Das SolarEis-System

Durch die Langzeitspeicherung von ansonsten schwankender Umweltenergie mit Hilfe von Kristallisationswärme werden die Umweltangebote ausgeglichen und optimal als Energiequellen verfügbar gemacht. SolarEis ermöglicht auf diese Weise ein kostengünstiges Heizen mit sehr hohem regenerativem Energieanteil und gestattet sogar die Nutzung für Gebäude- oder Lagerraumkühlung.

Das SolarEis-System kombiniert Heizen und Kühlen auf höchst ökonomische Art und Weise und nutzt dabei vier natürliche Energiequellen: Sonne, Luft, Erdwärme und Wasser. Im Vergleich zu anderen Heizsystemen überzeugt SolarEis durch Effektivität, Zuverlässigkeit, Umweltbewusstsein sowie durch attraktive Investitions- und Betriebskosten. Solar-Eis vereint die Vorteile der besten am Markt verfügbaren Heizsysteme mit der einer innovativen Speichertechnologie. Es ermöglicht, Energie über viele Monate im preiswerten Speichermedium Wasser zu konservieren. Jede Hauswasserleitung kann man vor Ort zum Befüllen eines SolarEis-Speichers nutzen. Somit entfallen Transportkosten für das Speichermedium zum Bauplatz. Zudem ist es als Wärmespeicher hocheffektiv und völlig umweltneutral. Im Heizbetrieb treten Kosteneinsparungen gegenüber herkömmlichen Systemen von etwa 50% auf, bei der Kühlung von über 95%. Die CO2-Belastung der Umwelt wird dadurch massiv reduziert.
 
Weitere Vorteile liegen auch in der Herstellung. Die Speicherbehälter für die Versorgung kleinerer Einheiten, wie z. B. für Einfamilienhäuser, sind auf Straßen per Lkw transportierbar und müssen nicht umständlich auf der Baustelle erstellt werden. Anschlussfertige Speichertanks können beispielsweise in zentralen Werken in Massenproduktion preiswert gefertigt werden. Sie müssen am Einsatzort nach dem Transport nur noch in den Boden eingebracht werden. Die Leitungen und Steuerungen lassen sich einfach anschließen. Dadurch ist im Gegensatz zur Tiefengeothermie auch eine kurzfristige Inbetriebnahme von SolarEis-Heizungen ohne umständliche Bohrungen oder Genehmigungsfristen möglich.

Der Speicherbehälter wird bei Inbetriebnahme einmalig mit Wasser befüllt und ist damit sofort einsatzbereit. Er speichert alle ihm zugeführten günstigen Energieangebote in Form von latenter Wärme ein und nutzt die hohe Kristallisationsenergie des Wassers beim Gefrieren zu Eis. Beim Entzug von latenter Energie aus dem Speicher wird somit Eis gebildet und der Speicher energetisch wieder entleert. Beim Regenerieren des Speichers wird dagegen dem Speicher latente Wärmeenergie wieder zugeführt. Vorhandenes Eis schmilzt dabei ab.
 
Für die Versorgung von Gebäuden mit Heizwärme werden vorzugsweise Kompressions- oder Absorptionswärmepumpen zum Entladen des Speichers eingesetzt. Sie entnehmen dem Speicher die benötigte latente Heizenergie bei konstant ca. 0° C. Des Weiteren dient das den Speicher umgebende  warme Erdreich als externe Speichermasse und vergrößert zeitweilig die Speicherkapazität.

Wenn im Winter beispielsweise tiefer Frost herrscht, bleibt die Speichertemperatur aufgrund des unveränderbaren Schmelzpunktes von Wasser auf ca. konstant 0°C. Aufgrund der richtig dimensionierten Kapazität des Speichers ist immer ausreichend viel ungefrorenes Wasser im Speicher vorhanden. Aus ihm wird latente Wärme bis zum Erstarren entnommen. In so einem Falle kann die Wärmepumpe dann ihre Energie aus dem Speicher bei einer höheren Temperatur entnehmen, als sie sie in der Umwelt vorfinden würde, und erreicht dabei eine gute Leistungsziffer. Tagsüber kann der Speicher dann z. B. durch Sonnenenergie wieder ganz oder teilweise regeneriert werden.

