Пясок і цяпло

У ветраныя, сонечныя дні многія еўрапейскія сеткі маюць больш электрычнасці, чым могуць выкарыстоўваць, і кошт знізіцца да нуля або нават ніжэй. У той жа час у краіне пачалася масавая дэпартацыя. A heat battery is the simplest way to catch the cheap hours: an electric heater warms a large mass of sand, crushed stone or brick to hundreds of degrees, thick insulation keeps the heat in, and a fan or heat exchanger takes it out when it is needed, days or weeks later.

About half of the world’s final energy use is heat, not electricity (IEA, Renewables 2019). Большасць з іх паступаюць ад спальвання газу, нафты, вугалю або дрэва. Гэтая гіпотэза не мае пад сабой ніякіх доказаў, і таму яна не можа быць пацверджаная або абвергнута. Кароткая версія: Калі энергія захоўваецца ў выглядзе цяпла і выкарыстоўваецца як цяпло, то электрычнасць вяртаецца на 85-95%; калі яна зноў ператвараецца ў электрычнасць, то яна вяртаецца на 30-41%. Гэта адзіны факт, які вызначае, дзе перамагае тэхналогія.

Што гэта

Электраэнергетыка, таксама званая электрычнасцю або энергіяй, — галіна энергетыкі, якая займаецца вытворчасцю і перапрацоўкай электраэнергіі. The Finnish company Polar Night Energy uses a steel silo filled with builder’s sand or crushed soapstone and connects it to a district heating network. Rondo Energy in California heats refractory bricks to more than 1,000 °C to make steam for factories. У гідраўлічных сістэмах электрычнасць выпрацоўваецца з дапамогай электрычных батарэй, якія могуць быць як электрычнымі, так і газавымі. Siemens Gamesa ran a pilot in Hamburg that stored heat in volcanic rock at 750 °C and turned it back into electricity with a steam turbine.

Усе яны маюць аднолькавыя характарыстыкі і розныя тэхнічныя характарыстыкі. Важныя толькі пытанні: наколькі гарача, доўга, як танна і для чаго патрэбна цяпло.

Як гэта працуе

Зарадка. Электрычнасць праходзіць праз награвальнік супраціву, такі ж прынцып, як у чайніку або тостэры. Гэта пераўтварэнне па сутнасці эфектыўна на 100 %: кожны кілават-гадзіна электрычнасці становіцца кілаватамі гадзіны цяпла. У перыяд з ліпеня па верасень у рэгіёне назіраецца пераход ад сухога да вільготнага клімату, а ў ліпені і жніўні — ад цёплага да халоднага.


Сховішча. Энергія, захоўваемая ў цвёрдым стане, з’яўляецца E = m × c × ΔT: яго маса, множана на яго ўласнае цяпло, множана на тэмпературныя змены. Сухі пясок і большасць каменяў маюць шчыльнае цяпло c каля 0,8—1,0 кДж на кг на градус. One tonne of sand heated from 150 °C to 400 °C (a swing of 250 degrees) therefore holds 1,000 kg × 0.8 kJ/kg·K × 250 K = 200 MJ, or about 56 kWh. The Pornainen store works out at 100 MWh in 2,000 tonnes, 50 kWh per tonne, which matches. Hot water in a district heating tank, cycling between 90 °C and 50 °C, holds about 47 kWh per tonne; sand wins because it can run much hotter without a pressure vessel. Для параўнання, літый-іённыя акумулятары маюць магутнасць ад 150 да 250 кВт·г электрычнасці на тону.

Утрыманне ўнутры. Цёпла выходзіць праз паверхню з хуткасцю Q = U × A × ΔT, дзе U паказвае на якасць ізаляцыі, A — плошчу паверхні і ΔT — адрозненне тэмпературы да звонку. Назапашаная энергія расце з аб’ёмам (куб памеру) і страты з плошчай (квадрат), так што большыя склады губляюць меншы працэнт. Наша грубая ацэнка для сілоса памерам Порнайнена (15 м шырынёй і 13 м вышынёй, каля 970 м² паверхні) з ізаляцыяй, якая дазваляе праходзіць 0,1 Вт на м² за градус і 300 градусаў розніца: каля 29 кВт або 0,7% поўнай магазін у дзень. У некаторых выпадках, калі гаворка ідзе пра невялікія групы людзей, то гэта могуць быць толькі асобныя людзі, а не цэлыя гарады.

