Heisses Eis

Das ehemalige Logistikareal Zentrale Pratteln unweit von Basel wandelt sich gerade zu einem Quartier mit unterschiedlichen Nutzungen. Entwickelt wird das Gelände von sechs gemeinnützigen Bauträgerinnen. Ab Ende Jahr sollen die ingesamt rund 470 Wohnungen bezogen werden, ausserdem entstehen Dienstleistungs- und Gewerberäume sowie Bil­dungs-, Kultur- und Freizeitstätten. Nachhaltigkeitsaspekte haben bei der Transformation des Areals eine hohe Priorität, nicht zuletzt bei der Energieversorgung. Einen wichtigen Beitrag dazu leistet auch ein Eisspeicher – der ak­tuell grösste einer Wohnsiedlung in der Schweiz.

Phasenwechsel bringt Extra-Energie
Ein Eisspeicher funktioniert ziemlich simpel: Ein grosser unterirdischer Tank aus Beton wird mit Wasser befüllt. Über spiralförmige Rohre in seinem Inneren kann man dem Wasser Wärme entziehen. Diese lässt sich als Energiequelle für eine Wärmepumpe nutzen, welche die angeschlossenen Gebäude mit Heizwärme und Warmwasser versorgt. Zudem lässt sich der Eisspeicher im Sommer zum Kühlen verwenden. Er übernimmt also eine ähnliche Funktion wie zum Beispiel eine Erdwärmesonde. Tatsächlich wird er häufig dort eingesetzt, wo man aus geologischen Gründen keine Sonden bohren kann.
Was den Eisspeicher von herkömmlichen Wärmespeichern unterscheidet, ist die Art und Weise, wie er die Wärme speichert. Konventionelle Speicher sind mehrheitlich sogenannte sensible Speicher, bei denen das Speichermedium – in der Regel Wasser – erwärmt und später wieder genutzt wird. Damit das klappt, muss der Speicher sehr gut gedämmt sein. Und: Es braucht viel Platz, weil die Speicherfähigkeit von Wasser begrenzt ist. Der Eisspeicher hingegen ist ein latenter Speicher. Er macht sich die Eigenschaft des Wassers zunutze, dass beim Phasenwechsel von flüssig zu fest sehr viel Energie in Form von Wärme freisetzt wird. Dadurch muss das Wasser im Speicher nicht vorgängig erhitzt werden, sondern kann bei normaler Umgebungstemperatur eingelagert werden.

Eis zum Kühlen nutzen
Wie funktioniert das nun genau? Benötigt die Wärmepumpe thermische Energie, wird dem Wasser im Eisspeicher über die spiralförmigen Rohre Wärme entzogen. Sobald das Wasser zu gefrieren beginnt, entsteht zusätzliche nutzbare Wärme. Dadurch stellt der Eisspeicher insgesamt deutlich mehr Wärmeenergie bereit als ein vergleichbarer konventioneller Speicher.
Das Eis wird später wieder aufgetaut, indem man dem Speicher Wärme zuführt. Diese kann aus der Umwelt – zum Beispiel aus der Aussenluft oder aus Solarenergie – stammen, aber auch aus dem angeschlossenen Gebäude. Dazu lässt man an heissen Sommertagen kühles Wasser durch die Leitungen der Fussbodenheizung zirkulieren, wobei es Wärme aufnimmt und die Räume leicht abkühlt (Geocooling). Anschliessend wird die Wärme in den Eisspeicher geführt, wodurch das gefrorene Wasser wieder flüssig wird. Dieser Zyklus von Gefrieren und Auftauen lässt sich beliebig oft wiederholen.

