V wie Vakuum-Flüssigeis-Technologie: Heizen mit Eis
Pilotanlage in Zwickau: Der Speicherbehälter (links) hält Eis-Wasser-Gemisch für das Fernkältenetz vor.
Foto: PRIst es ein Zeichen von Unverfrorenheit, seinen Kunden zu versprechen, sie könnten mit Eiswasser heizen? Das Gegenteil ist der Fall – zumindest dann, wenn es eine Anlage ist, die auf der Vakuum-Flüssigeis-Technologie basiert. Seit Juni 2014 steht auf dem Campus der Westsächsischen Hochschule Zwickau die weltweit erste Vakuumeis-Pilotanlage, die zur Kältespeicherung eingesetzt wird.
Maßgeblich am Bau und der Entwicklung beteiligt ist daran das Dresdener Institut für Luft- und Kältetechnik ILK. Die gemeinnützige Gesellschaft, die unter anderem im Bereich Kälte- und Klimatechnik industrienahe Forschung betreibt, setzt bei der Funktionsweise der Anlage auf das Prinzip der Direktverdampfung von Wasser. Vordergründig ist die Anlage nämlich dafür konzipiert worden, bei der Kaltwassererzeugung zu helfen und so Kühlkreisläufe etwa in der Lebensmittelindustrie oder Fernkältenetze energieeffizient zu unterstützen.
Kern der Anlage ist ein druckfester Tank, in dem ein Vakuum herrscht und in dem Wasser zum Verdampfen gebracht wird – und das bei circa minus einem Grad. „Der Siedepunkt jeder Flüssigkeit hängt vom Umgebungsdruck ab“, erklärt Mathias Safarik, Hauptbereichsleiter für angewandte Energietechnik am ILK. „Bei Umgebungsdruck, also einem Bar, liegt der Siedepunkt von Wasser bei 100 Grad Celsius. In dem Verdampfer herrscht wegen des Vakuums ein Druck von nur 0,006 Bar, was die Siedetemperatur auf null Grad senkt.“ Unter diesen Verhältnissen tritt ein besonderer thermodynamischer Zustand zutage: Am sogenannten Tripelpunkt herrscht ein Gleichgewicht von Eis, Wasser und Wasserdampf. Die nötige Wärme zur Verdampfung stammt aus dem flüssigen Wasser selbst, dessen Oberfläche sich beim Verdampfen so sehr abkühlt, dass auf ihr Eiskristalle entstehen, die sich mit dem Wasser vermischen.
Der Vorgang wird Direktverdampfung genannt und sorgt dafür, dass im unteren Teil des Tanks ein Eis-Wasser-Gemisch entsteht. Gegenüber herkömmlichen Kältespeicherverfahren ist das ein Vorteil. Üblicherweise wird mit chemischen Kältemitteln eine Fläche auf minus zehn Grad heruntergekühlt, woran Wasser gefriert und mechanisch abgekratzt wird. Dieser Schritt entfällt bei der Direktverdampfung.
Im nächsten Schritt saugt ein Turboverdichter den entstandenen Dampf an und leitet ihn an einem Kondensator entlang, der ihn wieder verflüssigt und in den Eis-Wasser-Tank zurück leitet. Um genug Wasserdampf wieder zu Wasser werden zu lassen, sind große Ansaugmengen nötig. „Der Wasserdampf hat wegen des Vakuums eine geringere Dichte als Luft. Wir müssen mit dem Wasserdampf-Turboverdichter also einen Hauch von Nichts verdichten, damit der Kreislauf funktionstüchtig bleibt“, sagt Safarik. In Zahlen ausgedrückt bedeutet dieser Hauch von Nichts, dass die Dichte von Luft bei 0 Grad Celsius und Umgebungsdruck 270 mal größer ist als in der evakuierten Umgebung des Verdampfers. In der in Zwickau installierten Pilotanlage dreht sich deswegen ein 135 Zentimeter großes Laufrad mit bis zu 7.000 Umdrehungen pro Minute. Zum Vergleich: Die Luftschaufeln eines Triebwerks des Airbus A320 messen nur gut 26 Zentimeter mehr im Durchmesser.
