Loviisan Lämpö Invests in Polar Night Energy's Sand Battery in Pornainen – Towards Non-Combustion Heat Production

Polar Night Energy and Loviisan Lämpö have agreed on the construction of an industrial-scale thermal energy storage. The new 1 MW Sand Battery will be built in Pornainen, integrating with Loviisan Lämpö's district heating network. The thermal energy storage medium will be crushed soapstone, a byproduct of Tulikivi's production of heat retaining fireplaces.

Loviisan Lämpö's CEO Mikko Paajanen and CapMan Infra's Investment Director Sauli Antila with Polar Night Energy's Product Sales Manager Matti Ulvinen and CEO Tommi Eronen (from left to right) at Pornainen district heating plant. The new Sand Battery will be built next to the old district heating plant. PHOTO: Marjaana Malkamäki

See below for Finnish.

Polar Night Energy and the Finnish district heating company, Loviisan Lämpö, have entered into an agreement to build an industrial-scale Sand Battery in Pornainen for Loviisan Lämpö’s district heating network. The heating power of the new Sand Battery is 1 MW and it can store up to 100 MWh of thermal energy, making it about ten times larger than the Sand Battery in operation in Kankaanpää since 2022.

The purpose of the Sand Battery is to reduce carbon dioxide emissions of the district heating production in the Pornainen municipality and introduce a new flexible heat production technology.

"Loviisan Lämpö is moving towards more environmentally friendly energy production. With the Sand Battery, we can significantly reduce energy produced by combustion and completely eliminate the use of oil," says Mikko Paajanen, CEO of Loviisan Lämpö.

The impact of the investment on total emissions is approximately 160 tons of carbon dioxide equivalent per year, translating to nearly a 70% reduction in emissions from the district heating network of Pornainen. In addition to eliminating the usage of oil, the combustion of woodchips is expected to decrease by around 60%.

The municipality of Pornainen is enthusiastic about the new heating method, aligning with its goal of "Towards a Carbon-Neutral Pornainen." Many of the municipality's own buildings, including the Comprehensive School, town hall, and library, rely on district heating.

"Our municipality welcomes all innovative development projects that reduce emissions in district heating operations and contribute to network expansion," says Antti Kuusela, Mayor of Pornainen.

The Sand Battery is flexible in both its electricity usage and district heating production. It is charged from the electric grid using charging algorithms developed by Polar Night Energy, minimizing the cost of electricity used for charging while meeting the heat demand of the district heating network. The thermal energy storage capacity corresponds to almost one-month heat demand in summer and a one-week demand in winter in Pornainen.

"We want to enable the growth of renewable energy. The Sand Battery is designed to participate in all Fingrid's reserve and balancing power markets. It helps to keep the electricity grid balanced as the share of wind and solar energy in the grid increases," says Mikko Paajanen.

Loviisan Lämpö is owned by CapMan Infra fund, a part of the investment company CapMan. CapMan's vision is to be the most responsible private assets investor in the Nordics, committed to creating a sustainable future by addressing climate challenges and utilizing resources efficiently.

"Loviisan Lämpö’s investment in the Sand Battery is a concrete step towards CapMan's climate goals. We are committed to reducing our carbon dioxide emissions and seeking solutions that lead us towards net-zero emissions, of which this innovative solution is an excellent example," says Sauli Antila, Investment Director at CapMan Infra.

Polar Night Energy will deliver the Sand Battery to Loviisan Lämpö as a turnkey project. The Sand Battery will be approximately 13 meters high and 15 meters wide. The estimated duration for construction and testing is around 13 months. The project has received support from Business Finland's new technology energy aid.

"It's exciting to build a large-scale thermal energy storage, which will also act as a primary production plant in Pornainen's district heating network. This is a significant step in scaling up the Sand Battery technology," says Liisa Naskali, COO at Polar Night Energy.

Polar Night Energy's CEO Tommi Eronen and Loviisan Lämpö's CEO Mikko Paajanen planning the new Sand Battery for Pornainen district heating network. PHOTO: Marjaana Malkamäki

The Sand Battery in Pornainen Will Have Tulikivi’s Crushed Soapstone as the Storage Medium – a Choice That Promotes Circular Economy

Loviisan Lämpö's new thermal energy storage will use crushed soapstone produced as a byproduct of Tulikivi's manufacturing process. Tulikivi is the market leader in heat retaining fireplaces in the world.

"Collaborating with Polar Night Energy is an interesting venture into new business, leveraging the traditional strengths of soapstone, such as excellent heat conduction and retention properties. This collaboration supports Tulikivi's goals of maximizing the utilization of raw materials," says Heikki Vauhkonen, CEO of Tulikivi.