Nicht von Anfang an vorgesehen
Zurück zur Zentrale Pratteln. Künftig wird ein gigantischer Eisspeicher das Areal mit Wärme und Kälte versorgen: Sein Fassungsvermögen von rund 2,3 Millionen Litern entspricht einem Schwimm­becken von 50 x 20 x 2,3 Metern. Ein Eisspeicher war keineswegs von Beginn an geplant. «Wir haben verschiedene andere Energiequellen und Systeme geprüft», erklärt Marianne Dutli Derron, Projektleiterin bei der Logis Suisse AG, einer der Bauträgerinnen des Areals. «Holzschnitzel kamen aus logistischen und ökologischen Gründen nicht infrage, Erdwärmesonden konnten wir wegen einer Gipsschicht im Baugrund nicht bohren.»
Und nur auf einen Anschluss ans Fernwärmenetz zu setzen, habe man vermeiden wollen, weil die Fernwärme nicht zu 100 Prozent fossilfrei sei und man sich nicht von einem externen Lieferanten und dessen Konditionen abhängig machen wollte. Dass zwei Gebäude doch von einem Fernwärmenetz und nicht vom Eisspeichersystem versorgt werden, hat mit ihrer spezifischen Ausgangslage zu tun. Beim einen wird das Konzept eines Hauses ohne Heizung verfolgt, beim anderen braucht es höhere Vorlauftemperaturen, weil es sich um einen Bestandsbau mit Radiatoren handelt.

Sonne, Luft und Regen
Eine wichtige Komponente des Eisspeichersystems sind die Solar-Luft-Kollektoren. Dabei handelt es sich um überirdisch aufgestellte Rohrsysteme, die wie ein überdimensionierter Handtuchwärmer aussehen. Das durchfliessende, frostsichere Wasser-Glykol-Gemisch nimmt sowohl die einstrahlende Solarwärme wie auch die thermische Energie aus der Aussenluft oder von Regenwasser auf. Die Kollektoren dienen als Energiequelle für die Wärmepumpe und liefern zudem Wärme, um den Eisspeicher zu regenerieren.

Der Betrieb der Wärme- und Kälteversorgung ist wie folgt geregelt:

• Der Eisspeicher ist ganzjährig als Energiequelle freigegeben.
• Von Oktober bis März können die Solar-Luft-Kollektoren die Wärmepumpen direkt versorgen. Fällt die Austrittstemperatur der Flüssigkeit in den Kollektoren auf unter -4 Grad, wird automatisch auf den Eisspeicher als Energiequelle umgestellt, um den effizienten Betrieb der Wärmepumpen zu gewährleisten.
• Zwischen Oktober und Dezember wird der Eisspeicher über die Kollektoren regeneriert. Das entstandene Eis wird also durch Zuführen von Wärme regelmässig wieder aufgetaut. Ab Januar verzichtet man bewusst darauf, um eine Eisreserve für den Kühlbetrieb im Sommer aufzubauen.
• Von Mai bis September ist der Kühlbetrieb freigeschaltet. Bei hohen Raumtemperaturen fliesst kühles Wasser durch die Bodenheizung und kühlt die Gebäude. Der Eisspeicher nimmt die abgeführte Wärme auf und regeneriert sich dabei.

Tiefere Nebenkosten
Zuerst seien die Beteiligten etwas skeptisch gewesen, ob man sich wirklich auf das «Experiment» Eisspeicher einlassen solle, sagt Dutli Derron – schliesslich sei in der Schweiz im Wohnungsbau noch nie eine so grosse Anlage realisiert worden. «Nachdem wir uns aber eingehend mit dem System beschäftigt hatten, erkannten wir, dass es schon fast ‹Low-tech› ist und daher optimal zu unserem Projekt passt.»
Als gemeinnützige Bauträgerschaft hatten die Projektverantwortlichen natürlich auch zu prüfen, wie sich der Entscheid für den Eisspeicher auf die Mietkosten auswirkt. Im Vergleich zu einem Erdsondenfeld dürften die Investitionskosten für den Eisspeicher tatsächlich etwas höher liegen und sich entsprechend in leicht höheren Nettomieten niederschlagen. Dafür profitieren die Mieterinnen und Mieter von tiefen Nebenkosten, weil die Wärme- und Kälteversorgung im Betrieb sehr günstig ist. Die Bruttomiete fällt deshalb tiefer aus, als wenn man ein konventionelles Heizsystem realisiert hätte.