Вызваленне. У выніку, паветра ў цеплаабменніку ператвараецца ў ваду, а вада ў паветра, і наогул усё адбываецца па-іншаму. У гэтым няма нічога экзатычнага. У электрычнасці цяпло павінна рухаць рухавік, і тут фізіка ставіць жорсткі цэнтар. Карно, лепшы з магчымых для любога цяпла рухавіка, гэта η = 1 − T_cold / T_hotТэмпература ў градусах Кельвіна Тэмпература 400 °C (673 K) адхіленая ад 30 °C (303 K) дае 1 − 303/673 = 55%. At 750 °C the ceiling is 70%. Рэальныя паровыя турбіны, помпы і цеплавыя абменнікі дасягаюць каля паловы лічбы Карно, таму запас вяртае нешта накшталт Ад 25 да 40% электрычнасці, якую яна купляе. A published design for a stone store at Sorø, Denmark, expected 30 to 41% back as electricity or 41 to 58% as heat (Wikipedia, Thermal energy storage).

Практычны вывад: гарачая батарэя - выдатны спосаб для купіць ад электрасетка ў самыя танныя гадзіны, і дрэнны спосаб Іспанія на пазней, калі толькі цяпло рухавіка не стане значна лепшым або зарадная магутнасць будзе амаль бясплатнай.

Абмежаванні

• Тэарэтычны. У залежнасці ад тэмпературы і колькасці энергіі, якая выдзяляецца на тону, роўнянне Карно вызначае, колькі зноў можа ператварыцца ў электрычнасць. Не выключана, што і ідэя не згубілася.
• Temperature matches the use. District heating needs 60 to 120 °C, food and paper factories need steam at 150 to 250 °C, chemicals and cement need 400 to 1,500 °C. У большасці выпадкаў патрабуецца большая колькасць вады, чым у звычайных глебах, але і больш высокі ўраджай.
• Энергія супраць энергіі. Награвальнік і цяплоабменнік (энергійная частка) звычайна больш дарагія, чым пяск (энергетычная частка). У некаторых выпадках, калі патрэбна большая колькасць часу для выканання пэўнай задачы, выкарыстоўваюцца спецыяльныя прылады.
• Цыклаў у год. Кожны еўра абсталявання павінен быць выплачаны згодна з колькасцю цяпла, якое ён перамяшчае. A store that cycles 200 times a year spreads its cost far more thinly than one that cycles 20 times. Polar Night says its stores work best between 20 and 200 cycles a year (Solarthermalworld, 2024).
• Дэшевая электрычнасць павінна існаваць. Бізнес-сітуацыя грунтуецца на шматгадзінных нізкіх цэнах. У некаторых краінах, такіх як Іспанія, Францыя і Германія, лічыцца, што ўсе яны з’яўляюцца часткай аднаго народа.

Рэальныя праекты, вымераны

Праект	Дзе, калі	Тэмпература	Памер	Што паведамляецца
Полярная ноч	Tampere, Finland, 2020	Пясок	3 МВт/ гадзіны	Першы пілот, які кіраваў кампаніяй
Шаблон:Віцебская вобласць	Kankaanpää, Finland, July 2022	100 т будаўнічага пяску ў сталёвым силосе памерам 4 × 7 м; награваецца да каля 500 °C, працуе пры тэмпературы ад 150 да 400 °C	8 МВт/ гадзін	85 % годнай эфектыўнасці на трохдзённых цыклах; 95 % прызначана для захоўвання больш за 100 МВт·г (Solarthermalworld)
Спіс рэк у Латвіі	Pornainen, Finland, 2025	2000 т дробленага мыльнай пяску, пабочнага прадукту пры вырабе камін; да 400 °C	100 MWh, 1 MW	70% lower emissions for the network, about 160 t of CO2 a year, woodchip burning down 60%, oil use ended (ESS News, 2025; Polar Night Energy)
Пілот Siemens Gamesa ETES	Гамбург-Альтэнвердэр, Германія, 2019	About 1,000 t of volcanic rock at 750 °C, steam turbine to return electricity	130 МВт/ гадзіна цяпла	Stored heat for up to a week; aimed at gigawatt-hour stores (Siemens Gamesa, 2019)
Батарэя Rondo Heat	Некалькі прамысловых аб’ектаў; адкрыццё ў Covestro, Brunsbüttel, Германія	Refractory brick at 1,100 to 1,500 °C	2 да больш за 100 МВт цяпла на адзінку	Company states over 98% electricity-to-heat efficiency and over 400 MWh of announced projects (Rondo); not independently published
Энергія	Злучаныя Штаты Амерыкіusa. kgm	Цвёрдыя вугляродныя блокі, гаручыя	Прамысловы	Heat, or electricity through thermophotovoltaic cells (Antora). The best laboratory thermophotovoltaic cell has reached 40% efficiency (LaPotin et al., 2022)

У гэтым артыкуле прыводзяцца два прыклады. У большасці выпадкаў гэта былі афіцыйныя асобы, а не прадстаўнікі незалежных арганізацый. Second, the Kankaanpää 85% is heat back per unit of electricity in; nobody in the table has published a year of measured electricity-to-electricity round trips at commercial scale.

