Zandbatterij houdt Finnen warm

Polar Night Energy, een startup in Finland, heeft technologie ontwikkeld om gebouwen op te warmen met door zonne-energie opgewekte warmte die is opgeslagen in zand. Het team gebruikt thermische modellering om het ontwerp van hun warmteopslag- en distributiesystemen te optimaliseren, waardoor Finse steden hun verbruik van niet-hernieuwbare verwarmingsbrandstoffen kunnen verminderen.

Alan Petrillo
4 juli

Wanneer we de verwarming hoger zetten, moeten we rekening houden met de wereldwijde gevolgen van de verbranding van brandstoffen zoals olie, gas, steenkool en biomassa. Onze voortdurende behoefte aan warmte stelt de mensheid voor een uitdaging: hoe kunnen we gebouwen warm houden, terwijl we proberen te voorkomen dat onze wereld in de toekomst oververhit raakt?

Polar Night Energy probeert deze lastige vraag te beantwoorden. Deze startup heeft in het Finse Tampere een experimenteel systeem ontwikkeld dat gebouwen met opgeslagen zonne-energie kan verwarmen – de hele dag, de hele nacht en de hele winter lang. In een tijd van ingewikkelde oplossingen op basis van schone technologie (vaak gemaakt van schaarse en dure materialen) bestaat dit innovatieve systeem voor warmteopslag en -distributie uit gewone buizen, pompen, kleppen en 42 ton zand! Deze aanpak toont het potentieel van de inzet van een betaalbare warmteopslag ter ondersteuning van het gebruik van duurzame energie.

Een schematisch overzicht van de onderdelen en de werkingscyclus van het systeem ontwikkeld door Polar Night Energy. Beeld: Comsol

Een klein land met grote verwarmingsbehoeftes

Om de uitdaging van de klimaatverandering aan te gaan, investeren veel overheden en organisaties wereldwijd in nieuwe technologie om het gebruik van fossiele brandstoffen te helpen verminderen. Deze initiatieven zijn grotendeels gericht op de opwekking, distributie en opslag van hernieuwbare elektrische energie.

‘Als je mensen vraagt naar schonere energie, denken ze aan elektriciteit’, zegt Tommi Eronen, ceo van Polar Night Energy. ‘Toch moeten we ook de uitstoot door verwarming tegengaan.’ Van de uitstoot in Finland die door energieverbruik wordt gegenereerd, is momenteel 82 procent het gevolg van de verwarming van woningen. ‘We moeten dat volledig veranderen als we enige hoop willen hebben dat we onze mondiale klimaatdoelstellingen zullen halen’, aldus Eronen.

enk mondiaal, verwarm lokaal

De geest van ‘think globally, act locally’, een mantra uit de jaren zestig, leeft voort in het team van Polar Night Energy. Hun reis begon met een vraag van de oprichters, Eronen en Markku Ylönen, toen ze samen op de universiteit zaten: is het mogelijk om een energie-zelfvoorzienende en kosteneffectieve hippiecommune te bouwen voor ingenieurs die alleen zonne-energie gebruiken? Na hun afstuderen werd het project met de codenaam ‘Hippie Commune’ Polar Night Energy, met Eronen als ceo en Ylönen als cto.

Markku Ylönen van Polar Night Energy inspecteert een warmteopslagvat. Foto: Polar Night Energy

Wat begon als een leuk (maar serieus) studentenproject, leidde tot een proefinstallatie van 3 MWh/100 kW in Tampere die in de winter van 2020-2021 van start ging. Het systeem gebruikt elektriciteit om lucht te verwarmen, die vervolgens wordt gecirculeerd door een warmtewisselaar die water verwarmt en distribueert naar meerdere gebouwen in de stad.

Binnen in het systeem wordt de lucht door elektrisch aangedreven weerstandsverwarmingselementen tot meer dan 600 °C verhit. De hete lucht circuleert door een netwerk van buizen binnen in een met zand gevuld warmteopslagvat. Na het opwarmen van het zand gaat de hete lucht verder in een warmtewisselaar, waar hij water verwarmt dat vervolgens door meerdere gebouwen wordt gecirculeerd. De capaciteit van het zand om warmte op te slaan, zorgt ervoor dat zelfs wanneer de weerstandselementen koel zijn, de circulerende lucht nog heet genoeg is om het water (en de gebouwen) warm te houden.