Sand Batteries can use sand or sand-like materials as the storage material. Soapstone conducts heat better than conventional sand. According to research conducted by Polar Night Energy and Tulikivi, soapstone is an excellent choice for Loviisan Lämpö’s Sand Battery due to its unique properties.

"We always choose the thermal energy storage medium based on the customer's needs. Examining and testing different materials is crucial for us to use materials that are suitable in terms of properties, cost-effectiveness, and promotion of circular economy," says Liisa Naskali of Polar Night Energy and adds, "Tulikivi is a well-known and traditional company. The soapstone they use is a very Finnish thing. It's great to collaborate with Tulikivi."

"This collaboration supports Tulikivi's goals of maximizing the utilization of raw materials," says Heikki Vauhkonen, CEO of Tulikivi.

About the companies

Loviisan Lämpö is a Finnish district heating company that supplies district heating to its customers in Loviisa, Pukkila, Pornainen, Pyhtää Siltakylä, Pyhtää village center, and Lappohja. Loviisan Lämpö is owned by CapMan Infra.

CapMan is a leading Nordic private asset expert with an active approach to value creation. We have developed hundreds of companies and real estate assets and created substantial value in these businesses and assets over the past 30 years. We have over €5 billion in assets under management and our investment strategies cover real estate and infrastructure assets, natural capital and minority and majority investments in portfolio companies.

Tulikivi is the market leader in heat retaining fireplaces in the world. Tulikivi was born by combining Finnish knowledge of arctic conditions, wood heating know-how and a unique soapstone reserve.

Polar Night Energy is a Finnish startup that designs and manufactures high temperature thermal energy storages for wind and solar energy. The Sand Battery developed by the company enables a significant increase in wind and solar energy production while reducing the use of fossil fuels. The company was founded in 2018.

Press photos and interview requests:

Miika Peltola
Communications Manager
miika.peltola@pne.fi

---

Loviisan Lämpö investoi Pornaisissa Polar Night Energyn hiekka-akkuun – Matkalla kohti polttamatonta lämmöntuotantoa

Polar Night Energy ja Loviisan Lämpö ovat sopineet lämpöenergiavaraston rakentamisesta. Uusi 1 MW hiekka-akku rakennetaan Pornaisiin Loviisan Lämmön kaukolämpöverkolle. Lämpöenergiavaraston väliaineena käytetään Tulikiven varaavien tulisijojen tuotannon sivuvirtana syntyvää vuolukivimursketta.

Polar Night Energyn tuotemyyntipäällikkö Matti Ulvinen ja toimitusjohtaja Tommi Eronen yhdessä Loviisan Lämmön toimitusjohtajan Mikko Paajasen ja CapMan Infran sijoitusjohtajan Sauli Antilan kanssa Pornaisissa. Uusi hiekka-akku rakennetaan vanhan kaukolämpölaitoksen viereen. KUVA: Marjaana Malkamäki

Polar Night Energy ja kotimainen kaukolämpöyhtiö Loviisan Lämpö ovat sopineet teollisen mittakaavan hiekka-akun rakentamisesta Pornaisiin Loviisan Lämmön kaukolämpöverkolle. Uuden hiekka-akun teho on 1 MW ja varastointikapasiteetti 100 MWh. Se on noin kymmenkertainen vuodesta 2022 Kankaanpäässä toimineeseen hiekka-akkuun verrattuna.

Hiekka-akun tavoitteena on Pornaisten kunnan alueella toimivan kaukolämpöverkon lämmöntuotannon hiilidioksidipäästöjen vähentäminen ja uudentyyppisen joustavan lämmöntuotantoteknologian käyttöönotto.

”Loviisan Lämpö etenee kohti ilmastoystävällisempää energiantuotantoa. Hiekka-akun avulla voimme merkittävästi vähentää polttamalla tuotettua energiaa ja luopua kokonaan öljyn käyttämisestä”, sanoo Loviisan Lämmön toimitusjohtaja Mikko Paajanen.

Investoinnin vaikutus kokonaispäästöihin on noin 160 hiilidioksidiekvivalenttitonnia (t CO2e) vuodessa, mikä tarkoittaa lähes 70 prosentin päästövähennystä Pornaisten kaukolämpöverkossa. Öljystä luopumisen lisäksi hakepolttoaineen käyttö vähenee noin 60 prosenttia.

