Piasek zamiast baterii. Fińskie startupy chcą magazynować ciepło dla przemysłu

Audio generowane przez AI. Może zawierać błędy.

Finlandia jest szczególnym miejscem do rozwijania takich technologii. Jej system energetyczny musi jednocześnie radzić sobie z dużym zapotrzebowaniem na ogrzewanie i rosnącym udziałem źródeł odnawialnych. Problem pojawia się wtedy, gdy farmy wiatrowe produkują dużo energii w czasie niskiego zapotrzebowania na prąd. Cena może wtedy mocno spaść, ale tania energia elektryczna sama w sobie nie rozwiązuje problemu przemysłu, który potrzebuje stabilnych dostaw ciepła niezależnie od pogody.

Właśnie dlatego magazynowanie energii w postaci ciepła zaczyna być traktowane jako odrębny segment technologii energetycznych. Zamiast próbować przechować każdą kilowatogodzinę w akumulatorze elektrochemicznym, można wykorzystać tani materiał, podgrzać go energią elektryczną, a później odebrać z niego ciepło. W rozwiązaniach rozwijanych w Finlandii magazynem nie jest skomplikowany zestaw ogniw, lecz duża masa materiału zamknięta w dobrze izolowanym zbiorniku.

W Pornainen zamiast baterii jest 2 tys. ton steatytu

Największym dotychczasowym pokazem możliwości tej technologii jest instalacja Polar Night Energy w Pornainen. System ma moc cieplną 1 MW i może przechować do 100 MWh energii cieplnej. Został uruchomiony w 2025 r. i służy lokalnemu systemowi ciepłowniczemu. Materiałem magazynującym jest około 2 tys. ton steatytu, czyli skały znanej również jako kamień mydlany. Według danych firmy instalacja pozwoliła ograniczyć emisje związane z produkcją ciepła o około 70 proc.

Mechanizm działania jest prosty, choć sama instalacja ma przemysłową skalę. Energia elektryczna – najlepiej wtedy, gdy jest tania – zasila system grzewczy, który podnosi temperaturę materiału wewnątrz magazynu. Dzięki izolacji ciepło może być przechowywane przez długi czas, a następnie odbierane przez wymiennik i przekazywane do sieci. Magazyn nie ma więc ponownie produkować prądu. Jego zadaniem jest przesunięcie wykorzystania energii w czasie i dostarczenie jej już w postaci potrzebnej odbiorcy.

To podstawowa różnica w porównaniu z klasycznym akumulatorem. Domowy magazyn energii przechowuje nadwyżkę z fotowoltaiki i później oddaje ją jako prąd. Instalacja Polar Night Energy zamienia energię elektryczną w ciepło, bo właśnie ciepło jest produktem końcowym. Dzięki temu nie trzeba ponosić dodatkowych strat związanych z ponownym przekształcaniem energii cieplnej w elektryczną.

– Magazynowanie energii cieplnej w piasku jest bardzo odporne i może przechowywać energię przez długi czas. Jednak obecna konfiguracja byłaby zbyt droga dla zastosowań domowych – powiedział w wywiadzie dla Live Science Matteo Chiesa, profesor inżynierii mechanicznej i jądrowej na Khalifa University of Science and Technology.

W ciepłownictwie miejskim rachunek wygląda jednak inaczej niż w domu jednorodzinnym. Duży magazyn może obsługiwać całą sieć budynków, a koszt instalacji rozkłada się na znacznie większą ilość dostarczonego ciepła. Pornainen pokazuje więc, że prosty materiał może działać jak przemysłowy bufor między niestabilną produkcją energii odnawialnej a znacznie bardziej przewidywalnym zapotrzebowaniem na ciepło.

Najważniejsza zmiana: energię można kupić wtedy, gdy jest tania

Ekonomika takiego rozwiązania zaczyna się jeszcze przed uruchomieniem magazynu. System elektroenergetyczny z dużym udziałem wiatru i słońca ma okresy, w których energii jest bardzo dużo, a zapotrzebowanie pozostaje niskie. Turbiny mogą produkować prąd przy silnym wietrze także wtedy, gdy odbiorcy nie potrzebują pełnej dostępnej mocy. Magazyn cieplny pozwala zagospodarować właśnie te nadwyżki.

