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Warmer Sand für kalte Winter

Polar Night Energy, ein Startup in Finnland, hat eine Technologie entwickelt um Gebäude mit solar erzeugter, in Sand gespeicherter Wärme zu beheizen. Das Team nutzt thermische Modellierung, um das Design ihrer Wärmespeicher und Verteilungssysteme zu optimieren, die finnischen Städten helfen, ihren Verbrauch an nicht erneuerbaren Heizbrennstoffen zu reduzieren.

Von Alan Petrillo
Februar 2022

Wenn wir die Heizung zuhause oder an unserem Arbeitsplatz hochdrehen, müssen wir ein Gleichgewicht zwischen unserem persönlichen Bedürfnis nach Wärme und den globalen Auswirkungen der Verbrennung fossiler Brennstoffe wie Öl, Gas, Kohle und Biomasse finden. Der menschengemachte Klimawandel konfrontiert die Menschheit mit einer Herausforderung: Wie können wir uns warm halten während wir versuchen, unsere Welt vor der Überhitzung zu schützen?

Es ist eine schwierige Frage, die ein Startup namens Polar Night Energy in der kleinen, kühlen Nation Finnland zu beantworten versucht. In einer Region, die für lange, dunkle Winternächte bekannt ist, bauen Polar Night Energy ein System in der Stadt Tampere, das Gebäude mit gespeicherter Solarenergie beheizen kann. In einer Ära komplexer, sauberer Technologielösungen besteht das Wärmespeicher- und Verteilungssystem von Polar Night Energy aus einfachen Rohren, Pumpen, Ventilen – und Sand.

Ein kleines Land mit einem großen Heizbedarf

Große Probleme erfordern umfassende Lösungen, und es gibt wohl kein größeres Problem des 21. Jahrhunderts als den Klimawandel. Um dieser Herausforderung zu begegnen, investieren viele Regierungen und Organisationen in neue Technologien, die dazu beitragen sollen, den Verbrauch fossiler Brennstoffe zu verringern. Diese Initiativen konzentrieren sich weitgehend auf die Erzeugung, Verteilung und Speicherung von Strom aus erneuerbaren Energien.

„Wenn Menschen von saubererer Energie sprechen, denken sie meist an Elektrizität,“ sagt Tommi Fronen, CEO von Polar Night Energy. „Aber wir müssen auch die Emissionen reduzieren, die durch Heizen verursacht werden.“ 82% von Finnlands Energie-bezogenen Emissionen stammen von der Beheizung von Wohngebäuden (Ref. 1). „Um unsere globalen Klimaziele zu erreichen, wollen wir all das ersetzen,” sagt Fronen.

Think Globally, Heat Locally

Der Geist von „Think Globally, Act Locally", ein mit den 1960ern assoziiertes Mantra, lebt mit dem Innovatorenteam von Polar Night Energy weiter. Ihre Erfolgsgeschichte begann mit einer Frage, die sich ihre Gründer, Tommi Fronen und Markku Ylönen, als Studenten an der Universität stellten: „Ist es möglich eine energetisch autarke und kosteneffiziente Hippiekommune für Ingenieure nur mithilfe von Solarenergie zu bauen?“ Nach dem Studienabschluss wurde aus dem “Hippiekommune” betitelten Projekt Polar Night Energy.

Was als unbeschwertes (aber ernstes) Studentenprojekt begann, führte zu einem 3 MWh/100 kW Kraftwerk in der finnischen Stadt Tampere, das im Winter 2020-2021 den Betrieb aufnahm. Das System nutzt Strom zur Erwärmung von Luft, die anschließend durch einen Wärmetauscher zirkuliert wird, der Wasser erwärmt und an mehrere Gebäude im Stadtteil Hiedanranta verteilt (Abbildung 2).

Innerhalb des Systems erhitzen elektrisch betriebene Heizelemente Luft auf über 600°C (Abbildung 1). Die heiße Luft wird durch ein Netzwerk aus Leitungen in einem sandgefüllten Wärmespeicher zirkuliert. Anschließend fließt die heiße Luft wieder aus dem Wärmespeicher in einen Wärmetauscher, wo sie Wasser erhitzt, das dann durch die Heizungssysteme von Gebäuden im Stadtteil Hiedanranta geleitet wird. Durch die Wärmespeicherkapazität des Sandes wird sichergestellt, dass die zirkulierende Luft auch dann noch heiß genug ist, um das Wasser und die Gebäude warm zu halten, wenn die Heizelemente bereits wieder abgekühlt sind.