Das System entzieht dem unterirdischen Wasserspeicher – dem SolarEis-Speicher – mit Hilfe einer Wärmepumpe die Energie, die zum Heizen und zur Aufbereitung des Warmwassers benötigt wird. Beim Heizen kommt es zu einer Abkühlung des Speichermediums Wasser. Dabei wird im Winter die im Sommer gespeicherte Wärme so lange dem Speicher entnommen, bis sich das Wasser vollständig zu Eis verwandelt hat. Dieser Vorgang wird in unserem Klima allerdings immer wieder unterbrochen durch Phasen der Regeneration des Wassers. Durch die Zuführung regenerativer Energien (Wärmeenergie der Sonne, Wärmeenergie der Luft, Wärmeenergie der bodennahen Erdschichten) wird das Eis wieder in seinen flüssigen Aggregatzustand überführt, bzw. das abgekühlte Wasser wieder erwärmt, und der Prozess der Entnahme von Wärme kann von Neuem beginnen.

Mit dem SolarEis-System kann man jedoch nicht nur heizen, sondern auch die „Kälte des Winters“ zum aktiven Kühlen im Sommer verwenden. Das als „thermisches Abfallprodukt“ im Winterbetrieb erzeugte Eis dient im Sommer als kostenlose Kältequelle und sorgt für angenehme Raumtemperaturen. Der SolarEis-Speicher wird somit zur energie- und umweltneutralen Klimaanlage. Zur Nutzung als Kühlquelle muss lediglich eine kleine Umwälzpumpe eingebaut werden, die den Kaltwasserkreislauf zwischen Gebäude und Eisspeicher aufrecht erhält.

Das System entwickelt seine Vorteile durch ein gesteuertes Zusammenspiel von mehreren Baukomponenten.
Das einzigartige und patentierte SolarEis-Konzept beruht auf einem unterirdisch eingebrachten Speicher mit einer speziellen, darin befindlichen Wärmetauscheranordnung in optimierter räumlicher Anordnung.

Hierzu hält die Firma isocal u. a. das Europäische Patent Nr. EP 1 807 672 B1 mit dem Titel „Energiespeicher, Wärmetauscheranordnung für einen Energiespeicher, Energie-speichersystem sowie Verfahren dazu“.

Durch ganz spezielle bauliche Maßnahmen wird das Sprengen des Behälters durch die unvermeidliche Eisausdehnung, die beim kristallinen Erstarren des Speichermediums Wasser grundsätzlich immer eintritt, gezielt verhindert. Dadurch kann Wasser trotz seiner hohen Eisausdehnung von ca. 11 Volumenprozenten als Speichermedium verwendet werden. Dies ist letztlich sehr umweltfreundlich und kostengünstig.

Aufgrund des umweltneutralen Speichermediums benötigt der Einbau eines fertig vormontierten SolarEis-Speichers für Einfamilienhäuser keine behördliche Genehmigung und ist sogar in Wasserschutzgebieten zulässig. Das Absetzen vor Ort kann per Lkw mit Ladekran erfolgen.

Das neuartige SolarEis-System der Firma isocal wird bereits seit etwa fünf Jahren erfolgreich bei der Energieversorgung von Hotels, Industrie, Gewerbe, Bürogebäuden und Wohnimmobilien eingesetzt. Mit der Entwicklung verschiedener Prototypen, der Inbetriebnahme einer eigenen Anlage sowie Feldversuchen und dem Betrieb von Anlagen in der Industrie wurden zahlreiche Erfahrungen gesammelt.

Derzeit liegt der Schwerpunkt der Weiterentwicklung bei der Energieversorgung von Einfamilienhäusern. Die gewonnenen Erkenntnisse und Ergebnisse führten u.a. zu der Entwicklung des heute vorliegenden SolarEis-Systems für Einfamilienhäuser, das für Wohnimmobilien im Neubau und in der Modernisierung benötigt wird. 2009 wurden die ersten Einfamilienhäuser mit SolarEis ausgestattet und im Jahr 2010 wurde die Serienreife des Systems in diesem Sektor erreicht.