Oznacza to możliwość oddzielenia momentu zakupu energii od momentu jej wykorzystania. Operator ciepłowni nie musi kupować prądu dokładnie wtedy, gdy mieszkańcy potrzebują najwięcej ciepła. Może ładować magazyn w godzinach niskich cen, a następnie wykorzystywać zgromadzoną energię podczas szczytu zapotrzebowania.

To właśnie tutaj pojawia się ekonomiczny sens tej technologii. Magazyn cieplny może ograniczyć zużycie paliw, przesunąć pobór prądu na tańsze godziny i zwiększyć wykorzystanie energii odnawialnej, która w przeciwnym razie miałaby znacznie mniejszą wartość dla systemu. Polar Night Energy wskazuje również na możliwość wykorzystania swoich magazynów do usług związanych z bilansowaniem systemu elektroenergetycznego.

TheStorage chce wejść znacznie wyżej z temperaturą

Drugi startup z Tampere wychodzi z podobnego założenia, ale celuje w znacznie bardziej wymagającego odbiorcę. TheStorage, założony w 2023 r., rozwija system Sand in Motion, w którym piasek nie pozostaje nieruchomy. Materiał krąży między zbiornikami, jest podgrzewany energią elektryczną, a następnie oddaje ciepło potrzebne w procesach przemysłowych. Firma projektuje rozwiązania pracujące w temperaturze od około 800 do 1100 st. C.

To ważne, ponieważ przemysł potrzebuje ciepła o bardzo różnych parametrach. W piekarni, browarze czy zakładzie spożywczym wystarczy para technologiczna. Jednakże chemia, ceramika, produkcja materiałów, suszenie przemysłowe czy część procesów metalurgicznych wymagają znacznie wyższych temperatur. Nie da się ich zelektryfikować wyłącznie poprzez zastąpienie kotła spalinowego zwykłym bojlerem elektrycznym. Potrzebne jest stabilne źródło ciepła o odpowiedniej temperaturze, często dostępne przez całą dobę.

TheStorage traktuje więc piasek jak przemysłowy magazyn energii, który pozwala rozdzielić moment poboru prądu od momentu wykorzystania ciepła. Energia może zostać pobrana z sieci wtedy, gdy jest tania, zamieniona w ciepło i zatrzymana w magazynie. Zakład odbiera je później według własnego harmonogramu – niezależnie od bieżącej ceny energii elektrycznej.

– Firmy od lat chciały dekarbonizować produkcję, ale brakowało im dostępnych rozwiązań. Teraz energia odnawialna może wreszcie zasilać przemysłowe zapotrzebowanie na ciepło w sposób praktyczny – powiedział w rozmowie z XYZ Timo Siukkola, współzałożyciel i prezes TheStorage.

Pierwszym klientem został browar

TheStorage testuje technologię w bardzo konkretnym środowisku. Pilotażowa instalacja została uruchomiona w browarze Nokian Panimo, jednym z większych fińskich browarów rzemieślniczych. System ma dostarczać parę wykorzystywaną w procesach produkcyjnych i zastępować część energii dotąd pochodzącej ze źródeł konwencjonalnych. Instalacja została oddana do testów przemysłowych w 2026 r.

Dla browaru najważniejszy nie jest jednak sam piasek, lecz możliwość uzyskania stabilnej pary z energii elektrycznej kupionej wcześniej w korzystnej cenie. Produkcja piwa wymaga przewidywalnego źródła ciepła. Jeżeli prąd jest najtańszy o drugiej w nocy, zakład nie może po prostu przenieść całej produkcji na noc. Może natomiast właśnie wtedy naładować magazyn, a ciepło wykorzystać kilka godzin później.

TheStorage rozwija przy tym rozwiązanie, w którym ruch piasku ma zwiększać szybkość przekazywania ciepła w porównaniu z magazynami wykorzystującymi nieruchomy materiał. Według firmy system może osiągać nawet dziesięciokrotnie większą zdolność wymiany ciepła niż klasyczne rozwiązania oparte na piasku, kamieniu, cegle lub betonie.

W przemyśle ma to zasadnicze znaczenie. Nie wystarczy zgromadzić dużo energii – trzeba jeszcze potrafić oddać ją wystarczająco szybko. Zakład produkcyjny może potrzebować dużej mocy cieplnej przez krótki czas, a magazyn, który nie jest w stanie dostarczyć jej w odpowiednim tempie, staje się mało użyteczny niezależnie od swojej pojemności.

