Eisspeicherheizsysteme stellen in der Schweiz ein Novum dar. Mit ihnen lässt sich Energie über einen längeren Zeitraum hinweg speichern. Gleichzeitig forciert ihr Einsatz im Heizungsbereich die Unabhängigkeit von fossilen Brennstoffen. Mit smarten Technologien lässt sich ihre Effizienz erheblich erhöhen. Ein vielversprechender Ansatz dazu kommt aus Nürensdorf.

Auf dem Gemeindegebiet von Glarus Süd, zwischen Schwanden und Glarus, liegt das Dorf Mitlödi. Im Herbst 2016 wurde hier der erste Eisspeicher des Kantons Glarus realisiert. Möglich wurde dies nicht zuletzt wegen eines Pilotprogramms, in dessen Rahmen die ersten vier auf Kantonsgebiet realisierten Eisspeicheranlagen mit bis zu 25‘000 Franken unterstützt werden. Glarus fördert damit bewusst eine in der Schweiz noch neue Wärmetechnologie, die im Wohnbereich in Zukunft eine wichtige Rolle spielen könnte. Im Kern geht es darum, mit Eis Wärme zu generieren. Was auf den ersten Blick unglaublich anmutet, erweist sich auf den zweiten als ausgereifte, marktfähige Technologie. Realisiert wurde das Projekt in Mitlödi von der RINO Electronics AG aus Nürensdorf. Deren Geschäftsführer, den studierten Elektroingenieur Remo Ritzmann, treibt das Thema Eisspeicher schon länger um. „Unser Ziel ist es alternative Energielösungen für einen nachhaltigen Umgang mit Energien und Ressourcen zu entwickeln. Das Eisspeichersystem stellt eine solche dar.“  Mit dem unlängst von der RINO Electronics AG entwickelten „Hydrobus“ erfährt das Prinzip eine signifikante Erweiterung. Sie zeigt beispielhaft, wie wichtig ein umfängliches, systematisches Denken im Umgang mit neuen Energieformen ist und was für eine zentrale Rolle die heutigen technischen Möglichkeiten bei deren Nutzung spielen können.

Wärmen und Kühlen mit Eis

Aber wie funktioniert eine Eisspeicherheizung? Wie wird mit Eis, nebst Kälte, auch Wärme gewonnen? Gängige Solaranlagen wandeln, hauptsächlich während des Sommers, Sonnenstrahlung in Wärme um. Über einen Zwischenspeicher kann diese dann unmittelbar zu Heizzwecken oder als Brauchwarmwasser verwendet werden. Bei solarthermisch unterstützen Heizungen mit einer Wärmepumpe dient die über die Solarkollektoren gewonnene Energie primär dazu die Wärmepumpe zu versorgen. Letztere bringt die generierte Temperatur dann auf ein höheres Niveau. Via einen oder mehrere Zwischenspeicher kann diese anschliessend für die gewünschten Zwecke verwendet werden.

Bedingt durch die Schwankungen bei der Sonneneinstrahlung unter dem Jahr liefern die Kollektoren der Wärmepumpe nicht immer konstant Energie. Gerade während der Wintermonate ergibt sich daraus das Problem, dass man die solarthermische Energiequelle dann nicht oder nur bedingt zu Heizzwecken nutzen kann. Das Einbringen eines sogenannten Eisspeichers in das System kann dabei einen möglichen Lösungsansatz darstellen. Er speichert die mit den Solarzellen gewonnene Energie über Wochen und Monate hinweg. Da Eisspeicher von der Funktion her so ausgelegt sind, dass sie Wärme bei Temperaturen um 0 Grad herum speichern, wird es mit ihnen möglich auch Niedertemperaturwärme aus den Sonnenkollektoren, während des Winters, zu speichern. Darüber hinaus lassen sich mit dem System auch eine ganze Reihe von zusätzlichen Wärmequellen „anzapfen“, die im Eisspeicher deponiert werden können.  Erdwärme, Wärme aus Regen, aus Abwasser oder auch Wärme aus der Luft sind Beispiele dafür.

