Schon im alten Rom und Ägypten nutzten Menschen Sand als Wärmespeichermedium, um Badehäuser und Villen warm zu halten. Das finnische Start-up Polar Night Energy hat dieses Prinzip nun auf ein völlig neues Niveau gehoben, indem es die weltweit erste kommerzielle Sandbatterie entwickelt hat, um Städte und Bezirke in Finnland mit thermischer Energie zu versorgen.
Die Sandbatterie besteht aus einem Silo, das mit überschüssigem Industriesand gefüllt und mit Heizrohren ausgestattet ist, um den Sand auf bis zu 600 °C zu erhitzen. Die Wärme kann für mehrere Tage, Wochen oder sogar Monate gespeichert werden. Das System wird mit Strom aus dem Netz, Solarenergie oder Windkraft aufgeheizt.
In einem Interview mit Mitgründer und CEO Tommi Eronen erfahren wir mehr über die Technologie, ihr Potenzial und ein Pilotprojekt, das die Nutzung von Sandbatterien zur Stromerzeugung ermöglichen soll.
Bevor ich gemeinsam mit Markku Ylönen, unserem CTO bei Polar Night Energy, das Unternehmen gründete, haben wir an der Technischen Universität Tampere studiert. Da wir in Finnland leben – einem kalten Land mit hohem Energiebedarf, insbesondere für Wärme – interessierten wir uns schon früh für die Stärkung der Energieautarkie Finnlands.
Nach unserem Studium wurde uns bewusst, dass mit dem Fortschreiten der Klimakrise enorme Energiespeicherkapazitäten benötigt werden, um das schnelle Wachstum erneuerbarer Energien zu unterstützen. Aus diesem Grund kamen wir auf die Idee, eine Sandbatterie zu entwickeln.
Für unsere Batterie suchten wir zunächst nach dem günstigsten und am leichtesten verfügbaren festen Material. Anfangs dachten wir an Erde, stellten jedoch schnell fest, dass sich organische Stoffe beim Erhitzen zersetzen und unangenehme Gerüche freisetzen. Sand erwies sich als die zweitgünstigste Option und stellte sich letztendlich als die beste Wahl heraus. So wurde die Sandbatterie geboren – und im Jahr 2018 gründeten wir Polar Night Energy, um unsere Idee in die Realität umzusetzen.
Obwohl die Effizienz der Sandbatterie in einem wärmeren Klima leicht erhöht wäre, würde dieser Unterschied wahrscheinlich nur wenige Prozentpunkte ausmachen. Anders sieht es unter extremen Bedingungen aus, wie etwa -30°C im Winter.
Unser Batteriesystem ist gut isoliert – wir verwenden Steinwolle, und auch der Sand selbst besitzt isolierende Eigenschaften. Wenn Sie die Außenfläche unseres Silos in der Stadt Kankaanpää berühren würden, wäre dieses nicht wärmer als die Umgebungstemperatur.
Unsere thermische Speicherung hat zwar geringe Energieverluste, aber unsere erste kommerzielle Anlage in Kankaanpää arbeitet mit einer Effizienz von etwa 75 Prozent. Größere Installationen werden voraussichtlich 85 bis 90 Prozent Effizienz erreichen.
Die lukrativsten Anwendungsbereiche sind Industrien, die für ihre Prozesse Wärme von über 100 °C benötigen. Damit stehen wir nicht in Konkurrenz zu Herstellern von Wärmepumpen, die typischerweise niedrigere Temperaturen liefern.
Ein konkretes Beispiel: In Finnland setzen Fernwärmeunternehmen häufig auf Elektrodenkessel mit großen wasserbasierten Speichern. Diese sind jedoch auf eine maximale Temperatur von etwa 95 °C begrenzt. Sobald höhere Temperaturen erforderlich sind, wird unser System zur optimalen Lösung.
Ein entscheidender Vorteil unseres Systems ist seine Flexibilität beim Laden. Während Wärmepumpen mit einem Leistungskoeffizienten (COP) von über 300 Prozent arbeiten, liegt unser System bei unter 100 Prozent. Dennoch können wir strategisch agieren und die Batterie genau dann aufladen, wenn die Strompreise am Spotmarkt sehr niedrig oder sogar negativ sind – das reduziert die Kosten erheblich. Zusätzlich können wir Kapazität gezielt verkaufen, um das Stromnetz zu stabilisieren, was die Rentabilität weiter steigert.
Unsere erste kommerzielle Einheit in Kankaanpää erzeugt 0,2 Megawatt (MW) thermische Leistung – das entspricht nur einem kleinen Bruchteil des lokalen Netzes, das etwa 20 MW benötigt.