Einmal in Schwung, liefert der Kreislauf genug Eis-Wasser-Gemisch, um es in einem externen isolierten Tank zu speichern und bei Bedarf in einen Kältekreislauf oder ein Fernkältenetz abzupumpen. Per Fernkälte lassen sich Gebäudekomplexe ohne große Klimaanlagen vor Ort kühlen. Bei Einkaufszentren in Chemnitz oder München ist dies beispielsweise der Fall. Üblicherweise fließt in den Leitungen auf 6 Grad abgekühltes Wasser, das nach seiner Nutzung doppelt so warm ist. Das Eis-Wasser-Gemisch ist diesem herkömmlichen Kaltwasser deutlich überlegen – bei der Energiedichte ungefähr um den Faktor 3, wenn nur 10 Prozent Eis im Flüssigeis enthalten sind: Dadurch genügt deutlich weniger davon, um dieselbe Kühlleistung zu erreichen. Schmalere Rohrleitungen und weniger Pumpaufwand senken somit den Energieverbrauch des gesamten Netzes sowie die Installationskosten.
Ein weiterer Kostenfaktor ist die Tatsache, dass die Entladeleistung des Vakuumeisspeichers größer als seine Beladeleistung sein kann. Schließlich kann der isolierte Tank bei entsprechender Größe deutlich mehr Eis-Wasser-Gemisch vorhalten als der Verdampfer in kurzer Zeit produziert. Beispiel: Braucht eine Brauerei zweimal täglich für eine halbe Stunde eine Kälteleistung von einem Megawatt, benötigt sie bei herkömmlicher Konstruktion auch eine Kälteanlage mit derselben Leistung, die dann laufen muss, wenn die Kälte benötigt wird. „Bei einer Vakuum-Eis-Anlage mit ausreichend dimensioniertem Speicherbehälter reicht eine Eiserzeugungsleistung von 50 Kilowatt“, sagt Mathias Safarik. Außerdem kann das Eis-Wasser-Gemisch immer dann auf Vorrat produziert werden, wenn Strom – etwa aus erneuerbaren Energien – besonders günstig ist.
Doch nicht allein zum Kühlen ist die Vakuumeistechnologie gut; auch Heizen ist möglich. Dabei wird an frostigen Tagen Wasser aus einem natürlichen Wasserreservoir, etwa einem Fluss oder See, in den Verdampfer gepumpt, durch den Turboverdichter zum Kondensator geschickt und die dabei anfallende Wärme in einer Wärmepumpe genutzt. Ihre Vorlauftemperatur wird auf diese Weise leicht angehoben, was den Wärmepumpenkreislauf effizienter macht. „Wärmepumpen, die mit Luft als Wärmequelle arbeiten, werden mit steigender Differenz zwischen Innen- und Außentemperatur ineffizienter“, erklärt Safarik. Zudem gibt es keine Probleme mit Lärm durch Ventilatoren in Luftwärmepumpen. Auch saisonale Speicher sind mit dieser Technik realisierbar. Das während des Heizbetriebs im Winter erzeugte Eis kann dann im Sommer zum Kühlen eingesetzt werden.
Gleich mehrere Sommer hat es gebraucht, bis die erste Anlage in Zwickau stand. Etwa fünf Jahre beschäftigt sich das ILK bereits mit der Erzeugung von Eis durch Direktverdampfung. Die Forschungsbemühungen um die Wasserdampf-Verdichtertechnologie dauern – mit Unterbrechungen – sogar schon seit Ende der 1990er Jahre an. Die Zwickauer Anlage soll nach dem Willen ihrer Erbauer nicht alleine bleiben: „Wir verfolgen das Ziel, die Technologie an ein Unternehmen zu transferieren, das derartige Anlagen und Systeme zukünftig am Markt anbietet“, sagt Mathias Safarik. Auch Partner für weitere Pilotanlagen suchen die Dresdener noch. Damit das Heizen mit Eis am Ende mehr wird als ein Versuch.