Plastisch gesehen sind Eisspeicher im Prinzip einfach grosse, in die Erde eingelassene Behältnisse, die mit herkömmlichem Wasser oder mit Regenwasser gefüllt werden. Darin befinden sich Systeme mit Röhren, in denen eine frostsichere Flüssigkeit, oft eine Sole-/ Wassermischung, zirkuliert. Bei den Röhrensystemen unterscheidet man zwischen dem Regenerationswärmetauscher und dem Entzugswärmetauscher. Letzterer entzieht dem Wasser im Winter die Wärme, so dass es gefriert. Durch den Wechsel des Aggregatszustandes von Wasser zu Eis und auch umgekehrt wird eine hohe Energiemenge freigesetzt, die dann wiederum der Wärmepumpe im Haus als Primärquelle zur Verfügung gestellt werden kann. Die bei diesem Prozess freiwerdende Energie wird auch Kristallisationsenergie genannt.

Zur besseren Veranschaulichung: Die beim Kristallisationsprozess freiwerdende Energie während des Phasenwechsels von flüssigem Wasser zu festem Eis bei 0 Grad Celsius entspricht in etwa derselben, die benötigt wird um Wasser von 0 Grad auf 80 Grad zu erwärmen. Möglich wird das, weil hier die spezifische Phasenumwandlungsenthalpie, im Vergleich zur spezifischen Wärmekapazität, relativ hoch ist. So liegt die Schmelzenthalpie für Wasser bei 333.5 kJ/kg und dessen Wärmekapazität bei etwa 4.2 kJ/kg. Im Vergleich zu herkömmlichen Heisswasserspeichern ist die Energiedichte also erheblich grösser.

„Das Ganze funktioniert in etwa wie ein Kühlschrank. Die Wärmepumpe entzieht die Energie im Kühlschrank und gibt sie an das Gitter an der Rückseite wieder ab. Bei uns ist das Gitter das Haus und das Innere des Kühlschranks der Eisspeicher“, so Ritzmann.

Wenn dann im Sommer genügend Solarenergie mit den Sonnenkollektoren generiert werden kann, reicht diese aus um über die Wärmepumpe ausreichend Warmwasser zu produzieren. Die überschüssige Energie wird über den Regenerationswärmetauscher in den Eisspeicher geleitet und in diesem deponiert. Dabei taut der Speicher langsam auf. „Alle zusätzlichen ans System angeschlossenen Wärmequellen die über 0 Grad Celsius liegen, können wir darüber hinaus als Energie im Speicher aufnehmen und zum Auftauen nutzen. So zum Beispiel Umluft, Abwasser, oder auch Abwärme.“ Nach dem kompletten Auftauen des Speichers beginnt der Zyklus dann von neuem.

Als angenehme Nebenerscheinung kann der Eisspeicher in den Sommermonaten auch zum Kühlen des Hauses verwendet werden und fungiert damit quasi als Klimaanlage. Möglich wird das, weil er am Ende der Heizperiode komplett gefroren ist und dann genügend Kälte zum Kühlen vorhanden ist, die, praktisch ohne zusätzlichen energetischen Aufwand, im Sommer genutzt werden kann.

Noch relativ neu in der Schweiz aber mit viel Potential – Das Eisspeicherheizsystem

Vom „Automatic Ice“ zur und RINO Electronics AG

Der Ansatz Eisspeicher als Bestandteil von Heizsystemen in Wohngebäuden zu verwenden ist recht neu. „Salonfähig gemacht hat die Technologie Alexander von Rohr mit dem deutschen Cleantech-Unternehmen isocal Heizkühlsysteme GmbH vor etwa 13 Jahren“, so Ritzmann. Heute gibt es eine Handvoll Unternehmen die Eisspeicher als Bestandteil von Heizsystemen realisieren. Marktführer ist das deutsche Unternehmen Viessmann, das die Mehrheit der isocal Heizkühlsysteme GmbH 2012 übernommen hat.