‘We gebruiken gewoon buizen, kleppen, een ventilator en een elektrisch verwarmingselement. Niks bijzonders’, lacht Eronen.

Zandbatterij voor warmte

Polar Night Energy kreeg te maken met dezelfde fundamentele uitdagingen als elke andere energie-infrastructuur. Zijn systeem moet mensen voorzien van energie wanneer ze die nodig hebben, waar ze die nodig hebben en tegen een redelijke prijs. Dit betekent dat de opslag en distributie van energie even belangrijk zijn als de opwekking ervan. Je kunt het vergelijken met windenergie; er is niet altijd genoeg wind om een constante energiebron te kunnen garanderen. Er is dus een opslagsysteem nodig om tijdens pieken energie op te slaan die in dalen kan worden gebruikt. Maar zelfs met de recente vooruitgang in de batterijtechnologie blijft de opslag van elektrische energie tamelijk duur, voornamelijk in de omvang die nodig is voor de verwarming van gebouwen. Daarom is Polar Night Energy begonnen met de ontwikkeling van een ‘batterij’ die warmte in plaats van elektriciteit kan opslaan.

Na water en andere potentiële middelen voor warmteopslag te hebben overwogen, koos Polar Night Energy voor een warmtebatterij ontworpen rond zand. ‘Zand biedt vier keer de energieopslagcapaciteit van water’, weet Eronen. ‘Zand is efficiënt, niet giftig, draagbaar en goedkoop.’

Simulatie onontbeerlijk

Kostenefficiëntie is de basis van de waardepropositie van het project. ‘Vanaf het moment dat we besloten dit idee uit te voeren, waren we aan het uitzoeken hoe de financiële situatie eruit zou zien’, zegt Eronen. In zijn poging om met minder middelen meer te bereiken, is Polar Night Energy al lang afhankelijk van numerieke simulatiesoftware. Eronen en Ylönen zijn als studenten begonnen met het gebruik van de Comsol Multiphysics-software en het is nog steeds een essentieel onderdeel van hun ontwerpproces.

Simulatiebeelden van temperatuurveranderingen binnen een prototype van een met zand of lucht gevuld warmteopslagvat gedurende een periode van 100 uur. Beeld: Polar Night Energy

Gezien de enorme omvang van het op zand gebaseerde warmteopslagsysteem van Polar Night Energy is simulatiesoftware onontbeerlijk. ‘We zijn niet in staat om prototypes op ware grootte te bouwen om al onze ideeën te testen. We hebben voorspellende modellering nodig om een antwoord te vinden op zo veel mogelijk vragen, voordat we al deze apparatuur – en al dit zand – gaan samenstellen’, aldus Eronen. ‘Het is van groot belang dat we deze hulpmiddelen gebruiken.’

Vandaag Finland, morgen de wereld

Door de taak van warmteopslag te scheiden van de warmteopwekking en -distributie heeft Polar Night Energy zijn systeem efficiënter en flexibeler gemaakt. Dezelfde technologie die de lange, koele nachten in Finland verwarmt, kan ook de rest van de wereld betere mogelijkheden voor energiebeheer bieden. Zo kan betaalbare thermische opslag industrieën en steden in staat stellen warmte op te vangen die momenteel wordt verspild, alsook de fluctuaties in de productie van wind- en zonne-energie te compenseren.

Deel van het warmteoverdrachtssysteem dat Polar Night Energy in het Finse Tampere heeft geïnstalleerd. De verticale buizen links maken deel uit van de warmtewisselaar, terwijl de weerstandsverwarmingselementen in witte isolatie zijn gewikkeld, zoals rechts te zien is. Hiertussen zit de lucht circulerende radiaalventilator. Foto: Polar Night Energy

‘We moeten afstand nemen van alle soorten verbranding, zelfs van biomassa’, vindt Eronen. ‘We moeten bossen beschermen en herstellen, zodat ze CO2 uit de lucht kunnen blijven halen. Omdat de klimaatverandering zo snel plaatsvindt, willen we dat onze ideeën zich zo snel mogelijk verspreiden.’

Alan Petrillo is contentmaker bij Comsol Multiphysics.