Seit 2010 bietet ein deutscher Fertiggaragenhersteller, der mit der Firma isocal eine Partnerschaft unterhält, den Einbau des SolarEis-Systems auch in Kombination mit einer Fertiggarage als „Doppelpack“ an. Dabei wird der Eisspeicher unterhalb einer Garagenplatte im Erdreich angeordnet, so dass keine Nutzfläche verloren geht. Diese Ausführungsform bietet sowohl einen Kosten-, als auch einen räumlichen Nutzungsvorteil.

Zur Regeneration des Speichers werden bevorzugt Solar- und Luftkollektoren in Verbindung mit einer elektronischen Steuer- und Regelungseinheit verwendet. Die Steuerung ist so ausgelegt, dass die zur Verfügung stehenden günstigen Umweltwärmequellen mit Hilfe entsprechender Stellmittel stets optimal beschaltet und ausgenutzt werden können. Durch die Verwendung von Solar-Kollektoren wird zusätzlich auch ein direkter Beitrag zur Warmwasseraufbereitung geleistet, je nach Warmwasserbedarf und Solarangebot. Auch kann das Steuerungsprogramm jahreszeitliche klimatische Gegebenheiten automatisch berücksichtigen.

Die sogenannte Jahresarbeitszahl (JAZ) beschreibt die Effizienz einer Wärmepumpenanlage unter realen Bedingungen. Das SolarEis-System der Firma isocal erreicht in Verbindung mit einer Erdreich-Wärmepumpe (Sole/Wasser) und einem Brauchwasserspeicher eine Jahresarbeitszahl von über 4,0 und ist damit konventionellen Lösungen überlegen. In einer vom „Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE“ veröffentlichten Langzeituntersuchung von Juli 2007 bis Juni 2010 an einer Vielzahl von verschiedenen  Erdreich-Wärmepumpenanlagen wurde im Durchschnitt eine mittlere JAZ von 3,88 erreicht. Aufgrund der hohen Effizienz SolarEis-Systems können Kunden für die Modernsierung von Heizungsanlagen Fördermittel erhalten. 

Als Energiequelle zur Regeneration des Speichers kommen fast alle Arten von umwelt-freundlichen Umgebungs- und Abwärmequellen in Frage. Insbesondere sind dies Solarenergie, Umgebungswärme, Umweltwärmestrahlung, Erdwärme, Abwasserwärme und Luftabwärme. Die am häufigsten genutzte Energiequelle ist Solarthermie mittels Flachdachkollektoren und Luftkollektoren, sowie die ständig in den Speichertank einströmende Erdwärme. Zum Beispiel verfügt ein handelsübliches SolarEis-System „SE 12“ der Firma isocal für Einfamilienhäuser mit einem Fertigspeichertank von 12 m³ Rauminhalt und einer maximalen Heizleistung von 7,5 KW standard-mäßig über 6 Solarkollektoren mit insgesamt 12 Quadratmetern Solarfläche.

Reine Luftkollektoren werden als Absorber ebenfalls angeboten und sind gegenüber Solarkollektoren preiswert herzustellen. Offene Luftkollektoren und sog. „Energiekörbe“ können aus beabstandeten Kunststoffröhren preiswert gewickelt werden. Sie werden von einem Wärmeträgermedium durchströmt und sind damit in der Lage, sowohl die Umgebungsstrahlung einzufangen, als auch Luftwärme zur Regeneration von SolarEis aufzunehmen und über Wärmetauscher auf das Speichermedium zu übertragen. Luftkollektoren haben eine sehr gute Regenerationsleistung, besonders wenn die kalten Rohre vom Wind umstrichen werden. Sie lassen sich bevorzugt auf flachen Garagen oder Industriedächern montieren. Kombinationen aus Solarkollektoren und Luftkollektoren sowie auch der Einsatz von Hybridkollektoren sind je nach Einsatz vorteilhaft. Damit eröffnen sich vielfältige Möglichkeiten, ein SolarEis-System den lokalen Gegebenheiten und dem jeweiligen Wärme- oder Kühlbedarf anzupassen.