Ritzmanns Zugang zur Materie reicht bis in seine Zeit als wissenschaftlicher Mitarbeiter an der ZHAW zurück und ist hier eng verbunden mit einem bestimmten Projekt. „Dabei wurde mir das erste Mal bewusst, wie viel Energie beim Phasenwechsel von Wasser zu Eis freigegeben wird und wie diese effizient genutzt werden kann.“

2012 stand Ritzmann vor der Herausforderung einen Automaten zu entwickeln, mit dem sich seine neu entwickelten LED-Bildschirme in Eisfelder von Eishockeyarenas versetzen liessen. Da das Eis glasklar sein und so in kleinen Schichten über Tage hinweg, unter erheblichem Aufwand, wieder aufgebaut werden musste, zog sich dieser Prozess hin. Das sollte schneller gehen. Das Resultat war die „Automatic Ice-Maschine“. In diese verbaut waren Peltier-Heiz- und Kühleinheiten, die in vordefinierten Abläufen Wasser in ein Eisloch spritzten und dieses innerhalb von 4mm pro Stunde wieder aufbauten. „Dadurch konnte, ohne Lufteinschlüsse und sichtbare Schichtübergänge, Eis in kurzer Zeit ab- und wieder aufgebaut werden und so neue, oder defekte LED-Module effizient ausgetauscht werden.“

Bereits davor, 2009, hatte sich Ritzmann selbständig gemacht und die RINO (Ritzmann Innovations) Electronics AG gegründet. Stand am Anfang noch die Entwicklung und der Vertrieb spezifischer LED-Taschenlampen im Fokus des Unternehmens, wechselte sich dieser schon bald hin zur Entwicklung und Planung von Eisspeichern und modellbasierten Steuerungen. Gegenwärtig beschäftigt das Unternehmen aus Nürensdorf 10 Mitarbeiter. Den Anstoss für die Neuausrichtung der RINO Electronics AG bildete seinerzeit ein anstehendes Bauprojekt im Schaffhausischen Guntmadingen. „Mit der Planung zum Pilotprojekt Sunnegg hat 2013 eigentlich alles erst richtig begonnen. Heute sind wir mit den Produkten aus den hier gewonnenen Erkenntnissen auf dem Markt.“

Aus einem Bauernhaus wird ein Kraftwerk

Fährt man von Schaffhausen aus in den Klettgau findet sich schon bald, auf der linken Seite, der kleine Ort Guntmadingen. Hier steht das ehemalige Bauernhaus Sunnegg. Das Elternhaus von Remo Ritzmann. Auf den ersten Blick sieht es unscheinbar aus. Das täuscht aber gewaltig. Die Immobilie hat es in sich. Gebaut wurde sie 1840. 2015 standen eine Erweiterung und eine umfangreiche Sanierung der Liegenschaft an. Nebst den zwei bestehenden Wohnungen im Altbau entstanden dabei drei neue im ehemaligen Stall und ein kleines Café. Der Gebäudekomplex mit 23 Zimmern bietet heute Wohnraum für 16 Personen. „Beheizt wurde der Altbau vor der Sanierung mit 20 Kubikmeter Holz im Jahr. Der doppelt so grosse Neubau hätte noch einmal 10 zusätzliche Kubikmeter benötigt.“  Aufwandsbedingt schaute man sich nach einer Alternative um. „Schnell stand für uns ein Heizsystem mit einer Wärmepumpe im Vordergrund. Die Frage dabei war: woher sollte die Wärme kommen?“ Weil man unabhängiger von den Stromkosten für die Wärmepumpe während der Wintermonate sein wollte, fiel die Entscheidung zu Gunsten einer Wärmepumpenheizung mit Eisspeicher.

Ritzmann ist nicht nur Systemdenker, sondern auch Optimierer. Darum schaut er immer, wo sich bei einer Liegenschaft ein Mehrfachnutzen verorten lässt. Für ihn war es darum wichtig, dass bestehende Elemente der Liegenschaft Sunnegg bei der Realisierung des Eisspeichers berücksichtigt werden sollten. So fiel sein Blick schon bald auf die Güllegrube des ehemaligen Bauernhauses. Anfragen bei Firmen, die bereits Eisspeicher bauten, ob man in dieser einen solchen realisieren könnte, wurden, wegen der zu geringen Höhe, verneinend beantwortet. So beschloss man bei der RINO Electronics AG kurzerhand, den Eisspeicher selber zu bauen. „Das dafür notwendige Knowhow besassen wir. Heute fungiert die Güllegrube als Eisspeicher und wir können sie mit 150 Kubikmeter Regenwasser befüllen.“ Wenn man bedenkt, dass schweizweit noch 34‘000 weitere unbenutzte Güllelöcher existieren, erahnt man das hinter dieser Idee steckende Potential.

