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Dieser Eisspeicher in Rapperswil-Jona – hier im unbefüllten Zustand – hat ein Volumen von 75 m3. (Bilder: zVg, BFE)

Schematische Darstellung eines Solar-Eis-Systems zur Produktion von Heizwärme und Warmwasser, aber auch von Kälte zur Deckung des Kühlbedarfs.

Effizienz: Die Grafik zeigt für 8 Städte die Verteilung der Systemeffizienz (JAZ) für alle durchgeführten Simulationen. Bei normalem und warmem Wetter ist eine Systemeffizienz über 3,5 für alle Städte erreichbar. Ziel ist, reale Systeme immer auf eine Jahresarbeitszahl von 4 bei normalen Wetterbedingungen auszulegen.

Wärmekosten: Verteilung der Wärmegestehungskosten nach Städten (für alle durchgeführten Simulationen). Zum Vergleich: Das Erdsonden-Wärmepumpensystem, das die Forscher als Referenzsystem heranzogen, hat Wärmegestehungskosten von 15 bis 19 Rappen/kWh.

Kühleffekt: Darstellung der Stunden/Jahr mit einer Raumtemperatur über 26 °C bei Anwendung verschiedener Kühlstrategien: - Passiv Kühlen: Die Solarkollektoren regenerieren ab Frühjahr den Eisspeicher nicht mehr, damit er möglichst viel ‚Kälte‘ in die Sommermonate bringt. - Passiv Kühlen+: Passiv Kühlen, aber die Wände des Eisspeichers sind zusätzlich isoliert (Umgebungswärme des Erdreichs lässt Eisspeicher nicht abschmelzen, aber JAZ sinkt leicht). - Wärmepumpen-Kühlen: Das Warmwasser wird im Sommer nicht über die Kollektoren bezogen, sondern aus dem Eisspeicher, wodurch ihm Wärme entzogen wird (Kühlpotenzial des Eisspeichers erhöht, Verschlechterung JAZ).

Energieversorgung aus Sonne und Eis

Die Übertragung sommerlicher Wärme in den Winter ist die Aufgabe für erneuerbare Energieversorgungsysteme. Vielversprechend sind hier Solar-Eis-Speicher-Systeme: Sonnenkollektoren regenerieren Eis, das durch eine Heizungs-Wärmepumpe gebildet wurde. So eingesetzt liegt die Energieausbeute der Kollektoren im Sommer und Winter wesentlich höher als bei Solaranlagen. Ein Forscherteam der Ostschweizer Fachhochschule hat untersucht, in welchen Fällen Solar-Eis-Systeme bei Mehrfamilienhäusern besonders effizient arbeiten.

Wärmepumpen haben sich in den letzten 20 Jahren zum beliebtesten Heizsystem in der Schweiz entwickelt. Sie stellen Heizwärme und Warmwasser mit einem Minimum an elektrischer Energie bereit. Sie nutzen dafür Wärme aus Umgebungsluft, Erdreich oder – wenn diese gängigen Wärmequellen nicht genutzt werden können – Solarkollektoren. Seit einigen Jahren werden Wärmepumpen-Solarkollektor-Systeme zur Steigerung der Gesamteffizienz um einen Eisspeicher erweitert. Ein Eisspeicher ist nichts anders als ein mit Wasser gefüllter Betonbehälter, in den sensible und latente Wärme eingelagert und bei Bedarf wieder entzogen werden können. Solar-Eis-Systeme haben das Potenzial, grosse Wärmemengen vom Sommer in den Winter zu verlagern – um die Wärme dann über eine Wärmepumpe zum Heizen zu nutzen. Im Sommer sind Solar-Eis-Systeme dank sensibler Wärme effizienter als Erdsonden-Wärmepumpen, im Winter sind sie dank latenter Wärme effizienter als Luft-Wasser-Wärmepumpen.

Der Einsatz von Solar-Eis-Systemen in Einfamilienhäusern ist relativ teuer. «Wir sehen das eigentliche Potenzial dieses Wärmeerzeugungssystems bei Mehrfamilienhäusern (MFH), denn hier lohnt sich der Bau eines Eisspeichers», sagt Dr. Daniel Carbonell, Leiter Thermische Systeme und Modellierung am Institut für Solartechnik (SPF) der Ostschweizer Fachhochschule (OST). Der Solarenergie-Experte hat zusammen mit einem OST-Forscherteam die Leistungsfähigkeit von Solar-Eis-Systemen in MFH untersucht. Das Forschungsprojekt mit dem Namen «Big Ice» wurde vom Bundesamt für Energie unterstützt.

Software-Tool zur Abklärung der Machbarkeit

Die Ergebnisse der Untersuchung bilden die Grundlage für die Entwicklung eines Software-Werkzeugs für Bauherren. Mit diesem Tool könnten sie und ihre Planer künftig schnell und einfach beurteilen, ob bei Neubauten oder der Erneuerung eines MFH der Einbau eines Solar-Eis-Systems erfolgversprechend ist. «Es wurde ein schneller Algorithmus entwickelt, der auf maschinellem Lernen basiert und die Systemeffizienz von Solar-Eis-Systemen mit wenigen Eingabedaten vorhersagen kann», hält der Big-Ice-Schlussbericht fest. Zu beachten ist dabei, dass das Tool die Machbarkeit eines Solar-Eis-Systems beurteilt. Für die eigentliche Planung einer Anlage ist es aber nicht gedacht.