Unsere nächste Einheit, die derzeit in der Stadt Pornainen für den Markt vorbereitet wird, hat eine thermische Leistung von 1 MW. Für ein kleines Netz wie das von Pornainen ist das bereits ein bedeutender Beitrag. Tatsächlich wird diese Sandbatterie den Großteil des Heizbedarfs der Stadt für die meiste Zeit des Jahres decken.
Mit Blick in die Zukunft wollen wir unser System weiter skalieren und größere Anlagen für größere Städte bauen. Dadurch könnte die Sandbatterie nachhaltig Wärme in noch größerem Umfang bereitstellen und fossiles Gas langfristig ersetzen.
Wir bieten eine hochrelevante Lösung für Projektentwickler, die nach einer Möglichkeit zur Wärmeenergiespeicherung suchen. Unsere Sandbatterie gibt es als 2-MW- und 10-MW-Systeme. Derzeit optimieren wir die Speicherkapazität der größeren Einheit, um potenziellen Kunden eine kostengünstigere Lösung anzubieten.
Im Vergleich zu elektrischen Batterien sind unsere Systeme noch nicht konkurrenzfähig. Doch bei der Wahl zwischen Lithiumbatterien und thermischen Batterien sollten Projektentwickler einen entscheidenden Vorteil der Wärmespeicherung bedenken: Obwohl die Preise für Lithiumbatterien in den letzten Jahren stark gesunken sind, kosten großangelegte Lithiumprojekte – etwa im 100-MW-Bereich – immer noch rund eine Million Euro pro MW Leistung. Unsere Sandbatterie bietet eine deutlich kostengünstigere Alternative.
Zudem sind Lithiumbatterien in der Regel für eine Speicherdauer von nur ein bis vier Stunden ausgelegt, sodass sie häufig geladen und entladen werden müssen. Im Gegensatz dazu ermöglicht die Sandbatterie eine viel einfachere Speicherung von Energie. Der entscheidende Faktor dabei ist die Menge an Sand, die das Rohr zur Wärmeübertragung umgibt – dadurch lässt sich die Speicherkapazität unkompliziert und kostengünstig erhöhen.
Zwar hat unser System eine geringere Effizienz als Lithiumbatterien, doch es ist speziell darauf ausgelegt, Wärmeenergie für Städte oder industrielle Prozesse bereitzustellen – etwas, das große Lithiumbatterien nicht leisten können. In vielerlei Hinsicht funktionieren unsere Sandbatterien ähnlich wie Kraft-Wärme-Kopplungsanlagen (KWK), die derzeit in finnischen Städten genutzt werden – allerdings mit nachhaltigen und erneuerbaren Energiequellen.
Ja, das Projekt Power-to-Heat-to-Power befindet sich derzeit in der Pilotphase. Unser Ansatz besteht darin, thermische Energie mithilfe einer modifizierten Gasturbine wieder in Strom umzuwandeln – ganz ohne Verbrennungsprozesse. Anstatt Brennstoff zu verbrennen, haben wir die Turbine so angepasst, dass die Luft durch den Kompressor strömt, über eine Düse abgeführt und anschließend durch die Sandbatterie geleitet wird, wodurch sie erhitzt wird.
In einer herkömmlichen Gasturbine wird Wärme durch Verbrennung erzeugt. In unserem System hingegen wird die Luft innerhalb der Sandbatterie erhitzt, bevor sie in die Turbine zurückgeführt wird – genau wie es bei einer konventionellen Verbrennung der Fall wäre.
Falls es uns gelingt, diese Technologie zu einem wettbewerbsfähigen Preis auf den Markt zu bringen, könnten wir großflächige Sandbatterien in ganz Europa einsetzen, insbesondere an Standorten, an denen konventionelle Gasturbinen ersetzt werden müssen. Dabei könnten bestehende Turbinen modifiziert werden, um sie mit unserer Sandbatterie kompatibel zu machen. Die Umsetzung wäre einfach, da die notwendigen Netzanschlüsse bereits vorhanden sind – es müsste lediglich die Sandbatterie installiert werden.
In den kommenden Jahren möchten wir uns auf europäische Märkte konzentrieren, mit dem Ziel, später global zu expandieren. Unsere Hauptzielbranchen sind Industrien mit einem hohen Bedarf an thermischer Energie, insbesondere die Lebensmittel- und Getränkeindustrie, die Chemiebranche sowie die Fertigungsindustrie.
Generell ist unsere Technologie besonders relevant für Unternehmen, die heißes Wasser, Dampf oder heiße Luft für Trocknungsprozesse und andere thermische Anwendungen benötigen.