Optimierungspotentiale suchen – Remo Ritzmann in der einstigen Güllegrube der Sunnegg. Heute beherbergt sie den Eisspeicher für die Heizung der Liegenschaft.

Die Sanierung und der Umbau der Sunnegg waren von Anfang an als gesamtheitliches Energieprojekt ausgelegt. Nebst dem Eisspeicher wurden so eine ganze Reihe von weiteren energietechnischen Massnahmen in der Liegenschaft realisiert. Beispiele dafür sind Wand-, Abwasser- und Erdregister mit eigens dafür entwickelten Graphitmischungen, Hybrid-Solarzellen, Batteriespeicher, eine Wassersprinkleranlage auf dem Dach und ein Umluftwärmetauscher.

Nebst der Zusammenarbeit mit der ZHAW als Forschungspartner für die Realisierung des Projekts, erfuhren die Arbeiten an der Sunnegg auch Unterstützung seitens des Bundes von der damaligen Kommission für Technologie und Innovation (KTI), die heute als Innosuisse fungiert. Im Zentrum von deren Wirken steht die Förderung von wissenschaftsbasierter Innovation im Interesse von Wirtschaft und Gesellschaft in der Schweiz. „Die Sunnegg hat einen Modellcharakter. Hier hatten wir die Möglichkeit ganz neue Ansätze im Bereich der Heizungstechnik zu erproben“, so Ritzmann.

Eigentlich ist die Sunnegg heute ein kleines Kraftwerk. „Pro Jahr produzieren wir hier gegen 200 Megawattstunden Wärme. Davon benötigen wir 80 selbst. Den Rest können wir an Liegenschaften in der Nachbarschaft abgeben. Zur Zeit werden neun Wohnungen und das Kafi Sunnegg damit versorgt. Total können bis zu 25 Wohnungen geheizt und im Sommer gekühlt werden. Auf Strom für die Wärmepumpe ist die Sunnegg heute nur noch im Januar angewiesen. Selbst dann verbrauchen wir lediglich 20 Prozent der Energie, die während dieser Zeit früher zum Heizen mit fossilen Brennstoffen notwendig gewesen wäre und sparen dabei erst noch 99% CO-2 ein.“

Die Sunnegg- Smarter Bauernhof und Elternhaus von Remo Ritzmann im schaffhausischen Guntmadingen. Produziert pro Jahr 200 Megawattstunden Wärme.

Der Hydrobus – So heizen wie Schachspieler denken

Sämtliche für Heizungszwecke relevante Komponenten der Sunnegg sind flächendeckend mit Temperatursensoren ausgerüstet, die deren Funktionen in Echtzeit überwachen. Gerade das bildete die Grundlage für eine bemerkenswerte Erweiterung des Systems, die kurz vor der Marktreife steht. Der Entwicklung des Hydrobus. „Der Hydrobus ist eine intelligente Steuerung, die alle einzelnen Wärmekomponenten, Quellen und Speicher im Haus in Echtzeit steuert und in einem gesamtheitlichen System vereinigt.“ Anhand der laufenden Messungen, aber auch von Wetterprognosen und Verbrauchsprofilen von den Benutzern baut sich mit dem Hydrobus die Heizung im Stundentakt um und sucht dabei die bestmögliche Lösung für die Beheizung der Liegenschaft. Und das tut sie autonom. So wird es verständlich, wenn Ritzmann den Hydrobus mit einem Schachspieler vergleicht, der mehrere Züge in die Zukunft denken kann.

