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Oct 27, 2023

Polar Night Energy entwirft einen Sand

Dieser gesponserte Artikel wird Ihnen von COMSOL präsentiert. Wie wir versuchen, objektiv zu sein

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Wenn wir versuchen, die Natur objektiv zu studieren, werden wir oft daran erinnert, wie sich Naturkräfte auf uns persönlich auswirken. Wir können an einem Schreibtisch sitzen und über Wärme in ihren verschiedenen Formen nachdenken, aber wir könnten abgelenkt sein, wenn unsere Zehen kalt sind! Wenn wir die Heizung in unseren Häusern und am Arbeitsplatz erhöhen, müssen wir unser persönliches Wärmebedürfnis mit den globalen Auswirkungen der Verbrennung fossiler Brennstoffe wie Öl, Gas, Kohle und Biomasse in Einklang bringen. Der vom Menschen verursachte Klimawandel stellt die Menschheit vor eine Herausforderung: Wie können wir uns jetzt warm halten, während wir versuchen, eine Überhitzung unserer Welt in Zukunft zu verhindern?

Es ist eine entmutigende Frage, die ein Startup namens Polar Night Energy in dem kleinen und kühlen Land Finnland (Abbildung 1) zu beantworten versucht. In einer Region, die für lange, dunkle Winternächte bekannt ist, baut Polar Night Energy in der Stadt Tampere ein System, das Gebäude mit gespeicherter Sonnenenergie heizen kann – den ganzen Tag, die ganze Nacht und den ganzen Winter über. Die scheinbaren Widersprüche enden hier nicht. In einer Zeit komplexer Cleantech-Lösungen, die oft aus seltenen und teuren Materialien hergestellt werden, besteht das Wärmespeicher- und -verteilungssystem von Polar Night Energy aus einfachen Kanälen, Pumpen, Ventilen und Sand. Das neuartige System zeigt Potenzial für die Bewältigung globaler Probleme auf geduldige, durchdachte und menschlich orientierte Weise.

Abbildung 1. Die Nation Finnland, von der ein Teil oberhalb des Polarkreises liegt. Die Wärmespeichersysteme von Polar Night Energy sind derzeit in den Städten Tampere und Kankaanpää installiert.

Große Probleme erfordern große Lösungen, und es gibt vielleicht kein größeres Problem des 21. Jahrhunderts als den Klimawandel. Um dieser Herausforderung zu begegnen, investieren viele Regierungen und Organisationen in neue Technologien, um den Einsatz fossiler Brennstoffe zu verringern. Diese Initiativen konzentrierten sich größtenteils auf die Erzeugung, Verteilung und Speicherung erneuerbarer Elektrizität.

„Wenn man Menschen nach sauberer Energie fragt, denken sie an Elektrizität“, sagt Tommi Eronen, CEO von Polar Night Energy. „Aber wir müssen auch die Emissionen beim Heizen senken.“ 82 Prozent der energiebedingten Emissionen Finnlands stammen aus der Beheizung von Wohngebäuden (Ref. 1). „Wir wollen das alles ersetzen, wenn wir überhaupt Hoffnung haben wollen, unsere globalen Klimaziele zu erreichen“, sagt Eronen.

Der Geist von „Think Globally, Act Locally“, ein mit den 1960er Jahren verbundenes Mantra, lebt mit dem Innovatorenteam von Polar Night Energy weiter. Ihre Reise begann mit einer Frage, die die Gründer Tommi Eronen und Markku Ylönen als Studienkollegen stellten: „Ist es möglich, eine energieautarke und kostengünstige Hippie-Kommune für Ingenieure zu bauen, die nur Solarenergie nutzt?“ Nach ihrem Abschluss wurde das Projekt mit dem Codenamen „Hippie Commune“ zu Polar Night Energy, mit Eronen als CEO und Ylönen als CTO.

