Eisspeicher: Wärmen und kühlen mit unterirdisch gespeichertem Eis.

Dass man mit Eis kühlen kann, ist bekannt, aber zum Heizen wird Eis bisher recht selten genutzt – obwohl das möglich und sogar umweltfreundlich ist. Denn: Gefriert Wasser, wird die sogenannte Kristallisationsenergie freigesetzt. Mit dieser Energie als Wärmequelle lassen sich am Ende Wärmepumpen betreiben, die Wohn- oder Büroflächen klimaneutral beheizen. Diese Technologie bietet eine nachhaltige Alternative zu herkömmlichen Heizsystemen und trägt zur Reduzierung des CO₂-Ausstoßes bei.

Ein Eisspeicher ist eigentlich recht einfach aufgebaut: Er besteht aus einer runden oder rechteckigen Zisterne aus ungedämmtem Beton. Innerhalb dieses Wasserbeckens befinden sich flächig ausgelegte Kunststoffrohre oder Kunststoffplatten – meist aus Polyethylen (PE) –, durch die Sole fließt. Bei dieser Sole handelt es sich um eine frostsichere Flüssigkeit, ein Wasser-Glykol-Gemisch. Bei den Kunststoffrohren oder Kunststoffplatten handelt es sich um die Entzugswärmetauscher und Regenerationswärmetauscher – je nach Betriebsfall. Über sie werden später die Wärme beziehungsweise Kälte vom Eis auf die Sole übertragen. Am Ende der Eisspeicher-Installation wird die Zisterne nahezu vollständig mit Wasser befüllt – das später als Energiequelle dient – und komplett vergraben. Der Eisspeicher nimmt daher weder Platz an der Oberfläche ein, noch ist er sichtbar.

Um mit einem Eisspeicher zu heizen, macht man sich die sogenannte Kristallisationsenergie zu eigen. Das Wasser-Glykol-Gemisch in den Kunststoffrohren hat eine geringere Temperatur als das umgebende Wasser im Eisspeicher. Das Gemisch wird mittels Umwälzpumpen durch die Wärmetauschermodule des Eisspeichers gefördert. So entzieht es dem Wasser die Wärme. Irgendwann sinkt die Temperatur des Wassers dadurch so weit ab, dass der Gefrierpunkt bei Null Grad Celsius erreicht ist und sich um die Kunststoffrohre eine Eisschicht ausbreitet. Dabei gefrieren bis zu 80 Prozent des Gesamtwasservolumens im Eisspeicher ein – immer von innen nach außen, damit die Zisterne keinen Schaden nimmt.

Bei diesem Wechsel des Aggregatzustands (Phasenwechsel) von Wasser zu Eis wird die Kristallisationsenergie – eine latente Wärme – freigesetzt, die sich zum Heizen mittels Wärmepumpe nutzen lässt. Dazu entzieht die Sole dem zu Eis werdenden Wasser die Wärme und leitet sie mithilfe von Pumpen zur Wärmepumpe in der Heizzentrale. Diese wandelt die Umweltwärme in Heizwärme um.

Das Null Grad Celsius kalte Wasser wird durch den Wärmeentzug also zu Eis und gibt bei dieser Änderung des Aggregatzustands dieselbe Energiemenge ab, die man benötigt, um Wasser von Null auf 80 Grad Celsius zu erhitzen. Noch anschaulicher bedeutet das: Der Vereisungsprozess von zehn Kubikmetern Eis setzt ungefähr die gleiche Energie frei, wie die Verbrennung von 100 Litern Heizöl – nur komplett CO₂-frei. Dieser Prozess ist damit besonders effizient und umweltfreundlich, da er keine fossilen Brennstoffe benötigt.

Läuft der eben beschriebene Prozess rückwärts, lässt sich mit dem Eisspeicher kühlen – insbesondere im Sommer. Das Wasser-Glykol-Gemisch hat im Sommer ein höheres Temperaturniveau als das Wasser im Eisspeicher und gibt auf diese Weise seine Wärme ab. Das Eis in der Zisterne beginnt zu schmelzen und taut vollständig wieder auf. Meist wird dieser Regenerationsprozess durch äußere Umwelteinflüsse wie warmer Regen oder Sonneneinstrahlung sowie durch die Wärme im Erdreich, das den Eisspeicher umgibt, beschleunigt. Mit der langsam abgegebenen Kühle aus dem Eisspeicher lassen sich Wohnungen und Büroflächen im Sommer nachhaltig abkühlen. Das Wasser im Eisspeicher kann dabei bis circa 25 Grad Celsius erwärmt werden, um die Bildung von Bakterien zu vermeiden und die Wasserqualität langfristig zu gewährleisten. Der Wechsel von flüssigem Wasser zu Eis und wieder zurück lässt sich im Eisspeicher als Kreislauf beliebig oft wiederholen.

Eisspeicher zum Heizen und Kühlen kommen nicht nur in Wohn- und Bürogebäuden zum Einsatz, sondern auch in der Industrie. Bei verschiedenen industriellen Prozessen gibt es beispielsweise ganzjährig einen Kältebedarf und bei der Kälteerzeugung abfallende Abwärme. Wird diese überschüssige industrielle Abwärme über das Wasser-Glykol-Gemisch in den Eisspeicher geleitet, taut das Eis und die Abwärme wird eingespeichert. Die dadurch übertragene Kälte kann dann wiederum anderen industriellen Prozessen zugeführt werden. Diese Technologie ermöglicht eine effiziente Nutzung von Abwärme und trägt zur Reduzierung der Betriebskosten bei.

Wird zu einem späteren Zeitpunkt hingegen Wärme benötigt, lässt sich die eingespeicherte Abwärme nutzen, der Eisspeicher anschließend wieder einfrieren und durch die Kristallisationsenergie neue Wärme – etwa für industrielle Wärmepumpen – entziehen. Laufen diese Wärmepumpen mit Ökostrom, ist die industrielle Wärme- und Kälteerzeugung mittels Eisspeicher komplett CO₂-frei.

Ein großes Projekt, bei dem ein Eisspeicher zum Einsatz kommt, planen und realisieren wir am Behrensufer. Hier entsteht ein großes Gewerbestadtquartier direkt an der Spree. Die Dachflächen der Gebäude sollen dabei in Form von Roof-Top-Parks für die Öffentlichkeit begehbar werden. Um eine hohe Aufenthaltsqualität zu gewährleisten, können auf den meisten Dächern keine Rückkühlwerke und sonstige technische Anlagen aufgebaut werden.

Wir von GASG Solution Plus planen und realisieren daher ein Eisspeichersystem zur Spitzenlastminimierung. Im Untergeschoss eines Neubaus errichten wir einen zweilagigen Eisspeicher mit einer Größe von 2.600 m³. Insgesamt lassen wir 28 kältebeständige Kunststoffplatten, in denen ein Wärmeträgermedium zirkuliert, in das Beton-Wasserbecken ein. Das Wasserbecken wird einen Umfang 13 mal 28 Meter haben, jeweils fünf Meter hoch sein und insgesamt 2,5 Millionen Liter Wasser enthalten, das je nach Bedarf zu Eis gefriert und wieder auftaut. Der Eisspeicher am Behrensufer wird so zur Wärmequelle für die Wärmepumpen während der Heizperioden – und zur Wärmesenke für die Abwärme aus der Kälteerzeugung in den Kühlperioden. Dieses Projekt zeigt die Vielseitigkeit und Effizienz von Eisspeichern in urbanen Gebieten.