Piasek ma jedną przewagę nad baterią litowo-jonową

W debacie o magazynowaniu energii naturalnym punktem odniesienia są akumulatory litowo-jonowe. Mają ogromne znaczenie dla elektromobilności i przechowywania energii elektrycznej, ale nie są optymalnym rozwiązaniem dla każdego zastosowania.

Jeżeli fabryka potrzebuje pary lub gorącego powietrza, przechowywanie energii najpierw w postaci chemicznej w akumulatorze, późniejsze odzyskanie z niego prądu i dopiero wtedy zamiana go w ciepło oznaczają dodatkowe etapy, koszty i straty.

Magazyn cieplny skraca tę drogę. Prąd trafia bezpośrednio do urządzenia grzewczego, materiał zostaje podgrzany, a następnie ciepło jest odbierane przez proces przemysłowy. Energia pozostaje więc w formie, w której ostatecznie potrzebuje jej odbiorca.

To szczególnie istotne w przemyśle, gdzie ogromna część energii nie zasila silników ani oświetlenia, lecz służy właśnie do wytwarzania ciepła. Według TheStorage przemysł odpowiada za około 40 proc. światowego zużycia energii, a ponad połowa energii wykorzystywanej w sektorze przemysłowym przypada na procesy cieplne. Firma wskazuje również, że znaczna część tego ciepła nadal powstaje poprzez spalanie paliw kopalnych.

W takim układzie magazynowanie ciepła może być dla wielu zakładów bardziej praktyczne niż próba zastępowania konwencjonalnych źródeł bateriami. Proces technologiczny się nie zmienia – zakład nadal potrzebuje tej samej pary, temperatury i mocy cieplnej. Zmienia się jedynie sposób, w jaki energia dociera do procesu.

Największa przeszkoda jest ekonomiczna

Technologia ma jednak słaby punkt, którego nie da się rozwiązać samą konstrukcją zbiornika. Klient musi mieć pewność, że inwestycja w magazyn ciepła będzie ekonomicznie konkurencyjna wobec dotychczasowego źródła energii. W Finlandii oznacza to rywalizację nie tylko z gazem czy olejem opałowym, lecz także z biomasą, która w części zakładów nadal pozostaje relatywnie tanim paliwem.

Liisa Naskali, dyrektorka operacyjna Polar Night Energy, zwraca uwagę, że wysoki koszt początkowy może być jedną z najpoważniejszych barier w przechodzeniu przemysłu na nowe technologie magazynowania ciepła.

– Największym wyzwaniem przy sprzedaży jest koszt inwestycji. Prawie nikt nie odważył się zainwestować w nasz produkt, ponieważ obecnie mamy kotły na zrębki drzewne, a te są tanie – powiedziała w rozmowie z XYZ Liisa Naskali.

To właśnie dlatego fińskie startupy nie próbują konkurować wyłącznie argumentem klimatycznym. TheStorage przekonuje, że jego magazyn może obniżyć koszty energii przemysłowej nawet o 70 proc. w porównaniu ze źródłami opartymi na paliwach kopalnych, a emisje – nawet o 90 proc. To jednak wartości deklarowane przez producenta, których rzeczywistą skalę będzie można ocenić dopiero po uruchomieniu większej liczby instalacji komercyjnych.

W przemyśle rachunek jest znacznie bardziej złożony niż proste porównanie ceny kilowatogodziny. Trzeba uwzględnić koszt samego magazynu, amortyzację, urządzenia elektryczne, przyłączenie do sieci oraz późniejszą obsługę i utrzymanie. Dopiero wtedy można zestawić cały system z dotychczasowym źródłem ciepła. Jeżeli jednak magazyn pozwala kupować energię w najtańszych godzinach i ograniczać zużycie paliw, końcowy rachunek może wyglądać zupełnie inaczej niż przy prostym porównaniu z gazem lub biomasą.

Tampere buduje własny ekosystem technologii cieplnych

To, że oba startupy powstały w Tampere, nie jest przypadkiem. Miasto i region Pirkanmaa mają silne zaplecze przemysłowe oraz kompetencje związane z energetyką, automatyką, budową maszyn i technologiami procesowymi. TheStorage założyli ludzie z doświadczeniem w technologiach kotłowych i instalacjach energetycznych, natomiast Polar Night Energy wyrósł z prac nad magazynowaniem energii cieplnej i wykorzystaniem materiałów stałych.