Was als unbeschwertes (aber ernsthaftes) Studentenprojekt begann, führte zu einer 3 MWh/100 kW-Pilotanlage in der finnischen Stadt Tampere, die im Winter 2020–2021 ihren Betrieb aufnahm. Das System nutzt Elektrizität, um Luft zu erhitzen, die dann durch einen Wärmetauscher zirkuliert, der Wasser erhitzt und an mehrere Gebäude im Stadtbezirk Hiedanranta verteilt (Abbildung 2).

Abbildung 2. Ein Schema der Komponenten und des Betriebszyklus des Polar Night Energy-Systems.

Im Inneren des Systems erhitzen elektrisch betriebene Widerstandsheizelemente die Luft auf über 600 °C. Die heiße Luft zirkuliert durch ein Rohrnetz in einem mit Sand gefüllten Wärmespeicher. Die heiße Luft strömt dann aus dem Behälter zurück in einen Wärmetauscher, wo sie Wasser erhitzt, das dann durch die Heizsysteme des Gebäudes zirkuliert. Die Wärmespeicherkapazität des Sandes stellt sicher, dass die zirkulierende Luft auch bei kühlen Widerstandselementen immer noch heiß genug ist, um das Wasser (und die Gebäude) warm zu halten.

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

Der bekannte Chemieingenieur Donald Sadoway wird mit den Worten zitiert: „Wenn man eine spottbillige Batterie herstellen will, muss man sie aus Dreck herstellen.“ Das System von Polar Night Energy steht vor denselben zentralen Herausforderungen wie jede andere Energieinfrastruktur. Es muss den Menschen Strom liefern, wann und wo sie ihn brauchen, und das zu einem überschaubaren Preis. Das bedeutet, dass die Speicherung und Verteilung von Energie ebenso wichtig ist wie ihre Erzeugung. Die bestehende Infrastruktur begegnet diesen Herausforderungen auf bekannte Weise. Bei der Verbrennungsheizung werden Brennstoffe wie Öl und Gas gespeichert und dorthin transportiert, wo sie verbrannt werden können. Das Stromnetz unterstützt auch die effiziente Stromverteilung und nutzt Energie, die durch erneuerbare Energien wie Wind und Sonne erzeugt wird. Das unregelmäßige Tageslicht und die starken Winde sind jedoch ein hartnäckiges Problem. Energiespeicherung ist erforderlich, um eine konstante Stromabgabe über die Spitzen und Täler der erneuerbaren Energieeinspeisung hinweg aufrechtzuerhalten. Aber selbst mit den jüngsten Fortschritten in der Batterietechnologie bleibt die Speicherung elektrischer Energie relativ teuer, insbesondere in dem Umfang, der für die Beheizung von Gebäuden erforderlich ist. Was wäre, wenn eine „Batterie“ statt Strom, sondern Wärme speichern könnte?

Abbildung 3. Markku Ylönen mit einer repräsentativen Probe des spottbilligen Wärmespeichermediums von Polar Night Energy.

Viele herkömmliche Heizsysteme speichern und verteilen Wärme bereits, indem sie warmes Wasser speichern und zirkulieren lassen. Eronen und Ylönen erkannten die Vorteile der wasserbasierten Wärmespeicherung, aber auch ihre Grenzen. „Man kann Wasser nur so viel Wärme hinzufügen, bis es zu Dampf wird“, sagt Eronen. „Dampf kann Wärme effizient verteilen, ist aber für die Speicherung im großen Maßstab nicht wirklich wirtschaftlich.“ Um die Nachteile der Wärmespeicherung im Wasser zu vermeiden, griffen sie stattdessen auf Sand zurück – 42 Tonnen davon! (Abbildung 3) Nachdem die Sonne untergegangen ist, wird die im Sand gespeicherte Wärme nach und nach wieder an den zirkulierenden Luftstrom abgegeben. Dadurch bleibt die Luft heiß genug, um eine konstante Temperatur im Wasser aufrechtzuerhalten, das durch die Heizkörper der Kunden fließt. Auf diese Weise sorgt Sand dafür, dass Solarenergie die Menschen auch in den dunkelsten und kältesten finnischen Nächten warm hält. „Sand bietet die vierfache Energiespeicherkapazität von Wasser“, sagt Eronen. „Sand ist effizient, ungiftig, tragbar und billig!“

