Energie in Form von Wärme oder Strom zu speichern, gehört zu den großen Herausforderungen der Energiewende. Das finnische Unternehmen Polar Night Energy (PNE) nutzt die vergleichsweise hohe Wärmespeicherkapazität von Sand, um Energie über Monate hinweg zu speichern. Ein Prototyp von 7 m Höhe und 4 m Breite im westfinnischen Städtchen Kankaanpää ist seit 2022 in Betrieb. Er liefert eine Heizleistung von 200 kW und die Kapazität 8 MWh. Im Inneren: rund 100 t Sand. Der örtliche Energieversorger nutzt die weltweit erste kommerzielle Sandbatterie und liefert Wärme für das Fernwärmenetz.
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Wie die Sandbatterie aus Finnland funktioniert
Das Unternehmen Polar Night Energy hat seinen Sitz in Tampere, Finnland. Seine Batterien in Form von Sandsilos haben nach eigenen Angaben drei Hauptfunktionen:
- die Speicherung überschüssiger erneuerbarer Energie,
- die Nutzung von Reservemärkten zum Ausgleich der Netzfrequenz
- und die Erzeugung von Wärme und Strom ohne Verbrennung.
Das System lädt sich mit Strom aus dem Netz oder lokalen erneuerbaren Quellen wie Photovoltaik oder Windkraft auf. Es speichert dann Energie, wenn sauberer und günstiger Strom verfügbar ist. Die Energie wird über ein geschlossenes Wärmeübertragungssystem an die Sandbatterie übertragen. Bei Bedarf wird die Wärme über einen Wärmetauscher abgegeben. Die elektrische Energie wird über ein geschlossenes Luftleitungssystem in den Speicher übertragen. Dabei wird die Luft durch elektrische Widerstände erhitzt und durch Wärmeübertragungsrohre zirkuliert.
Sandspeicher kann heißes Wasser, Luft oder Dampf bis zu 600 °C liefern
Beim Gewinnen der Wärme wiederum wird kühle Luft durch die Rohre geblasen, und sie nimmt beim Durchströmen des Speichers Wärme auf. Diese erwärmte Luft kann dann zur Umwandlung von Wasser in Dampf für industrielle Prozesse oder zur Erwärmung von Wasser für die Fernwärme über einen Luft-Wasser-Wärmetauscher verwendet werden. Die Sandbatterie kann heißes Wasser, Dampf oder Luft mit Ausgangstemperaturen von bis zu 400 °C liefern.
In der neuesten Ausführung erreicht das Speichermaterial Temperaturen von bis zu 600 °C, teilt Polar Night Energy mit. Höhere Temperaturen seien je nach Kundenwunsch möglich. Die maximale Temperatur wird nicht durch den Sand, sondern durch die Hitzebeständigkeit der Konstruktionsmaterialien bestimmt. Im Übrigen handele es sich um „ganz normalen Sand“, wie Juha Niemi, Vertriebsleiter von PNE, sagt.
Sand kann Wärme über Monate relativ verlustarm speichern
Sand und ähnliche Materialien haben den Vorteil, auf Temperaturen weit über den Siedepunkt von Wasser erhitzt werden zu können. „Ein Druckbehälter mit erhitztem Wasser ist zudem immer mit einem Risiko verbunden“, sagt Juha Niemi. Der gelernte Ingenieur für Maschinenbau und Energietechnik erklärt: „Sand reagiert nicht chemisch. Und er speichert bei vergleichbarem Volumen deutlich mehr Energie.“
Der Speicher selbst, so Niemi, bestehe aus Stahl und sei mit handelsüblichen, hitzebeständigen Materialien isoliert. Sand selbst verfüge über natürliche, selbstisolierende Eigenschaften, die die Gesamtisolierung verbessern, so die Techniker. Außen wird der Speicher entsprechend wegen der guten Isolierung nicht heiß. Der Sand selbst kann die Wärme über Monate speichern. Je nach Anwendung ist das System darauf ausgelegt, zwischen 20- und 200-mal pro Jahr be- und entladen zu werden.
In Finnland unterstützen die Sandspeicher Fernwärmenetze
Einer Einschätzung der Initiative „Mission Innovation“ aus dem Jahr 2020 zufolge könnte die Sandbatterie von Polar Night Energy bis 2030 jährlich über 100 Mt CO2-Äquivalente an Treibhausgasemissionen einsparen – das sind etwa 3 % der aktuellen EU-Emissionen oder das Doppelte der Emissionen der heutigen New York City. Die Kosten belaufen sich auf rund 10 €/kWh bis 40 €/kWh.
Der finnische Hersteller hat inzwischen einen Wärmespeicher für den Fernwärmebetreiber Loviisan Lämpö gebaut, der die Orte Lappohja, Loviisa, Pornainen, Pukkila, Siltakylä sowie das Zentrum des Dorfes Pyhtää mit Fernwärme versorgt. Das Silo hat einen Durchmesser von etwa 15 m und ist mit 2000 t Specksteinschotter gefüllt, die bei einem Ofenhersteller als Abfall angefallen sind.
Ein Heißluftgebläse erhitzt den Specksteinturm auf mehrere Hundert Grad Celsius. Insgesamt kann er 100 MWh Energie über Monate speichern. Auch einen größeren Speicher mit einer Höhe von 30 m bietet PNE an. Er liefert 10 MW Heizleistung mit einer Kapazität von bis zu 1000 MWh.
Sandspeicher fürs Eigenheim bauen die Finnen noch nicht
PNE zählt Energieversorger, Betreiber von Wohn- und Geschäftsgebäuden sowie Hersteller von Lebensmitteln und Getränken, Textilien, Chemie- und Pharmaprodukten, in der Metall- sowie Zellstoff- und Papierproduktion zur Kundschaft. Als Privatanwender könne man sich eine solche Sandbatterie für das eigene Zuhause noch nicht kaufen, sagt Juha Niemi. „Wir konzentrieren uns derzeit noch auf größere industrielle und gewerbliche Anwendungen.“
Prinzipiell ließe sich mit der gespeicherten Wärme natürlich auch wieder Strom machen, so Niemi. Ein solches Pilotprojekt zur Rückführung der Wärme in Elektrizität hat Polar Night Energy im Frühjahr angekündigt. Es soll in der Stadt Valkeakoski entstehen.
Die zwei Gründer von Polar Night Energy, Tommi Eronen und Markku Ylönen, lernten sich 2013 im Studium an der Technischen Universität Tampere kennen. Tommi hat einen Masterabschluss in Kraftwerkstechnik und Markku einen Doktortitel in angewandter Mechanik. Im Jahr 2018 riefen sie Polar Night Energy ins Leben, mit dem Ziel, den Energiesektor zu dekarbonisieren. Mittlerweile arbeiten im Unternehmen 21 Mitarbeitende, es wurden bereits vier Sandbatterieprojekte (in Tampere, Kankaanpää und Pornainen) fertiggestellt.
