Weisser Eiskristall vor blauem Hintergrund.

Heizen mit Eis

Klimaerwärmung und Klimaschutz sind Begriffe, die uns in den Medien ständig wieder begegnen. Oft fallen in dem Zusammenhang die Ausdrücke „grüne“ oder „erneuerbare Energie“. Gemeint sind damit nachwachsende Rohstoffe wie etwa pflanzliche Biomasse, die zu Biokraftstoff oder Biogas verwertet wird. Aber auch die Solar- und Windenergie, Wasserkraft und Erdwärme gelten als „grün“, da sie natürlich vorkommen und im Gegensatz zur Kernenergie oder zu Kohlekraftwerken umweltfreundlich sind. Aufgabe der Wissenschaftler und Ingenieure ist nun, solche grünen Energieträger effizient und möglichst kostengünstig in verwertbare Energie umzuwandeln. Pascal Lennemann beschreibt eine interessante Methode, wie gefrorenes Wasser ganze Wohnhäuser und sogar Einkaufszentren beheizen kann.

Welche Energie steckt in Wasser?

Zwei runde durchsichtige Plastikbeutel mit selbem Inhalt liegen auf einem weissen Untergrund.
Taschenwärmer

Auf den ersten Blick scheint es unmöglich, das Heizen mit Eis. Doch der Widerspruch löst sich auf, wenn man die Moleküle im Wasser oder Eis etwas näher betrachtet: Atome und Moleküle sind immer in Bewegung. Sie vollführen ständig eine zitternde Bewegung, die man die Brownsche Bewegung nennt. Wassermoleküle besitzen somit stets Bewegungsenergie – egal ob sie sich in flüssigem, festem oder gasförmigem Zustand befinden. Je wärmer ein Stoff, desto größer ist seine Energie und das Zittern der Moleküle. Deshalb können Wassermoleküle auch bei etwa 100 Grad Celsius in den Gaszustand übergehen. Dann besitzen sie nämlich genügend Bewegungsenergie um aus der Flüssigkeit aufzusteigen.

Wenn Wasser nun gefriert, wird das Zittern der Moleküle immer schwächer. Das System – zum Beispiel ein Eimer mit Wasser – gibt Energie nach außen ab, und im Eimer bilden sich Eiskristalle aus. Die Energie, die abgegeben wird, nennt sich Kristallisationswärme. Die Kristallisationswärme ist also die Energie, die frei wird, wenn ein Stoff seinen Aggregatzustand von flüssig zu fest ändert. Somit müsste es korrekterweise nicht „Heizen mit Eis“, sondern „Heizen mithilfe der Kristallisationswärme von Eis“ heißen.

Lohnt sich das denn überhaupt?

Vergleicht man die Kristallisationswärme von Eis mit dem Brennwert von Heizöl, so kann man ausrechnen, dass etwa 120 Liter Eis nötig sind, um dieselbe Wärmemenge wie aus einem Liter Heizöl zu erzeugen. Ein realistischer Tank, der sich problemlos unter der Garage eines Einfamilienhauses vergraben lässt, fasst bis zu 15 000 Liter Eis. 

Grafik eines Querschnittes eines Hauses. Auf dem Dach befindet sich eine Solaranlage und neben dem Haus unter der Erde ist ein runder Tank durch Rohre mit dem Haus und der Solaranlage verbunden. Die Rohre sind rot und blau abgebildet und führen über zwei Behälter im Keller zu einer Fußbodenheizung und weiter zum Dach.
Das Eisheizungssystem

In einem so großen Eistank steckt also eine Energie von etwa 1250 Kilowattstunden. Reicht diese Energie aber zum Heizen einer durchschnittlich großen Wohnung von 120 Quadratmetern?

Im Schnitt verbrauchen die Deutschen 150 Kilowattstunden pro Quadratmeter im Jahr zum Heizen. Dafür reicht die Energie von 1250 Kilowattstunden des Eistanks nicht aus. Allerdings nur scheinbar, denn diese Energie wird bei jedem Gefriervorgang frei. Da sich das Wasser beliebig oft gefrieren und auftauen lässt, steckt im Tank eine tatsächliche Energie von 1250 Kilowattstunden multipliziert mit der Anzahl der Gefriervorgänge.

