Mit Hilfe von Flüssigeis kann sehr gut Energie gespeichert und transportiert werden. Die Technologie ist bereits erprobt und beweist in einer ersten praktischen Anwendung ihre Energieeffizienz.
Diese Vakuum-Flüssigeisanlage beweist gerade an einer Zwickauer Hochschule ihre Praxistauglichkeit.
Sauer / ILK Dresden
Zur Speicherung von Energie, einem der grundlegenden Probleme der Energiewende, eignet sich auch Eis. "Als Binäreis wird eine Suspension von kleinsten Eiskristallen in wässriger Lösung bezeichnet, die bei einem Wärmeaustausch schlagartig ihren Aggregatzustand von fest in flüssig wechseln. Diese Eiskristalle mit einem Durchmesser bis etwa 0,5 mm können sowohl als Vakuumeis als auch mit Verdichtungskälteanlagen mit einem Eisgenerator erzeugt werden. Voraussetzung ist die Gefrierpunkterniedrigung der Lösung […], womit sich gleichzeitig die Temperatur einstellen lässt, bei der das pumpfähige, hochenergetische Flüssigeis gebildet wird", beschreibt Springer Vieweg-Autor Christian Hainbach auf Seite 19 seines Buchkapitels Kältetechnik die physikalischen Voraussetzungen.
Heute wird Kälte zu etwa 93 Prozent erzeugt und direkt genutzt. Die Speicherung spielt derzeit noch keine Rolle. Flüssiges Eis hingegen könnte die Kälte sehr gut speichern und auch transportieren. Denn Flüssigeis ist gut pumpbar – und das gänzlich ohne Kältemittel. Eine entsprechende technologische Lösung wurde vom Institut für Luft und Kälte (ILK) aus Dresden entwickelt.
Verdampfen energetischer als Erstarren
Dabei passiert folgendes: Wasser siedet in einem Grobvakuum von 6,1 Millibar bei 0 Grad Celsius. Das Verfahren nutzt dabei ein natürliches Phänomen: Am Tripelpunkt von Wasser liegen die Aggregatzustände fest, flüssig und gasförmig gleichzeitig vor. Die Verdampfung einzelner Wassermoleküle an der Wasseroberfläche entzieht der umgebenden Flüssigkeit Energie.
Die Verdampfungsenthalpie ist mehr als sieben Mal höher als die Erstarrungsenthalpie. Deswegen entzieht das kochende Wasser dem darunter liegenden so viel Energie, dass es Eiskristalle bildet. Dieser Vorgang wird so lange fortgesetzt, bis das Wasser zur Hälfte aus Eiskristallen besteht. Damit ist der Zustand des Flüssigeises erreicht.
Das Verfahren ist wegen des nicht benötigten Kältemittels umweltfreundlich. Zudem kommt es ohne Wärmetauscher aus, was Effizienz und Effektivität erhöht. Die volumetrische Kapazität liegt bei etwa 54 Kilowattstunden pro Kubikmeter. Ein normaler Kaltwasserspeicher bringt es gerade mal auf sieben Kilowattstunden pro Kubikmeter.
Aus einer Kilowattstunde elektrischer Energie entstehen zudem fünf bis acht Kilowattstunden Kälte. Das ist ein wesentlich geringerer elektrischer Aufwand als bei anderen Transportarten von Kälte.
Da Kühlung vorrangig dann benötigt wird, wenn die Sonne scheint, kann die dafür benötigte elektrische Energie auch mittels PV-Strom erzeugt werden. Das Verfahren hieße dann Power to Cold (PtC). Die bei der Kälteerzeugung entstehende Abwärme könnte zudem mittels Wärmepumpen genutzt werden.
Direkte Nutzung möglich
Die so erzeugte Kälte kann nicht nur als Speicher dienen, sondern auch direkt in Kühlprozesse, etwa in der Lebensmittelindustrie oder bei der Klimatisierung von Gebäuden, eingesetzt werden. An der Westsächsischen Hochschule Zwickau wurde eine erste Anlage mit einer Verdampfer-Kälteleistung von 50 Kilowatt installiert. Bisher hat sie die beplanten Speicherkapazitäten von 350 Kilowattstunden bei einem Speichervolumen von sechs Kubikmeter erfüllt. Die Entladeleistung liegt bei 100 Kilowatt.
Da der Kühlbedarf ständig zunimmt, sind solche effizienten Lösungen gefragt. Denn für die Erzeugung von einer Kilowattstunde Kälte ist das Dreifache des Energieaufwandes nötig, der für die Erzeugung von einer Kilowattstunde Wärme anfällt. "Die Kühltechnik findet in vielen Bereichen Anwendung, im Haushalt (im Kühlschrank bei etwa 0 Grad Celsius), bei der Frisch- und Tiefkühlung, im Lebensmittelgewerbe (in Schlachthöfen), im Getränkehandel (in Brauereien), bei vielen Prozessen in der chemischen Industrie, bei der Kühlung von Wärmekraftmaschinen aller Art, bei der Verflüssigung von Erdgas usf. Die Klimatechnik hat in sonnenreichen Ländern die gleiche Bedeutung wie die Heiztechnik in winterkalten", beschreibt die Einsatzgebiete der Kältetechnik Springer Vieweg-Autor Christian Petersen in seinem Buchkapitel Thermodynamik auf Seite 454f.