У выніку тэмпература паветра падымаецца. The US National Renewable Energy Laboratory has designed a store that heats silica sand particles above 1,000 °C and drops them through a heat exchanger to drive a power cycle (Ma, Davenport and Zhang, 2020). У 2018 годзе ў рамках праекта «Сістэма аховы здароўя» была створана сістэма «Праграма павышэння якасці адукацыі», якая дазваляе навучэнцам атрымаць вышэйшую адукацыю на беларускай мове. Гэта не праўда, гэта не даказана.

Колькі гэта каштуе

Heat batteries do not make electricity, so their honest benchmark is not a solar panel but the heat they replace. Our site-wide benchmark for new electricity on a building remains rooftop solar at about $0.19 per kWh in our open Fan Wall model, inside Lazard’s June 2026 range for commercial rooftop solar of $0.09 to $0.20 per kWh (Lazard LCOE+ 2026). У выніку, гіганцкія газы з’яўляюцца газам.

What gas heat costs. Using round numbers close to European levels in 2025 and 2026 (wholesale gas at €35 per MWh, a carbon price of €70 per tonne, a 90% efficient boiler), heat from gas costs about 5 to 6 euro cents per kWh before the boiler’s own capital cost. A household on the UK price cap pays 7.97 pence per kWh for gas from October 2026 (Ofgem), about 8.9 pence per kWh of heat.

У выніку адбылося паніжэнне коштаў. Усе яны падзелены на дзве часткі: электрычнасць, падзеленую на эфектыўнасць, і абсталяванне, падзеленае на колькасць цяпла, якое яно выпрацоўвае за свой час службы. Electricity at €20 per MWh (common in windy Nordic hours) with 85% efficiency costs about 2.4 cents per kWh of heat. The equipment part depends on the installed cost per kWh of storage capacity and the number of full cycles a year. Ні Polar Night, ні яго кліенты не апублікавалі цану Pornainen, таму мы паказваем дыяпазон замест таго, каб прыдумляць лічбу (20 гадоў, 7% рэальная стаўка зніжкі, 90% выкарыстанай магутнасці на цыкл):

Памер	20 цыклаў у год	50 цыклаў у год	100 цыклаў у год	200 цыклаў у год
$10	$0.052	$0.021	$0.010	$0.005
$25	$0.13	$0.052	$0.026	$0.013
$50	$0.26	$0.10	$0.052	$0.026

![Будынак завода з высокім сярэбраным цыліндравым бакам і новым будынкам завода за вялікім зялёным знакам, які абвяшчае пра станцыю электраднага катла магутнасцю 40 МВт.](../../../assets/initiatives/heat-dresden-electrode-boiler.jpg “Building a 40 MW electrode boiler plant at the Nossener Brücke heating plant in Dresden, Germany, in 2018. У выніку, у перыяд з ліпеня па верасень колькасць ападкаў і іх тэмпература значна ніжэй, чым у звычайны час. Шаблон:Праект:CC0

• Кошт абсталявання на кВт·г адпраўленага цяпла, да электрычнасці. Нашы разлікі.*

Літоўская мова. Сярэдняе колькасць батарэй $115 за кВт/ гадзіну у 2024 годзе, 20% зніжэнне за год (БлумбергNEF, 2024У выніку, эфектыўнасць выкарыстання энергіі большая, чым у іншых відаў паліва. У літыевых акумулятарах каля 85-90 % электрычнасці вяртаецца ў выглядзе электрычнасці. Сам пяскі каштуе амаль нічога: пры дзясятках даляраў за тону і 50 кВт·г на тону, сродак каштуе значна менш за адзін даляр за кВт·г. Усе астатнія элементы, акрамя кіслароду і вады, маюць аднолькавую энергію. Гарманічнае суадносіны паміж імі залежыць ад колькасці рэчываў у іх складзе, а не ад іх колькасці ў атмасферы.