Myös Pornaisten kunta on innoissaan uudesta lämmitysmuodosta. Yksi Pornaisten kuntastrategian päämääristä on ”Kohti hiilineutraalia Pornaista”. Suuri osa kunnan omista rakennuksista on kaukolämmössä, kuten Yhtenäiskoulu, kunnantalo ja kirjasto.

”Kuntamme toivottaa tervetulleiksi kaikki kaukolämpötoiminnan päästöjä vähentävät, innovatiiviset kehityshankkeet ja verkon laajentamisen”, sanoo Pornaisten kunnanjohtaja Antti Kuusela.

Hiekka-akku on joustava sekä sähkö- että kaukolämpöverkon suuntaan. Hiekka-akkua ladataan sähköverkosta Polar Night Energyn kehittämän latausalgoritmin mukaan siten, että lataukseen käytettävän sähkön hinta minimoidaan ja samalla kaukolämmön tulevat lämmöntarpeet pystytään täyttämään. Lämpövaraston kapasiteetti vastaa kesäaikaan vajaan kuukauden ja talvella vajaan viikon lämmön tarvetta Pornaisissa.

”Haluamme olla mahdollistamassa uusiutuvan energian kasvua. Hiekka-akusta tehdään sen kokoinen, että sillä voi osallistua myös kaikille Fingridin reservi- ja säätösähkömarkkinoille. Hiekka-akku auttaa pitämään sähköverkkoa tasapainossa, kun tuuli- ja aurinkoenergian osuus verkossa kasvaa”, sanoo Mikko Paajanen.

Loviisan Lämmön omistaa pääomasijoitusyhtiö CapManiin kuuluva CapMan Infran rahasto. CapManin visiona on olla vastuullisin pääomasijoittaja Pohjoismaissa. Yritys on sitoutunut luomaan kestävää tulevaisuutta vastaamalla ilmastohaasteisiin sekä hyödyntämällä resursseja tehokkaasti.

”Loviisan Lämmön tekemä investointi hiekka-akkuun on konkreettinen askel kohti CapManin ilmastotavoitteita. Olemme sitoutuneet vähentämään hiilidioksidipäästöjämme ja etsimään ratkaisuja, jotka vievät meitä kohti nettonollapäästöjä, ja joista tämä innovatiivinen ratkaisu on erinomainen esimerkki”, sanoo CapMan Infran sijoitusjohtaja Sauli Antila.

Polar Night Energy toimittaa hiekka-akun Loviisan Lämmölle avaimet käteen -toimituksena. Hiekka-akusta tulee noin 13 metriä korkea ja 15 metriä leveä. Hiekka-akun rakentamisen ja testaamisen arvioitu kesto on noin 13 kuukautta. Projekti on saanut Business Finlandin uuden teknologian energiatukea.

”On hienoa päästä rakentamaan suurta teollisen mittakaavan lämpövarastoa, joka tulee vieläpä toimimaan primäärituotantolaitoksena Pornaisten kaukolämpöverkossa. Tämä on iso askel hiekka-akkuteknologian skaalaamisessa”, sanoo Polar Night Energyn operatiivinen johtaja Liisa Naskali.

Pornaisten hiekka-akun väliaineena käytetään Tulikiven sivuvirtakiveä – Valinta edistää kiertotaloutta

Loviisan Lämmön uuden lämpöenergiavaraston väliaineena tullaan käyttämään Tulikiven tuotannon sivuvirtana syntyvää vuolukivimursketta. Tulikivi on varaavien tulisijojen markkinajohtaja maailmassa.

”Yhteistyö Polar Night Energyn kanssa on mielenkiintoinen avaus uuteen liiketoimintaan, jossa hyödynnetään vuolukiven perinteisiä vahvuuksia, kuten hyviä lämmönjohto- ja varausominaisuuksia. Yhteistyö tukee Tulikiven tavoitteita raaka-aineen mahdollisimman korkeasta hyödyntämisestä”, sanoo Tulikiven toimitusjohtaja Heikki Vauhkonen.

Hiekka-akuissa voi käyttää lämmönvarastointimateriaalina joustavasti erilaisia hiekan kaltaisia materiaaleja. Vuolukivimurske johtaa tavanomaista hiekkaa paremmin lämpöä. Polar Night Energyn ja Tulikiven tekemien tutkimusten perusteella vuolukivimurske sopii ominaisuuksiensa takia erinomaisesti käytettäväksi Loviisan Lämmön hiekka-akussa.