Herausfordernde Planung
Der Eisspeicher der Zentrale Pratteln ist ein Pionierprojekt. Zwar konnten die Planenden andere Anlagen besichtigen und Erfahrungsberichte einholen, aber keines dieser Projekte hatte die gleichen Dimensionen. So waren die Planung und Umsetzung in gewissen Aspekten durchaus Neuland. Aufgrund der Vielzahl an Komponenten lag eine der Herausforderungen darin, die zahlreichen Zu- und Wegleitungen im Aussenbereich und innerhalb der Gebäude frühzeitig aufeinander abzustimmen und die Umsetzung gut zu koordinieren. Die Planenden nutzten 3D-Modelle, um die gebäudetechnischen Anlagen und die Werkleitungen aufeinander abzustimmen.
In den kommenden Monaten werden die Arbeiten am Eisspeicher und den zugehörigen Anlagen abgeschlossen. Die Inbetriebnahme ist spätestens für September 2026 geplant. Dabei werden sowohl die einzelnen Komponenten wie auch das Gesamtsystem gründlich geprüft. Auf Basis der Resultate des Testbetriebs lässt sich das System optimieren. Dadurch soll es bereit sein, im folgenden Winter die Zentrale Pratteln umweltschonend und effizient mit Wärme sowie im nächsten Sommer mit Kälte zu versorgen.

Mehr Eisspeicher in der Schweiz
Sind Eisspeicherprojekte wie in Basel Einzelfälle? Nein, sagt Ann-Katrin Thamm, Projektleiterin am Institut für Solartechnik (SPF) der Ostschweizer Fachhochschule OST. Sie forscht mit ihrem Team an einer Weiterentwicklung des klassischen Eisspeichersystems und beobachtet daher die Entwicklung des Markts. «Konventionelle Eisspeicher wurden in der Schweiz zuletzt häufiger verbaut», bestätigt sie. «Auffällig ist, dass auch die Industrie und der Dienstleistungssektor wachsendes ­Interesse an der Technik zeigen.» Die ­Eisspeicher kommen dort laut Thamm
bei Projekten zum Einsatz, bei denen fossile durch erneuerbare Energieträger ersetzt werden. Sie ermöglichen dabei eine höhere Eigenverbrauchsquote für Pho­tovoltaikanlagen bei höherer Effizienz und verbesserter Wirtschaftlichkeit, weil überschüssiger Solarstrom statt einer ­Einspeisung ins Netz im Speicher als thermische Energie gelagert werden kann.
Im Wohnbereich sind Eisspeicher seit einigen Jahren eine bekannte Alternative zu anderen Wärmeversorgungssystemen – gerade an Standorten, wo keine Erdwärmesonden gebohrt werden können. Während bei grösseren Überbauungen und in Arealen in der Regel Spe­zialanfertigun­gen vor Ort realisiert werden, gibt es für Einzelgebäude und kleinere Mehrfami­lienhäuser auch Standardsysteme.

Platzsparend und gut für Eigenverbrauch
Im Vergleich zu anderen Wärmespeichern – meist reine Wasserspeicher – haben Eisspeicher den Vorteil, dass sie eine deutlich höhere Energiedichte bieten. «Die latente Wärmespeicherung durch den Phasenwechsel von Wasser zu Eis ermöglicht es, etwa achtmal mehr Energie einzulagern als bei einem gleich grossen Wasserspeicher, dessen Temperatur um 10 Grad erhöht wird», erklärt Thamm. «Damit lässt sich die gleiche Energiemenge in einem wesentlich kleineren Speichervolumen unterbringen.» So würden Projekte realisierbar, die sonst aufgrund des fehlenden Platzes oder wegen zu hoher Kosten nicht hätten umgesetzt werden können.
Für Wohnbaugenossenschaften dürften Eisspeicher vor allem für zwei Anwendungen sinnvoll sein. Zum einen können sie bei Gebäuden mit hohem Kühlbedarf eine umweltschonende Kälteversorgung bieten. Zum anderen kommen sie für die Wärmeversorgung von Bauten mit Fussbodenheizung infrage, wenn man sie mit einer Wärmepumpe sowie Photovoltaik und/oder Solarthermie kombiniert. «Dadurch lässt sich der Eigenverbrauch von erneuerbaren Energien maximieren», sagt Thamm. «Eine Alternative sind Eisspeicher auch für Wohnbaugenossenschaften, die lieber thermische Speicher als Batterien verwenden wollen.» Gut möglich also, dass das Pionierprojekt in Basel bald Nachahmer findet.