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Speicher für erneuerbare Energien: Finnland setzt auf Sandbatterien

Speicher für erneuerbare Energien: Finnland setzt auf Sandbatterien

Eine riesige Sandbatterie soll die Kohlenstoffemissionen einer finnischen Stadt verringern.

Die großtechnische Speichereinheit in Pornainen, Südfinnland, wird die größte Sandbatterie der Welt sein, wenn sie in einem Jahr in Betrieb geht.

Sie kann 100 MWh Wärmeenergie aus Sonnen- und Windenergie speichern und wird es den Bewohnern ermöglichen, Öl aus ihrem Fernwärmenetz zu verbannen, wodurch die Emissionen um fast 70 Prozent gesenkt werden können.

"Es ist aufregend, einen groß angelegten thermischen Energiespeicher zu bauen, der auch als primäre Produktionsanlage im Fernwärmenetz von Pornainen fungieren wird", sagt Liisa Naskali, COO bei Polar Night Energy, dem Unternehmen hinter dieser Innovation. "Das ist ein wichtiger Schritt bei der Weiterentwicklung der Sandbatterietechnologie."

Sandbatterien werden in Finnland immer größer

Die neue 1-MW-Sandbatterie hat einen Vorläufer. Im Mai 2022 installierte Polar Night Energy eine kleinere Ausführung in einem Kraftwerk in der Stadt Kankaanpää.

Das Projekt wurde gerade zu dem Zeitpunkt gestartet, als Russland als Vergeltung für den NATO-Beitritt Finnlands die Gaslieferungen einstellte:  Ein Beispiel dafür nützich erneuerbare Energien sein können.

Euronews Green sprach mit den jungen finnischen Gründern Tommi Eronen und Markku Ylönen, die die Technologie entwickelt haben.

Der Sand im Silo des Kraftwerks Vatajankoski in Kankaanpää kann mehrere Monate lang Wärme von etwa 500 °C speichern.
Der Sand im Silo des Kraftwerks Vatajankoski in Kankaanpää kann mehrere Monate lang Wärme von etwa 500 °C speichern. - Foto: Polar Night Energy

"Wir sprachen darüber, wie wir - wenn wir die Freiheit hätten, eine Gemeinschaft für uns selbst zu entwerfen - das Energieproblem in einer so begrenzten Umgebung lösen könnten", sagte Markku über die Idee für Polar Night Energy.

"Dann stößt man ziemlich schnell, besonders hier im Norden, auf das Problem der Energiespeicherung, wenn man versucht, die Energie so sauber wie möglich zu erzeugen."

Die Freunde spielten mit Ideen und kamen auf Sand als erschwingliche Möglichkeit, den reichlich vorhandenen Strom zu speichern, der bei Sonnenschein oder starkem Wind erzeugt wird.

Es hat sich herausgestellt, dass Sandkörner ein erstaunlich großes Volumen haben, wenn es um die Speicherung von Energie geht.

Einen Weg zu finden, um die variablen erneuerbaren Energien zu speichern, ist der springende Punkt, um ihr volles Potenzial auszuschöpfen. Lithiumbatterien eignen sich gut für bestimmte Anwendungen, erklärt Markku, aber abgesehen von ihren Umweltproblemen und Kosten können sie keine großen Energiemengen aufnehmen.

Es hat sich herausgestellt, dass Sandkörner ein erstaunlich großes Volumen haben, wenn es um die Speicherung von Energie geht.

Die Sandbatterie in Pornainen wird etwa zehnmal größer sein als diejenige, die noch im Kraftwerk Vatajankoski in Kankaanpää in Betrieb ist. Das Start-up-Unternehmen hat außerdem bereits eine Pilotanlage an das Fernwärmenetz der Stadt Tampere angeschlossen.

Wie funktionieren Sandbatterien genau?

Zunächst einmal ist es eine recht einfache Struktur, so Polar Night Energy über seinen Prototyp. Ein hoher Turm wird mit minderwertigem Sand gefüllt und mit der Wärme aus überschüssigem Sonnen- und Windstrom aufgeladen.

Das funktioniert durch einen Prozess namens Widerstandsheizung, bei dem Wärme durch die Reibung erzeugt wird, die entsteht, wenn ein elektrischer Strom durch ein Material fließt, das kein Supraleiter ist. Die heiße Luft zirkuliert dann über einen Wärmetauscher im Behälter.

Die Forscher verwenden "recht komplexe" Wärmeübertragungsmodelle innerhalb des Rohrleitungssystems, um Energie zu speichern und freizusetzen.
Die Forscher verwenden "recht komplexe" Wärmeübertragungsmodelle innerhalb des Rohrleitungssystems, um Energie zu speichern und freizusetzen. - Foto: Polar Night Energy

Der Sand kann Wärme von etwa 500 °C für mehrere Tage bis hin zu Monaten speichern und stellt so einen wertvollen Vorrat an kostengünstiger Energie für den Winter dar. Bei Bedarf entlädt die Batterie die heiße Luft und erwärmt so das Wasser im Fernwärmenetz. In Kankaanpää zum Beispiel profitieren davon Wohnungen, Büros und sogar das örtliche Schwimmbad.