”Valitsemme väliaineen aina asiakkaan tarpeiden mukaan. Erilaisten materiaalien tutkiminen ja testaaminen on meille tärkeää, jotta pystymme käyttämään materiaaleja, jotka ovat ominaisuuksiltaan sopivia, kustannustehokkaita ja kiertotaloutta edistäviä”, sanoo Polar Night Energy Liisa Naskali ja lisää:

”Tulikivi on tunnettu ja perinteinen yritys. Heidän käyttämänsä vuolukivi on hyvin suomalainen juttu. On hienoa tehdä yhteistyötä Tulikiven kanssa.”

Lisätietoa yrityksistä

Loviisan Lämpö on kotimainen kaukolämpöyhtiö, joka toimittaa kaukolämpöä asiakkaalleen Loviisan, Pukkilan, Pornaisten, Pyhtään Siltakylän, Pyhtään kirkonkylän sekä Lappohjan alueilla. Loviisan Lämpö Oy:n omistaa CapMan Infra.

CapMan on johtava pohjoismainen aktiivista arvonluontityötä tekevä pääomasijoittaja. Olemme kehittäneet satoja yhtiöitä ja kiinteistöjä ja luoneet merkittävää arvoa yli kolme vuosikymmentä. Hallinnoimme yhteensä yli 5 miljardin euron pääomia ja sijoitusalueemme kattavat kiinteistö-, infrastruktuuri- ja luonnonvarasijoittamisen, sekä vähemmistö- ja enemmistösijoitukset kohdeyhtiöihin.

Tulikivi on varaavien tulisijojen markkinajohtaja maailmassa. Tulikivi on syntynyt yhdistämällä suomalainen arktisten olosuhteiden tuntemus, puulämmitysosaaminen ja ainutlaatuinen vuolukivivaranto.

Polar Night Energy on tamperelainen startup-yritys, joka suunnittelee ja valmistaa korkean lämpötilan energiavarastoja tuuli- ja aurinkoenergialle. Yrityksen kehittämä hiekka-akku mahdollistaa tuuli- ja aurinkoenergian voimakkaan lisäämisen ja fossiilisten polttoaineiden käytön vähentämisen. Yritys on perustettu 2018.

Kuva- ja haastattelupyynnöt

Miika Peltola
Viestintäpäällikkö
miika.peltola@pne.fi

The Sand Battery as Balancing Service Provider – Gain Profit for Stabilizing The Electric Grid

Few of us realize that maintaining the stability of the electric grid requires careful planning and real-time adjustment. This post explains how Polar Night Energy’s Sand Battery can help with grid balancing and make profit by accessing the grid balancing markets. In our simple case study the final heat price is -94 e/MWh after the profits from balancing markets – yes, you make money by producing heat!

Graph 1. Profits from aFRR markets during the assessed period from August 16 to September 15. The profit is the historical hourly market price (EUR/MW) times the capacity 2 MW.

The production and consumption of electricity must meet at all times to maintain the 50 Hz frequency of the electricity grid. This is mainly achieved by careful planning. In case of a deviation of production and consumption of electricity due to, for instance, un unplanned powerplant outage or inaccurate weather forecast, grid balancing services are needed.

In many countries, especially in EU, grid balancing services are procured from open markets that are managed by the local transmission system operator, for example Fingrid in Finland. Any entity with flexible electricity production or consumption fulfilling certain technical requirements, like our Sand Battery, can participate in these markets and serve as a reserve.

Reserve Products

Fingrid maintains several reserve products for different purposes. Frequency Containment Reserves (FCR), are constantly controlling the grid frequency. Frequency Restoration Reserves (FRR) are used to return the grid frequency to the nominal value 50 Hz and free the activated Frequency Containment Reserves in case of frequency deviation. Table 1 summarizes all the automatic reserve products maintained by Fingrid.

In Table 1, the direction of regulation is understood from the electric grid point of view. Upregulation aims to increase the grid frequency, which a reserve does by increasing production or reducing consumption. Downregulation respectively decreases the grid frequency by decreasing production or increasing consumption. For FCR-N, which is a symmetric product, the reserve must be capable to regulate in both directions.

Table 1. Summary of the automatic reserve products maintained by Fingrid.

Reserve Product	Explanation	Direction of regulation	Frequency bandwidth (Hz)
FCR-N	Frequency Containment Reserve for Normal Operation	Symmetric	49.9–50.1
FCR-D up	Frequency Containment Reserve for Disturbances	Up	< 49.9
FCR-D down	Frequency Containment Reserve for Disturbances	Down	> 50.1
FFR	Fast Frequency Reserve, addresses lack of inertia in the electricity system	Up	< 49.5
aFRR up	Automatic Frequency Restoration Reserve	Up	Activation controlled by Fingrid
aFRR down	Automatic Frequency Restoration Reserve	Down	Activation controlled by Fingrid

Sand Battery as Reserve

The Polar Night Energy’s Sand Battery is charged via electric resistors, and the energy is stored as heat. Hence, the Sand Battery is a flexible electricity consumer. Table 2 explains how the Sand Battery can operate in different markets.