Im Gegensatz zu oberirdischen Speichern besitzt der unterirdische SolarEis-Speicher der Firma isocal keine Isolierung. Ganz bewusst wurde darauf verzichtet, um zusätzlich die den Speicher umgebende Erdwärme zur Regeneration des Speichermediums nutzen zu können. Da das Erdreich im Jahresmittel eine Temperatur von ca. 8°C besitzt, fällt aus dem Boden ein nicht unerheblicher Anteil an Wärmeenergie für den kälteren Speichertank an. Im Regelfall weist er zu den meisten Betriebszeiten eine Temperatur von ca. 0°C auf. Zur  Gewinnung dieser natürlichen Energie wird keine Hilfsenergie benötigt. Der Wärmestrom fließt vielmehr über die viele Quadratmeter umfassenden Behälterwände selbstständig direkt in den Speichertank. So wird auf vorteilhafter Weise der Gesamtwirkungsgrad der Anlage deutlich erhöht.

Die Sammlung und wirtschaftliche Nutzung von Wärme auf einem vergleichbar tiefen Temperaturniveau ist mit herkömmlichen Solar-Systemen nicht möglich, da die Kollektoren hier immer erst eine bestimmte Mindesttemperatur erreichen müssen, bis sie energetisch genutzt werden können. Dagegen speichert das System aufgrund der Schmelztemperatur von Eis die Energie bei konstant niedriger Temperatur ein. Bei der Nutzung von Solarenergie für Heizzwecke wird die Sonnenenergie, die beispielsweise aus Solarkollektoren gewonnen wird, schon bei Temperaturen von knapp über 0°C in den SolarEis-Behälter eingespeichert und damit dem Heizkreislauf zur Verfügung gestellt. Das SolarEis-System kann somit kurzfristige bzw. niedertemperierte Solarerträge nutzen und verhilft z. B. Solarkollektoren zu deutlich mehr Flächenertrag.

Natürliche Energieangebote sind im zeitlichen Verlauf oft stark schwankend. Es ist deshalb wirtschaftlich vorteilhaft, eine oder mehrere solcher günstigen Quellen für eine kontinuierliche Nutzung in einem zentralen Speicher zu puffern, um sie für eine gleichmäßige Wärmeversorgung bereitzustellen. Diese Aufgabe erfüllt das SolarEis-System in der denkbar besten Form, da es nicht nur den Tagesgang, sondern auch den saisonalen Gang der Wärmelast und der regenerativen Energieangebote auszugleichen vermag. Es verbessert daher nicht nur erheblich die Ausnutzung schwankender Energiequellen, sondern arbeitet auch zuverlässig und erreicht als Gesamtsystem einen sehr hohen Anteil an regenerativer Energie beim Gesamtenergieverbrauch.

Energetische Betrachtungen und CO2-Einsparungen

Um sich eine bessere Vorstellung von den Energieumsetzungen in einem SolarEis-Speicher und dem hohen Energiespeichervermögen von Wasser machen zu können, ist folgende energetische Betrachtung hilfreich:
Um einen Liter Eis zu schmelzen, ist etwa die gleiche Wärmemenge erforderlich, die man benötigt, um einen Liter Wasser von 0 auf 80° C zu erhitzen. Oder anders ausgedrückt, um 126 Liter (= 0,126 m³) Eis von 0°C in Wasser von 0°C umzuwandeln, ist die Energiemenge erforderlich, die der Heizkraft eines Liters Heizöl entspricht.

Ein SolarEis-Speicher mit 800 Kubikmetern Eisinhalt, wie ihn z.B. die Firma isocal für Hotels gebaut hat, speichert den Energiegehalt von ca. 6.350 Litern Heizöl. Das entspricht einer Emission von fast 20 Tonnen CO2. Sofern dieses Eis natürlich regeneriert wird, werden hier enorme Mengen an fossiler Energie und CO2 gespart.

Das SolarEis-System ist allgemein sehr flexibel und adaptiv als Sammler für günstige Energiequellen aller Art. Es lässt sich nachrüsten und eignet sich auch für die Modernisierung der Heizsysteme älterer Gebäude. Durch die richtige Kombination und gleichzeitige Nutzung aller vier regenerativen Energiebereiche (Sonne, Luft, Erde, Wasser) wird ein besonders vorteilhaftes Heizen und Kühlen möglich.

Zusätzlich kann auch die im SolarEis-Speicher gespeicherte Kälte zu Kühlzwecken verwendet werden, wenn im Sommer noch Eis vom Winter bzw. kaltes Wasser im Speicher vorhanden ist.