„Wir brauchen eine prädiktive Modellierung, um so viele Fragen wie möglich zu beantworten, bevor wir uns dazu verpflichten, all diese Ausrüstung – und diesen ganzen Sand – zusammenzubauen!“ – Tommi Eronen, CEO von Polar Night Energy

Kosteneffizienz ist die Grundlage des Wertversprechens von Polar Night Energy. „Sobald wir beschlossen hatten, diese Idee weiterzuverfolgen, versuchten wir herauszufinden, wie die Finanzen aussahen“, sagt Eronen. In ihrem Bestreben, mit weniger mehr zu erreichen, verlässt sich Polar Night Energy seit langem auf numerische Simulationstools. Eronen und Ylönen begannen bereits als Studenten, die Software COMSOL Multiphysics zu nutzen, und sie ist nach wie vor ein integraler Bestandteil ihres Designprozesses. Eronen erwähnt beispielsweise die Spezifikationen eines erweiterten Wärmespeichersystems, das mehr Gebäude in Tampere versorgen würde. Das Team errechnete, dass die Wärmeversorgung eines Bezirks mit 35.000 Einwohnern einen mit Sand gefüllten Speicherzylinder mit einer Höhe von 25 Metern und einem Durchmesser von 40 Metern erfordern würde. Wie kamen sie zu diesen Dimensionen? „Die ungefähre Materialmenge, die benötigt wird, lässt sich eigentlich leicht berechnen, weil wir wissen, wie viel Wärme wir in einem Kubikmeter Sand speichern können“, erklärt Eronen. „Wir mussten auch den Platzbedarf ermitteln, der für eine effiziente Wärmeübertragung zwischen dem Sand und unserem Luftzirkulationssystem erforderlich ist (Abbildung 4). Das ist viel schwieriger! Wir haben COMSOL verwendet, um verschiedene Designoptionen zu modellieren und zu bewerten.“

Abbildung 4. Tommi Eronen (im Vordergrund) und Ylönen inspizieren die Rohrleitungen eines Wärmespeicherbehälters von Polar Night Energy.

Die Multiphysik-Simulationssoftware half bei der Gestaltung des Wärmetauscherdesigns von Polar Night Energy (Abbildungen 5–6). Eronen sagt: „Wir haben ein bestimmtes Modell gebaut, um eine Designidee zu untersuchen: Was wäre, wenn wir einen superheißen Sandkern schaffen würden, der von Heizkanälen um den Umfang umgeben wäre?“ Durch die Modellierung von Flüssigkeitsströmungs- und Wärmeübertragungseffekten in der COMSOL Multiphysics-Software konnte das Polar Night Energy-Team die komparativen Vor- und Nachteile seines Designs quantifizieren. „Die Simulation bestätigte, dass das ‚Hot Core‘-Design gut darin war, Wärme über sehr lange Zeiträume zu speichern“, sagt Eronen. „Aber für unseren geplanten Betriebszyklus ist es sinnvoller, die Heißluftkanäle gleichmäßig im gesamten Sandlagerbehälter zu verteilen“, erklärt er.

Abbildung 5. Simulationsbilder, die Temperaturänderungen im Inneren eines vorgeschlagenen Entwurfs eines Sand-Luft-Wärmespeicherbehälters über einen Zeitraum von 100 Stunden zeigen.

Abbildung 6. Simulationsbild natürlicher Konvektionseffekte durch Rohrleitungen im Sandspeicherbehälter.