Dzięki temu fińskie magazyny cieplne można traktować nie jako pojedynczy eksperyment z piaskiem, lecz jako element szerszej zmiany w myśleniu o systemie energetycznym. Przez dekady był on projektowany tak, aby elektrownia dostarczała energię wtedy, gdy potrzebował jej odbiorca. Wraz z rosnącym udziałem źródeł odnawialnych coraz częściej sytuacja się odwraca: energia pojawia się wtedy, gdy wieje lub świeci słońce, natomiast odbiorca potrzebuje jej według własnego harmonogramu.

Magazyn ma wypełnić właśnie tę lukę. Nie musi produkować energii – wystarczy, że będzie na tyle tani, trwały i pojemny, aby przejąć jej nadwyżkę w jednym momencie i oddać ją kilka godzin lub dni później. W przypadku ciepła ma to szczególne znaczenie, ponieważ materiały takie jak piasek, kamień czy steatyt można wykorzystywać na dużą skalę bez sięgania po drogie materiały elektrochemiczne.

Następny krok: magazyn nie tylko dla ciepłowni, lecz dla całego systemu

Polar Night Energy rozwija już kolejny etap technologii. W Valkeakoski powstaje pilotażowy system, który ma sprawdzić, czy zgromadzone ciepło można efektywnie zamieniać z powrotem w energię elektryczną. To znacznie trudniejsze zadanie niż samo magazynowanie ciepła, ponieważ każda kolejna konwersja oznacza straty. Obecny model biznesowy firmy opiera się przede wszystkim na bezpośrednim wykorzystaniu ciepła, dlatego produkcja prądu z magazynu jest rozwijana jako osobny kierunek technologiczny.

Instalacja w Valkeakoski ma pracować w wyższych temperaturach, a firma testuje materiały zdolne do długotrwałego funkcjonowania w takich warunkach. Według obecnych założeń sprawność zamiany zgromadzonego ciepła z powrotem w prąd ma wynosić około 30-35 proc. Jeżeli jednak system wykorzystuje jednocześnie energię elektryczną i pozostałe ciepło, całkowita sprawność może sięgać około 90 proc.

To dobrze pokazuje, gdzie leży największa przewaga fińskiej technologii. Najwięcej sensu ma ona wtedy, gdy odbiorca potrzebuje właśnie ciepła. Produkcja prądu z gorącego materiału może pomóc w bilansowaniu sieci, ale wymaga dodatkowych urządzeń i zwiększa straty. Jeżeli natomiast magazyn stoi obok browaru, zakładu spożywczego czy sieci ciepłowniczej, energia może zostać zamieniona w ciepło, przechowana, a następnie niemal bezpośrednio wykorzystana w procesie technologicznym.

Piasek nie zastąpi wszystkich baterii

Fińska technologia nie rozwiąże każdego problemu z magazynowaniem energii. Magazyny cieplne nie zastąpią akumulatorów tam, gdzie odbiorca potrzebuje przede wszystkim prądu. Im częściej energia musi zmieniać postać – z elektrycznej na cieplną i ponownie na elektryczną – tym większe znaczenie mają straty, sprawność i koszt dodatkowych urządzeń. Nie każdy zakład przemysłowy potrzebuje również temperatur, przy których taki magazyn będzie ekonomicznie uzasadniony.

W ciepłownictwie i wielu gałęziach przemysłu rachunek wygląda jednak inaczej. Jeżeli końcowym produktem jest para, gorąca woda, gorące powietrze albo olej termiczny, bardziej logiczne może być przechowywanie energii od razu jako ciepła, zamiast magazynowania jej w postaci elektrycznej. Wtedy „bateria z piasku” przestaje być efektowną ciekawostką, a staje się dużym magazynem energii zaprojektowanym pod konkretny proces przemysłowy.

Fińskie firmy próbują więc rozwiązać problem, który będzie coraz ważniejszy wraz ze wzrostem udziału energetyki wiatrowej i słonecznej. Im więcej źródeł zależnych od pogody, tym większa różnica między momentem produkcji energii a momentem jej wykorzystania. Można ją ograniczać rozbudową sieci, akumulatorami, wodorem albo właśnie magazynami cieplnymi.

Główne wnioski

1. Największą wartością magazynów z piasku nie jest sam materiał, lecz możliwość przesunięcia wykorzystania energii w czasie.
2. Polar Night Energy i TheStorage rozwiązują podobny problem, ale celują w innych odbiorców i inne temperatury pracy.
3. O przyszłości tej technologii zdecyduje przede wszystkim ekonomika: koszt inwestycji, cena energii i możliwość zastąpienia paliw kopalnych.