„Wir haben nur Rohre, Ventile, einen Ventilator und ein elektrisches Heizelement. Hier gibt es nichts Besonderes!“, sagt Eronen lachend.

Ein Wärme-Akku, hergestellt aus Sand

Der renommierte Chemieingenieur Donald Sadoway wird mit folgenden Worten zitiert: „Wenn Sie äußerst kostengünstige Akkus herstellen möchten, müssen Sie sie aus Dreck herstellen.“ Das System von Polar Night Energy steht vor denselben grundlegenden Herausforderungen wie jede andere Energieinfrastruktur. Es muss den Menschen Strom liefern, wenn sie ihn benötigen, dort, wo sie ihn benötigen, und zu einem erschwinglichen Preis. Das bedeutet, dass die Speicherung und Verteilung von Energie ebenso wichtig ist wie ihre Erzeugung. Die bestehende Infrastruktur bewältigt diese Herausforderungen auf bekannte Weise. Bei der Verbrennungsheizung werden Brennstoffe wie Öl und Gas gelagert und dorthin transportiert, wo sie verbrannt werden können. Das Stromnetz unterstützt ebenfalls die effiziente Verteilung von Strom und nutzt Energie, die durch erneuerbare Energien wie Wind und Sonne erzeugt wird. Die Unbeständigkeit von Tageslicht und starken Winden ist jedoch ein hartnäckiges Problem. Um eine konstante Leistungsabgabe über die Spitzen und Tiefpunkte der erneuerbaren Energien hinweg aufrechtzuerhalten, ist eine Energiespeicherung erforderlich. Doch trotz der jüngsten Fortschritte in der Batterietechnologie ist die Speicherung von Strom nach wie vor relativ teuer, insbesondere in dem für die Beheizung von Gebäuden erforderlichen Umfang. Was wäre, wenn ein „Akku” statt Strom Wärme speichern könnte?

Viele herkömmliche Heizsysteme speichern und verteilen Wärme bereits durch die Speicherung und Zirkulation von Warmwasser. Eronen und Ylönen erkannten die Vorteile der Wasserspeicherung, aber auch ihre Grenzen. „Man kann Wasser nur eine bestimmte Menge an Wärme zuführen, bevor es zu Dampf wird“, erklärt Eronen. „Dampf kann Wärme zwar effizient verteilen, ist jedoch für die Speicherung in großem Maßstab nicht wirklich kosteneffizient.“ Um die Nachteile der Wärmespeicherung in Wasser zu vermeiden, wandten sie sich stattdessen Sand zu – 42 Tonnen davon! (Abbildung 3) Nach Sonnenuntergang wird die im Sand gespeicherte Wärme allmählich wieder an den zirkulierenden Luftstrom abgegeben. Dadurch bleibt die Luft heiß genug, um eine konstante Temperatur des Wassers aufrechtzuerhalten, das durch die Heizkörper der Kunden fließt. Auf diese Weise ermöglicht Sand, dass Solarenergie die Menschen auch in den dunkelsten und kältesten finnischen Nächten warm hält. „Sand bietet die vierfache Energiespeicherkapazität von Wasser“, erklärt Eronen. „Sand ist effizient, ungiftig, transportabel und kostengünstig!“

Die komplexe Analyse hinter der einfachen Lösung

Kosteneffizienz ist die Grundlage des Wertversprechens von Polar Night Energy. „Sobald wir uns entschlossen hatten, diese Idee weiterzuverfolgen, haben wir versucht, die finanziellen Aspekte zu klären“, erklärt Eronen. In ihrem Bestreben, mit weniger mehr zu erreichen, setzt Polar Night Energy seit langem auf numerische Simulation. Eronen und Ylönen begannen bereits als Studenten die Software COMSOL Multiphysics^® zu verwenden, die nach wie vor ein wesentlicher Bestandteil ihres Designprozesses ist. Eronen nennt als Beispiel die Spezifikationen eines erweiterten Wärmespeichersystems, das mehr Gebäude in Tampere versorgen würde. Das Team berechnete, dass für die Wärmeversorgung eines Stadtteils mit 35.000 Einwohnern ein mit Sand gefüllter Speicherzylinder mit einer Höhe von 25 Metern und einem Durchmesser von 40 Metern erforderlich wäre. Wie sind sie zu diesen Abmessungen gekommen? „Die ungefähre Materialmenge ist eigentlich leicht zu berechnen, da wir wissen, wie viel Wärme wir in einem Kubikmeter Sand speichern können“, erklärt Eronen. „Wir mussten auch den Platzbedarf für einen effizienten Wärmetransport zwischen dem Sand und unserem Luftzirkulationssystem bestimmen (Abbildung 4). Das ist viel schwieriger! Wir haben COMSOL^® verwendet, um verschiedene Designoptionen zu modellieren und zu bewerten.“