Die schiere Größe des sandbasierten Wärmespeichersystems von Polar Night Energy macht Simulationssoftware unverzichtbar. „Wir können unmöglich Prototypen in Originalgröße bauen, um alle unsere Ideen zu testen. Wir benötigen eine prädiktive Modellierung, um so viele Fragen wie möglich zu beantworten, bevor wir uns an den Zusammenbau all dieser Ausrüstung – und all dieses Sandes – machen!“ sagt Eronen. „Es ist für uns unerlässlich, diese immens leistungsstarken Werkzeuge zu nutzen.“

Durch die Trennung der Aufgabe der Wärmespeicherung von der Wärmeerzeugung und -verteilung hat Polar Night Energy sein System effizienter und anpassungsfähiger gemacht. Es besteht großes Potenzial für die Nachrüstung ihrer sandgefüllten Wärmespeicher- und Übertragungssysteme in die bestehende Infrastruktur (Abbildung 7). Tampere, eine Industriestadt im Landesinneren Finnlands mit fast 250.000 Einwohnern, ist ein ideales Testgelände für diese neue Technologie. „Tampere verfügt, wie viele europäische Städte, bereits über ein Fernwärmesystem, das Wasser durch ganze Stadtteile zirkuliert“, sagt Eronen. „Dadurch können wir viele Gebäude schnell auf eine erneuerbare Wärmequelle umstellen“, sagt er. Die Pilotanlage von Polar Night Energy in Tampere kann neben Strom aus neuen Solarpaneelen auch Strom aus dem bestehenden Stromnetz nutzen. Eine zuverlässige Wärmespeicherung ermöglicht es der Stadt, Strom dann zu erzeugen oder zu kaufen, wenn er am erschwinglichsten ist, und die Wärme dann zu verteilen, wenn sie am meisten benötigt wird.

Abbildung 7. Teil des von Polar Night Energy in Tampere, Finnland, installierten Wärmeübertragungssystems. Die vertikalen Rohre links sind Teil des Wärmetauschers, während rechts die Widerstandsheizelemente mit weißer Isolierung umwickelt sind. Zwischen diesen Bauteilen befindet sich das luftumwälzende Radialgebläse.

Seit das Tampere-System im Winter 2020–2021 in Betrieb genommen wurde, sammelt das Team von Polar Night Energy Daten, um sie mit ihren Modellen zu vergleichen. „Unsere Simulationen haben sich als sehr genau erwiesen, was ermutigend ist“, sagt Eronen. Und während das Team von Polar Night Energy seine Ideen weiterhin vor Ort entwickelt, ist es das Ziel, auch global zu agieren. Dieselbe Technologie, die Finnlands lange, kühle Nächte wärmt, kann auch dem Rest der Welt bessere Energiemanagementoptionen bieten. Erschwingliche Wärmespeicher könnten Industrien und Städten dabei helfen, die derzeit verschwendete Wärme zu nutzen und die Unstimmigkeiten bei der Wind- und Solarenergieproduktion auszugleichen. Doch während Polar Night Energy bestrebt ist, direkt mit potenziellen Kunden zusammenzuarbeiten, ist ihnen klar, dass die bevorstehenden Herausforderungen zu groß sind, als dass sie sie alleine bewältigen könnten.

Tommi Eronen, CEO von Polar Night Energy.

„Wir möchten diese Technologie lizenzieren. Wenn Sie ein Kraftwerk betreiben, kontaktieren Sie uns bitte“, sagt Eronen lachend. Ernsthafter fügt er hinzu: „Wir müssen von allen Arten der Verbrennung wegkommen, sogar von Biomasse. Wir müssen Wälder schützen und wiederherstellen, damit sie weiterhin Kohlenstoff aus der Luft entfernen können. Weil der Klimawandel so schnell voranschreitet, müssen wir.“ wollen, dass sich unsere Ideen so schnell wie möglich verbreiten.“

Statistik Finnland, „Über die Hälfte des finnischen Stroms wurde im Jahr 2020 mit erneuerbaren Energiequellen erzeugt“, November 2021.