Bei den Eingabedaten, die das Software-Werkzeug benutzt, handelt es sich in erster Linie um den jährlichen Wärmebedarf des Gebäudes (Heizwärme und Warmwasser) sowie die solare Einstrahlung am Standort des Gebäudes. Dazu schreibt das Autorenteam im Big-Ice-Schlussbericht: «Es konnte gezeigt werden, dass unter Verwendung von jährlichen Daten über das Wetter und den Heizwärmebedarf des Gebäudes eine Vorhersage der Effizienz mit einer Genauigkeit von 10% erreicht werden kann. Werden zusätzlich der Heizwärmebedarf und die solare Einstrahlung in den Wintermonaten als Eingabeparameter berücksichtigt, kann die Genauigkeit auf 5% gesteigert werden.» Eine Genauigkeit von 10% (bzw. 5%) bedeutet, dass 90% der Daten einen Fehler von 10% (bzw. 5%) oder weniger aufweisen.

3600 Simulationen

Diese allgemeingültige «Eis-Speicher-Formel» ist das praktische Ergebnis einer ausführlichen Grundlagenstudie, in der die OST-Forscher untersuchten, welche Faktoren die Effizienz von Solar-Eis-Systemen beeinflussen. Dieser Untersuchung legten sie zwei Sechs-Familien-Häuser (Neubau mit einem Heiz- und Warmwasserbedarf von ca. 30 kWh/m2, renovierter Bestandbau mit 100 kWh/m2 in Zürich) und zwei Nutzertypen (energetisch gesehen ideales Verhalten bzw. tatsächlich beobachtetes Verhalten) zugrunde.

Daraus leiteten sie vier Wärmebedarfs-Profile ab. Gleichzeitig wurden die Wetterdaten von acht Schweizer Städten aus einem warmen, einem kalten und einem durchschnittlichen Jahr herangezogen. Unter Verwendung der TRNSYS-Software wurden insgesamt 3600 Simulationen durchgeführt, in denen jeweils errechnet wurde, mit welcher Effizienz und welchem Strombedarf sich der jeweilige Wärmebedarf mit einem Solar-Eis-System decken lässt. Die maximale Fläche des Solarkollektorfelds wurde auf 350 m² beschränkt, was der realistischerweise verfügbaren Fläche des modellierten MFH entspricht.

Eine zentrale Erkenntnis

Solar-Eis-Systeme sind in der Lage, in allen untersuchten Konstellationen den Wärmebedarf mit einer guten Systemeffizienz (Jahresarbeitszahl/JAZ) von 3,5 bis 4,5 zu decken – durchschnittliche Wetterlagen vorausgesetzt. Bei tieferen Aussentemperaturen sinkt die Systemeffizienz um bis zu 25%, und wie bei konventionellen Heizungen steigen dann die Energieausgaben entsprechend. Durch einen grösser dimensionierten Speicher könnte dies zwar verhindert werden, die Autoren des Big-Ice-Projekts raten aber davon ab, die Anlagen auf das «Worst-case-Szenario mit kaltem Wetter und geringer Solarstrahlung» auszulegen, weil das zu «überdimensionierten und ökonomisch nicht optimalen Systemen» führe.

Nicht in jedem Fall teurer

Solar-Eis-Systeme bestehen aus einer Wärmepumpe, einem Kollektorfeld und dem Eisspeicher. Sie sind damit komplexer und tendenziell teurer als Heizsysteme mit Erdsonden-Wärmepumpen, die die Wärme dem Erdreich entziehen. Die Kosten für die Wärmeproduktion liegen gemäss OST-Berechnungen für einen renovierten Bestandsbau bei 17 bis 24 Rp./kWh, für einen Neubau zwischen 19 bis 34 Rp./kWh (jeweils abhängig von Ort, Wetter und Nutzerverhalten). «In Einzelfällen ist das Solar-Eis-System mit einem Erdsonden-Wärmepumpensystem konkurrenzfähig, in den meisten Fällen aber ist letzteres ohne Regeneration des Erdreichs günstiger. Wenn das Erdsonden-Wärmepumpensystem allerdings um eine Regeneration ergänzt werden muss, dürfte das Solar-Eis-System die günstigere Lösung sein», hält der Big-Ice-Schlussbericht fest.

Das Solar-Eis-System kann für die Raumkühlung im Sommer herangezogen werden. Um dies zu ermöglichen, wird das Abschmelzen des Eisspeichers im Frühjahr gestoppt, um die im Eisspeicher verbliebene Kälte in den Sommer zu retten: «Diese passive Free-Cooling-Option verursacht in gut dimensionierten Solar-Eis-Systemen in Gebieten mit geringem Kühlbedarf wie z.B. Genf keinen Anstieg des Strombedarfs», steht im Schlussbericht. In Gebieten mit höherem Kühlbedarf, z.B. Locarno, kann zusätzliche Kühlkapazität geschaffen werden. Hierzu wird im Sommer das Warmwasser nicht über die Kollektoren, sondern über die Wärmepumpe bereitgestellt, womit der Eisspeicher abgekühlt wird. «Dabei sinkt die Systemeffizienz nicht, wenn Heizen und Kühlen berücksichtigt werden», betonen die Autoren im BFE-Schlussbericht. Den Eisspeicher für Kühlzwecke heranzuziehen, hat allerdings auch seine Grenzen: Für Gebäude mit einem hohen Kühlbedarf wie z.B. Bürogebäude sind Eis-Solar-Speicher-Systeme aufgrund der erforderlichen Speichergrössen nicht geeignet.


* im Auftrag des BFE

www.bfe.admin.ch/ec-solar

www.aramis.admin.ch/Texte/?ProjectID=41467