Дзе ён можа перамагчы, а дзе не можа

Яно можа перамагчы:

• Узімку ў лесе ці на сонечных берагах. У перыяд з ліпеня па верасень у горадзе і яго ваколіцах праходзіць шмат святаў, фестываляў і іншых мерапрыемстваў. У гэты час у горадзе былі пабудаваныя ўсе патрэбныя будынкі.
• Прамысловы пар і працэсная тэмпература да 500 °C у харчовай, напойнай, папяровай і хімічнай прамысловасці, дзе заводы ў цяперашні час кругласутачна спальваюць газ.
• Замена алею і дрэва У некаторых краінах, напрыклад у ЗША, лічыцца, што ўжыванне алкаголю зніжае ўзровень халестэрыну і павышае рызыку развіцця сардэчна-сасудзістых захворванняў.
• Прыём абмежаванай вентыляцыі і сонечнай энергіі, якія ў адваротным выпадку былі б выключаны, ператвараючы праблему сеткі ў прадукт цяпла.
• Параванне з вялікімі цяпла помпы: цяпла помпы ахоплівае большасць гадзін эфектыўна, магазін ахоплівае пікі цэны.

Яно не можа перамагчы:

• As a general electricity store. With 25 to 40% back, it loses badly to lithium-ion for daily cycles and to pumped hydro where geology allows.
• In single homes, where surface losses, safety at hundreds of degrees and the cost of small heaters work against it. A hot-water cylinder or a heat pump with a buffer tank does the job better.
• Дзе электрычнасць рэдка танная. Без шматлікіх гадзін нізкай цаны ў краме няма чаго купляць.
• Вялікія тэмпературы ў невялікім маштабе. Пры тэмпературах вышэй 1000 °C матэрыялы, ізаляцыя і бяспека становяцца сур’ёзнай інжынернай праграмай, а не простай прасторай для захоўвання.

Што даказана, верагодна і спекулятыўна

Proven: resistance heating converts electricity to heat almost perfectly; E = m × c × ΔT and the Carnot limit; commercial sand stores deliver district heat in Finland, with 85% reported annual efficiency at 8 MWh; losses fall as stores get larger.

Plausible: 95% annual efficiency at 100 MWh and above; industrial brick stores delivering steam competitively where gas is expensive and cheap power is frequent; installed costs of a few tens of dollars per kWh of capacity.

Speculative: electricity-to-electricity round trips above 50% at commercial scale (by thermophotovoltaics or advanced power cycles); decades of cycling at over 1,000 °C without costly repairs; heat batteries as a cheaper alternative to lithium-ion for grid electricity.

Адкрыць даследчыя пытанні

• Незалежна апублікаваныя дадзеныя аб прадукцыйнасці. Год змеранай тэмпературы і страт, для кожнага камерцыйнага дызайну.
• Рэальная ўстаноўленая цана на кВт·г магутнасці і на кВт энергіі, з тендеров, а не прэс-рэлізаў.
• Выменнік цяпла Тэмпература
• Старэнне матэрыялаў: пяску апрацоўкі, цэглы расколін, сталёвы паломка і ізаляцыі пасадкі пасля тысяч цыклаў.
• Лепшы метад пераўтварэння цяпла ў энергію: тэрмафотаэлектрычныя элементы, надкрытычная CO2-турбіна і «батарэі Карно» з Брэйтонаўскім цыклам, якія маглі б падняць электрычнасць у два бакі.
• Кіраванне і рынкі: як магазін павінен прадаваць электрычнасць, і як тарыфы і сеткавыя зборы могуць узнагародзіць яго за паступленне лішняй энергіі.

Што трэба для стварэння прататыпу

Кожны, хто хоча праверыць новую ідэю цяпла акумулятара павінен пачынаць з малога і вымераць усё. Першая частка кнігі прысвечана ідэі, а не зместу.

Фаза	Праца	Рэшэнне, якое ён дазваляе	Грубы кошт	Час
1. Bench test	50 да 200 кг матэрыялу для захоўвання ў ізаляваным сталёвым барабане, награвальнік ад 2 да 5 кВт, тэрмапары на некалькіх глыбінях, паветраны або вадаёмны цеплавы абменнік, электра- і цяпломер	Энергія на кг, хуткасць зарадкі і разрадкі, страта цяпла ў дзень, вымеранае цяпло на кВт· гадзіну	$5k to $20к	2 да 4 месяцаў
2. Cycling	100 або больш цыклаў зарада і разрадкі, матэрыялы, правераныя да і пасля	Дрыфт трываласці і эфектыўнасці	$10k to $30 кб	6 месяцаў
3. Pilot	0.5 to 2 MWh unit on a real heat user (a greenhouse, a school, a small network), with a year of data	Кошт на кВт· гадзіну цяпла пры рэальнай працы	$150k to $500 кб	Ад 12 да 18 месяцаў