Funktionsweise der Eisheizung

Selbstgeszeichnetes Bild des schematischen Aufbaus einer Wärmepumpe. Bild ist von links nach rechts in drei Teile geteilt. Links drei Symbole für natürliche Wärmequellen dargestellt: Wolke, Erde, Sonne. Dieser Teil ist mit einem dünnen Rohr mit dem zweiten Tiel verbunden, dort sind zwei Gefäße, eine mit einer blauen Flüssigkeit und Gas befüllt, die andere mit einer roten Flüssigkeit und Gas befüllt gezeichnet. Beide Gefäße sind über Verdichtersymbol und Ventilsymbol gekoppelt. Der dritte Teil ganz rechts stellt ein Haus mit Heizsystem dar, das über ein dünnes Rohr mit dem zweiten Teil verbunden ist.
Funktionsweise einer Wärmepumpe

Jetzt bleibt aber noch die Frage, wie man das Wasser zum Gefrieren bringt, denn unter der Erde ist es mit acht bis zwölf Grad Celsius recht warm. Die Kristallisationswärme aus dem Eis lässt sich mithilfe einer kalten Flüssigkeit – zum Beispiel Propan – gewinnen. Diese hat die Eigenschaft, bei Minustemperaturen zu verdampfen. Damit sie aber ihren Aggregatzustand von flüssig nach gasförmig ändern kann, brauchen ihre Moleküle Energie. Diese Energie nimmt sich die Flüssigkeit aus dem Wasser, wodurch dieses abkühlt und schließlich gefriert. Übrig bleibt ein Wassertank voller Eis. Die kalte Flüssigkeit ist jedoch zu Gas geworden und enthält die Kristallisationswärme des Wassers. Über eine angeschlossene Wärmepumpe lässt sich die gewonnene Kristallisationsenergie nutzen.

Dort wird das Gas der verdampften Flüssigkeit verdichtet. Wenn man Gas verdichtet werden die Moleküle enger zusammengedrückt, und das Gas wird noch heißer. Das heiße Gas gelangt dann über ein Rohrsystem zu einem Wärmeverteiler und überträgt die Wärme auf das Heizsystem. Die Energie steht nun zum Heizen zur Verfügung. Das Kältemittel wird in einem größeren Volumen wieder ausgedehnt und kühlt gleichzeitig wegen der Energieabgabe ab. Es wird wieder flüssig.

Drei dunkle Solarmodule auf einem Ziegeldach. Über dem Dach ist ein Streifen blauen Himmels zu sehen und unter den Solarmodulen liegt ein kleiner Haufen Schnee auf dem Dach.
Solaranlage

Damit das Eis wieder neue Energie an das Kältemittel abgeben kann, muss man ihm diese vorher zuführen. Man muss es also auftauen, zum Beispiel anhand von Solarthermie-Anlagen auf dem Dach. Diese erhitzen ein Wassergemisch, das durch ein Rohrsystem bis zum Eistank gelangt. Dort gibt die Flüssigkeit ihre Wärme an das Eis ab und taut es auf. Als Energiequelle kann auch die Erdwärme zum Auftauen des Eises genutzt werden. Nun kann der Kreislauf von neuem beginnen.

 

 

Warum gibt es die Eisheizung nicht schon überall?

Obwohl die Eisheizung sehr umweltfreundlich ist und die Idee genial erscheint, ist diese Technik noch nicht weit verbreitet. Dies mag an den relativ hohen Anschaffungs- oder Umbaukosten für ein Wohnhaus liegen. Denn zur optimalen Wirtschaftlichkeit der Eisheizung muss ein Haus sehr gut gedämmt sein, und der ideale Wärmeverteiler ist eine Fußbodenheizung, die noch die wenigsten Haushalte besitzen.

Zusammen mit den Kosten für die Errichtung der Eisheizung muss also ein bestehendes Haus umgebaut werden. Da ist es für die Eigentümer meist günstiger und einfacher, eine Gasheizung einzubauen. Allerdings sagen Eisheizungsanbieter auf Jahre gesehen eine gute Investition vorher, da fossile Brennstoffe wie Erdgas und Erdöl immer teurer werden. Es gilt also abzuwarten, ob und wann sich die Eisheizung in Zukunft durchsetzen wird.

Einige Großeinrichtungen wie zum Beispiel Schwimmbäder oder Einkaufszentren nutzen schon jetzt die Eisheizung. In Hamburg-Wilstorf soll bis 2014 die „größte Eisheizung der Welt“ gebaut werden. Dort soll sie fast fünfhundert Einfamilienhäuser kostengünstig beheizen.

Energie von einem Liter Eis

Die Kristallisationsenergie von Wasser beträgt bei 0 Grad Celsius etwa 333 Kilojoule pro Kilogramm. Ein Liter Eis (entspricht ungefähr = 916 Gramm Eis) setzt also eine Energie von etwa 306 Kilojoule frei:

333 kJ / kg × 0,916 kg = 306 kJ.

Dies entspricht ungefähr 0,085 Kilowattstunden:

306 kJ = 306 kWs = 306 ÷ 3600 kWh = 0,085 kWh.

Ein Liter Heizöl besitzt einen Brennwert von etwa 10 Kilowattstunden.

10 kWh ÷ 0,085 kWh= 120.

Die Energie von 120 Liter Eis entspricht also der Energie von einem Liter Heizöl.