnetzstrukturen, die ein Wärmeträgermedium (z. B. Wasser-Glykol-Gemisch) führen, um dem Wasser Energie zu entziehen oder wieder zuzuführen.
• Wärmepumpe (Sole-Wasser): Wandelt die dem Wassertank entnommene Niedertemperaturwärme auf ein höheres Temperaturniveau für das Heiz- und Warmwassersystem um.
• Regenerationseinheit: Externe Wärmequellen (z. B. Solarthermie-Kollektoren, Luft-PVT-Absorber oder Abluftsysteme), die dem vereisten Tank thermische Energie zuführen, um das Eis aufzutauen.

Warum Eisspeicher mit einer Wärmepumpe kombinieren?

Die Kombination aus Eisspeicher und Wärmepumpe nutzt die Latentwärme des Phasenübergangs von Wasser zu Eis. Durch das stabile Temperaturniveau im Speicher kann die Wärmepumpe auch bei niedrigen Außentemperaturen mit konstanter Effizienz betrieben werden. Der Wärmeeintrag erfolgt über Umweltenergie sowie regenerative Quellen zur thermischen Regeneration des Speichers.

Wann lohnt sich der Einsatz von Eisspeichern?

Der Einsatz eines Eisspeichersystems eignet sich primär für Gebäude mit niedrigem Temperaturniveau im Heizsystem (z. B. Flächenheizungen) sowie für Objekte mit gleichzeitigem oder zeitversetztem Heiz- und Kühlbedarf. Neben Wohngebäuden betrifft dies auch Gewerbeobjekte mit entsprechenden Lastprofilen.

Als Alternativen zur thermischen Energiegewinnung kommen je nach Standortbedingungen auch Erdwärmesonden, Luft-Wasser-Wärmepumpen oder Flachkollektoren in Betracht.

Bedeutung für Betreiber bestehender PV-Anlagen

Für die Betreuung und den Weiterbetrieb von Bestandsanlagen sind bei der Bewertung eines Eisspeichers folgende technische Aspekte maßgeblich:

• Gebäudedämmung und Vorlauftemperaturen: Gut gedämmte Bestandsgebäude ermöglichen niedrige Vorlauftemperaturen. Dies maximiert die Jahresarbeitszahl der Wärmepumpe und reduziert deren elektrischen Energiebedarf, was das Gesamtsystem schont.
• Schnittstellen zum Bestandsnetz: Die Einbindung erfordert eine Abstimmung der Regelungstechnik zwischen dem PV-Wechselrichter, einem eventuell vorhandenen Batteriespeicher und der Wärmepumpensteuerung.
• Ertragsprofil-Abstimmung: Im Rahmen des Anlagenmonitorings muss geprüft werden, ob die vorhandene PV-Leistung ausreicht, um in den Übergangszeiten genügend Hilfsstrom für die Regeneration des Speichers bereitzustellen, ohne den Hausstrombedarf zu vernachlässigen.