Table 2. Sand Battery's operation as reserve.

Direction of regulation	Sand Battery operation
Up	The Sand Battery charges. If the reserve is activated, charging is stopped (decrease consumption).
Down	The Sand Battery does not charge. If the reserve is activated, charging is initiated (increase consumption).
Symmetric	The Sand Battery charging is set to half power. The charging is reduced or increased according to the grid's frequency (adjust consumption).

Attending to different grid balancing markets allows the Sand Battery to gain extra profits while optimizing the behaviour based on spot prices and the user’s heating demand.

Potential Income from Reserve Markets

All the reserve products described above are balancing capacity markets. That is, a market attendant gets compensation for readiness to balancing, irrespective of whether the reserve is activated. Let’s assume we have a Sand Battery with 2 MW charging power, and we want to attend the FCR-D down market. This is how it works:

1. The Sand Battery operator sends reserving capacity bids for the following day. A single bid could look like this:

• Market: FCR-D down

• Time period: 15:00 – 16:00

• Capacity: 2 MW

• Price: 30 EUR/MW

2. Fingrid sorts all the received bids from cheapest to the most expensive. Fingrid accepts bids starting from the cheapest until the required capacity is procured. Every reserve whose bid gets accepted is paid according to the most expensive accepted bid (this is called Marginal pricing).

3. Assume the most expensive accepted bid is 50 EUR/MW. That means that the Sand Battery operator’s bid was accepted, and they get 50 EUR/MW * 2 MW = 100 EUR compensation.

4. At 15:00 the following day, the Sand Battery sets charging power to zero and starts to follow the grid frequency. If the frequency rises above 50.1 Hz, the Sand Battery starts charging and helps to restore the frequency below 50.1 Hz.

Simple Case Study

In our previous blog post we presented a simple case study for a spa with 2 MW Sand Battery and constant 500 kW heat demand. We argued that the Sand Battery should be charging 25% of hours to produce the needed 360 MWh of heat. By allocating the charging to cheapest hours, we ended up with 4 200 e charging costs and 11 e/MWh final heat price.

What if the Sand Battery would have in addition accessed the grid balancing markets?

Let’s assume that the Sand Battery operator would have bidden to aFRR up and down markets during the assessed period 16/8/2023 – 15/9/2023. Following the logic explained in Table 2, for the charging hours they would bid the 2 MW resistor capacity to aFRR up market. The rest of the time they bid 2 MW capacity to aFRR down. In this way, acting as reserve would not disturb the optimal charging pattern.

Assume for simplicity that all the bids were accepted. This would be the case with constant bid size 0 EUR/MWh, assuming the relatively small bid capacity would not change the market dynamics. Due to marginal pricing, the income from each hour would have been the historical market price for the hour (X EUR/MW) times the bidden capacity 2 MW. The hourly profits are illustrated in Graph 1.

The outcome?

Profits from aFRR up:	9,000 EUR
Profits from aFRR down:	29,000 EUR
Total aFRR profits:	38,000 EUR
Charging costs:	4,200 EUR
Final costs:	-33,800 EUR
Price for produced heat:	-94 EUR/MWh

The profits from aFRR markets were enough to cover the charging costs, with a nice margin! Yes, that would mean that you make money by producing heat.

Text: Terhi Moisala, Data Scientist

---

The Next Step: A Feasibility Study

Interested in a thorough and transparent analysis of your energy system, complete with realistic simulations and intelligent charging algorithms? Our feasibility study evaluates your system's needs, including local energy production and storage, for optimal performance.

Visit our Solutions page for details!

---

This article was conducted under the project NewSETS – New energy storages promoting sustainable energy transition in societies.

This project has received funding in the framework of the joint programming initiative ERA-Net Smart Energy Systems’ focus initiatives Smart Grids Plus and Integrated, Regional Energy Systems, with support from the European Union’s Horizon 2020 research and innovation programme under grant agreements No 646039 and 775970.

The content and views expressed in this material are those of the authors and do not necessarily reflect the views or opinion of the ERA-Net SES initiative. Any reference given does not necessarily imply the endorsement by ERA-Net SES.