"Das ist wirklich nichts Ausgefallenes", sagt Markku über den Speicher. "Wir müssen wissen, wie sich die Energie bzw. die Wärme im Speicher bewegt, damit wir immer wissen, wie viel davon verfügbar ist und mit welcher Geschwindigkeit wir entladen und laden können."

Wie wird die Sandbatterie den Bewohnern von Pornainen nutzen?

Nachdem Polar Night Energy seine Lade-Algorithmen verfeinert hat, ist das Unternehmen nun bereit, die Speichertechnologie in Pornainen zu erweitern.

Nach der Fertigstellung wird die neue Batterie in das Netz von Loviisan Lämpö integriert, dem finnischen Heizungsunternehmen, das die Gegend mit Fernwärme versorgt.

"Loviisan Lämpö setzt auf eine umweltfreundlichere Energieerzeugung. Mit der Sandbatterie können wir die durch Verbrennung erzeugte Energie erheblich reduzieren und vollständig auf den Einsatz von Öl verzichten", sagt Geschäftsführer Mikko Paajanen.

Polar Night Energy - mit Technikchef Markku Ylönen in der Mitte - begutachtet im vergangenen Winter einen Windpark.
Polar Night Energy - mit Technikchef Markku Ylönen in der Mitte - begutachtet im vergangenen Winter einen Windpark. - Foto: Marjaana Malkamäki

Das Projekt steht auch im Einklang mit Pornainens Plänen zur Kohlenstoffneutralität. Viele der Gebäude, darunter die Gesamtschule, das Rathaus und die Bibliothek, werden mit Fernwärme versorgt.

Pornainens Bürgermeister Antti Kuusela sagt, die Gemeinde begrüße alle innovativen Entwicklungsprojekte, die die Emissionen im Fernwärmebetrieb reduzieren und zum Ausbau des Netzes beitragen.

Insgesamt soll die Sandbatterie 160 Tonnen Kohlendioxid-Äquivalente pro Jahr einsparen. Die Stadt braucht nicht nur kein Öl mehr, auch die Verbrennung von Holzhackschnitzeln wird voraussichtlich um 60 Prozent sinken.

Die Speicherkapazität der Batterie entspricht laut Polar Night Energy dem Wärmebedarf von fast einem Monat im Sommer und einer Woche im Winter in Pornainen.

Der Bau und die Erprobung der 13 Meter hohen und 15 Meter breiten Batterie wird schätzungsweise 13 Monate in Anspruch nehmen, sodass sie die Bewohner schon vor dem Winter 2025 warm halten dürfte.

Ist Sand ein nachhaltiges Material?

"Wir wollten etwas finden, das fast überall auf der Welt zu finden ist", sagt Markku. Aber ist Sand wirklich so allgegenwärtig, wie man vielleicht denkt?

Laut einer aktuellen niederländischen Studie wird die Nachfrage nach diesem Baumaterial in den nächsten 40 Jahren um 45 Prozent steigen. Bausand wird in der Regel aus Flüssen und Seen entnommen, "Sandpiraten" beschleunigen den Verlust von Sand aus diesen Ökosystemen.

Eine Sandbank im Mekong-Fluss im Nordosten Thailands.
Eine Sandbank im Mekong-Fluss im Nordosten Thailands. - Chessadaporn Buasai/Copyright 2019 The AP. All rights reserved.

Doch für die finnischen Ingenieure spielt es keine Rolle, woher der Sand kommt. Ursprünglich wurde zwar Bausand verwendet (um die Transportemissionen zu begrenzen), aber Sandbatterien funktionieren mit jedem sandähnlichen Material, das innerhalb bestimmter thermodynamischer Parameter eine ausreichend hohe Dichte aufweist.

In Pornainen hat Polar Night Energy mit gebrochenem Speckstein ein nachhaltiges Material gefunden, das als Nebenprodukt bei der Herstellung von wärmespeichernden Kaminen durch ein finnisches Unternehmen anfällt.

"Tulikivi ist ein bekanntes und traditionelles Unternehmen", sagt Liisa Naskali. "Der Speckstein, den sie verwenden, ist eine sehr finnische Sache."

"Wir wählen das Wärmespeichermedium immer nach den Bedürfnissen des Kunden aus. Das Untersuchen und Testen verschiedener Materialien ist für uns von entscheidender Bedeutung, um Materialien zu verwenden, die in Bezug auf Eigenschaften, Kosteneffizienz und Förderung der Kreislaufwirtschaft geeignet sind", fügt sie hinzu.

Polar Night Energy hat große Ambitionen, seine Technologie weltweit zu verbreiten.

Wie Markku uns bereits 2022 sagte, "wollen wir so schnell wie möglich hundertmal größere Speicher auf der ganzen Welt bauen."