, and about 660,000 Btu of stored heat, roughly 190 kWh, came back later as hot water. У выніку гэтага знізілася вытворчасць электраэнергіі і паветраных судоў. Шаблон:Урад ЗША Шаблон:Прэзідэнты ЗША

Хто нам патрэбен

• Інжынеры у перадачы цяпла, ізаляцыі і дызайне цеплавога абменніка.
• Навуковы рэсурс для пяску, каменя, цэглы і керамікі пры высокай тэмпературы на тысячы цыклаў.
• Аператары цэнтральнага ацяплення, якія жадаюць падзяліцца дадзенымі аб нагрузках або правесці пілотны праект.
• Энергія — лічбавая адзінка энергіі, якая выкарыстоўваецца ў электратэхніцы і электроніцы.
• Прамысловыя энергетычныя менеджэры, якія ведаюць, дзе выкарыстоўваецца працэсны пар і колькі ён каштуе.
• Спецыялісты па бяспецы і сертыфікацыі для абсталявання пад ціскам, агню і высокатэмпературных паверхняў.

У вас ёсць лепшая ідэя?

У некаторых краінах існуюць спецыяльныя камітэты, якія могуць вызначыць, хто мае права на атрыманне дазволу на правядзенне рэферэндуму. Для таго, каб быць прадстаўленай, ідэя павінна мець працуючую, рэальную мадэль, якая на самай справе вырабляе энергію; для такой ідэі захоўвання гэта азначае мадэль, якая дае зберагаемую энергію назад, з яе цяплом або электрычнасцю, вымеранай на інструменце, не заявленай. Ідэі для артыкулаў таксама прымаюцца: калі фізіка і лічбы цвёрдыя, мы можам апублікаваць іх тут на сайце. Але прыцягненне капіталу без працаздольнага мадэлі вельмі складана, і тут няма абяцання фінансавання, вяртання або ўвядзення.

Калі ў вас ёсць ідэя, дашліце яе праз форму contribution form з праблемай, якую яна вырашае, фізічнай праверкай, грубай цаной на кВт·гадзіну і найменшым тэстам, які мог бы даказаць яе няправільнасць. Калі ў вас ёсць працаздольная мадэль, уключыце яе вывад і як вы яго вымералі. Змяніць Стварыць новы спіс распаўсюджвання параўноўвае гэта і іншыя альтэрнатывы на радары ідэі.

Крыніца

1. Насельніцтва (2019). Renewables 2019: heat is about half of final energy consumption.
2. Polar Night Energy (2025). Шаблон:Пераходныя рэчывы і Шаблон:Канадскія мовы.
3. Solarthermalworld (2024). Sand batteries provide heat to district heating networks in Finland.
4. Галоўны рэдактар М. (2025). У 100-гадовым юбілеі БДУ. А. Новікаў.
5. Сяргей Сідарэнка (2019). World first: Siemens Gamesa begins operation of its innovative electrothermal energy storage system (архівавана).
6. Вікіпедыя. Thermal energy storage, including the Sorø design figures.
7. Энергетыка. Батарэя Rondo Heat (Праект кнігі).
8. Энергетыка. Тэрміяльныя акумулятары (inf.
9. А. А. Лявонаў, І. (2022). Утрыманне фосфару да 40 %. Nature 604, 287-291.
10. Ма, З., Дэвенпорт, П. і Чжан, Р. (2020). У тэхнічным плане, гэта сістэма захоўвання энергіі для выкарыстання ў якасці крыніц электрычнасці або паліва. Journal of Energy Storage 29, 101382.
11. BloombergNEF (2024). Lithium-ion battery pack prices see largest drop since 2017, falling to $115 per kilowatt-hour.
12. Lazard (June 2026). Выраўнаваны кошт энергіі+, версія 19.
13. Ofgem (2026). Energy price cap unit rates, 1 October to 31 December 2026.
14. Local Solar System Фонд. The Fan Wall open model: the rooftop solar benchmark of $0.19 per kWh.
15. Вікіпедыя. Andasol Solar Power Station: molten salt storage of about 7.5 hours at full load per unit.
16. Вікіпедыя. Сезоннае захоўванне цяплаУ перыяд паўстання Каліноўскага быў арыштаваны.
17. Член АН СССР (1978). Спіс гідраэлектрастанцый Беларусі Шаблон:Электрастанцыі Мінскай вобласціНацыянальны архіў ЗША.