„In Zeiten des Internet of Things (IoT) können auch im Heizungsbereich die einzelnen Komponenten ganz neu miteinander verknüpft werden. Dass eine Heizpumpe über ein Rohr mit einem Ventil rein hydraulisch kommuniziert war gestern. Heute haben wir andere Möglichkeiten, wie diese Elemente mit einander sprechen können.“ Im Hintergrund steht dabei immer der Optimierungsgedanke und damit letztlich verbunden auch ein möglichst hoher Wirkungsgrad der Wärmepumpe in der Eisspeicherheizung der Liegenschaft. „In Berechnungen an der ZHAW haben wir für die Wärmepumpe in der Sunnegg rein rechnerisch eine JAZ (Jahresarbeitszahl) von 7.2 errechnet. Es ist noch nicht ganz klar, ob wir das erreichen aber dank dem Hydrobus dürften wir ziemlich sicher über sechs liegen.“ Das bedeutet, dass mit dem für die Anlage eingesetzten Strom mehr als das sechsfache an Wärmemenge generiert werden kann.

Wie genau der Hydrobus funktioniert, hält man sich seitens der RINO Electronics AG noch bedeckt. „In dessen Entwicklung haben wir bis jetzt tausende Stunden Arbeit investiert. Wieso? Weil es schwierig ist.“ Nur so viel sei dabei aber gesagt: „Der Schlüssel liegt in der Vereinigung von zentralen Elementen des Heizsystems wie beispielsweise der Hydraulik, der Elektronik, den Pumpventilen und den Kontrollern.“ Damit wird der Hydrobus faktisch zur hydraulischen Schaltzentrale des Heizsystems. „Bei ihm wird die Steuerung als Gehirn, die Hydraulik und die Elektrik als Kreislauf eins mit dem Haus als Körper. Im Englischen wir das als „Embodiment“ bezeichnet.“

Der Hydrobus als gesamtheitlich denkendes „Optimierungselement“ macht die Eisspeicherheizung zur smarten Technologie. Für die grössere Verbreitung der in der Schweiz noch wenig verbreitenden Eisspeicherheizungen könnte dessen Entwicklung zukünftig von wegweisender Bedeutung sein.

Der Hydrobus – Smarte Schaltzentrale der Eisspeicherheizung

Kurze Amortisierungszeit dank gesamtheitlichem Ansatz

Eisspeicherheizungen sieht man heute in der Schweiz noch selten. Das liegt nicht nur daran, dass die Technik neu ist. „Haustechniker haben, aus unterschiedlichen Gründen, heute oft noch Mühe mit der tiefen Heizquellentemperatur von 0 Grad. Lieber wären ihnen sechs oder zehn Grad. Mit dem Hydrobus setzen wir hier an. Wir greifen dann auf den Eisspeicher zurück, wenn es draussen kälter ist und können die Temperatur durch die geschickte Kombination mit anderen Quellen erhöhen und an die gewünschten Orte leiten. Wenn man das Haus als Blackbox betrachtet, wird alles was es verlässt, dass wärmer als 0 Grad ist, für uns zu einer potentiellen Wärmequelle.“

Indirekt spricht Ritzmann damit einen Punkt an, der für eine Eisspeicherheizung charakteristisch ist. Deren Unabhängigkeit von fossilen Brennstoffen, wie Gas oder Öl. Ritzmann ist daher auch davon überzeugt, dass sich die höheren Anfangskosten für die Erstellung einer Eisspeicherheizung, im Vergleich zu einem konventionellen Heizsystem, in relativ kurzer Zeit amortisieren lässt. „Für die Sunnegg veranschlagen wir im Mittel, dank dem Hydrobus und der hohen JAZ jährlich 1‘200 Franken für Stromkosten. Diesen stehen 12‘000 Franken gegenüber, die wir für Öl oder Gas ausgeben müssten.“ So rechnet Ritzmann damit, dass sich eine Eisspeicherheizung in rund 10 Jahren amortisieren lässt.

Im Hinblick auf einen nachhaltigen Umgang mit Ressourcen und auch zur Verminderung des CO-2-Ausstosses in Zukunft könnten Eisspeicherheizung bei uns dereinst einmal eine wichtige Rolle spielen. Mit dem Einsatz smarter Technologien werden solche Systeme in hohem Mass optimiert. Der Ansatz ist vielversprechend und zeigt einmal mehr, was mit „smarten“ Technologien heute möglich geworden ist.

Remo Boretti