Multiphysik-Simulationssoftware trug zur Entwicklung des Wärmetauscherdesigns von Polar Night Energy bei (Abbildungen 5–6). Eronen erklärt: „Wir haben ein spezielles Modell erstellt, um eine Designidee zu untersuchen: Was würde geschehen, wenn wir einen extrem heißen Sandkern entwickeln würden, der von Heizkanälen umgeben ist?“ Durch die Modellierung von Effekten der Strömung und des Wärmetransports in der Software COMSOL Multiphysics^® konnte das Team von Polar Night Energy die komparativen Vor- und Nachteile seines Designs quantifizieren. „Die Simulation bestätigte, dass das Design mit dem heißen Kern gut geeignet war, um Wärme über sehr lange Zeiträume zu speichern“, erklärt Eronen. „Für unseren vorgesehenen Betriebszyklus ist es jedoch sinnvoller, die Heißluftkanäle gleichmäßig über den gesamten Sandspeicher zu verteilen“, fügt er hinzu.

Die schiere Größe des sandbasierten Wärmespeichersystems von Polar Night Energy macht Simulationssoftware unverzichtbar. „Es ist uns nicht möglich, Prototypen in Originalgröße zu bauen, um alle unsere Ideen zu testen. Wir benötigen Vorhersagemodelle, um so viele Fragen wie möglich zu beantworten, bevor wir uns daran machen, all diese Geräte – und all diesen Sand – aufzubauen“, erklärt Eronen. „Für uns ist es unerlässlich, diese äußerst leistungsstarken Tools zu nutzen.“

Anpassung neuer Ideen an die vorhandene Infrastruktur

Durch die Trennung der Aufgaben der Wärmespeicherung von der Wärmeerzeugung und -verteilung hat Polar Night Energy sein System effizienter und anpassungsfähiger gemacht. Es besteht ein großes Potenzial für die Nachrüstung bestehender Infrastrukturen mit den sandgefüllten Wärmespeicher- und -übertragungssystemen des Unternehmens (Abbildung 7). Tampere, eine finnische Industriestadt mit fast 250.000 Einwohnern im Landesinneren, ist ein idealer Teststandort für diese neue Technologie. „Tampere verfügt, wie viele europäische Städte, bereits über ein Fernwärmesystem, das Wasser durch ganze Stadtteile zirkulieren lässt“, erklärt Eronen. „Dadurch können wir viele Gebäude schnell auf eine erneuerbare Wärmequelle umstellen“, fügt er hinzu. Die Pilotanlage von Polar Night Energy in Tampere kann auch Strom aus dem bestehenden Stromnetz sowie Strom aus neuen Solarzellen nutzen. Dank zuverlässiger Wärmespeicherung kann die Stadt Strom dann erzeugen oder einkaufen, wenn er am günstigsten ist, und die Wärme dann verteilen, wenn sie am dringendsten benötigt wird.

Heute Finnland, morgen die Welt

Seitdem das System in Tampere den Betrieb aufgenommen hat, hat das Team von Polar Night Energy Daten gesammelt, um sie mit ihren Modellen zu vergleichen. „Unsere Simulationen haben sich als sehr zutreffend herausgestellt, was ermutigend ist,“ sagt Fronen. Und während das Polar Night Energy Team weiterhin lokal ihre Ideen entwickelt, ist es ihr Ziel, auch global zu handeln. Die gleiche Technologie, die Finnlands lange, kühle Nächte wärmt, kann auch dem Rest der Welt bessere Optionen für das Energiemanagement bieten. Bezahlbare Wärmespeicher könnten Industrien und Städten helfen, Wärme zu binden, die bisher ungenutzt bleibt.

„Wir wollen diese Technologie lizensieren. Wenn Sie ein Kraftwerk betreiben kontaktieren Sie uns bitte,“ sagt Fronen lachend. Ernster fügt er hinzu: „Wir müssen von jeder Art von Verbrennung wegkommen, selbst von Biomasse. Weil der Klimawandel so schnell voranschreitet, wollen wir unsere Ideen so schnell wie möglich verbreiten.“