Bateries de sorra i calor

En dies ventosos i assolellats, moltes xarxes europees tenen més electricitat de la que poden utilitzar, i el preu cau a prop de zero o fins i tot per sota. Unes hores més tard, la mateixa xarxa paga una prima. Una bateria de calor és la manera més senzilla d’atrapar les hores barates: un escalfador elèctric escalfa una gran massa de sorra, pedra picada o maó fins a centenars de graus, l’aïllament gruixut manté la calor dins i un ventilador o intercanviador de calor la treu quan es necessita, dies o setmanes després.

Aproximadament la meitat de l’ús final d’energia del món és calor, no electricitat (IEA, Renewables 2019). La majoria encara prové de la combustió de gas, petroli, carbó o fusta. Això fa que sigui un gran premi, i és per això que aquesta pàgina dóna una ullada a què poden i no poden fer les bateries de calor. La versió curta: emmagatzemada com a calor i utilitzada com a calor, l’electricitat es recupera entre un 85% i un 95%; convertida de nou en electricitat, es recupera entre un 30% i un 41%, com a molt. Aquest fet sol decideix on guanya la tecnologia.

Què és

Una bateria de calor, també anomenada bateria tèrmica o emmagatzematge d’energia tèrmica electrificada, emmagatzema electricitat com a calor en un sòlid barat. La companyia finlandesa Polar Night Energy utilitza una sitja d’acer plena de sorra de construcció o pedra seca picada i la connecta a una xarxa de calefacció urbana. Rondo Energy a Califòrnia escalfa maons refractaris a més de 1.000 °C per fer vapor per a fàbriques. Antora Energy escalfa blocs de carboni fins que brillen i poden retornar calor o, a través de panells especials com les cel·les solars, electricitat. Siemens Gamesa va executar un pilot a Hamburg que emmagatzema calor en roca volcànica a 750 °C i la torna a convertir en electricitat amb una turbina de vapor.

Tots són la mateixa idea amb diferents temperatures i clients diferents. Les úniques preguntes que importen són: com de calenta, durant quant temps, com de barata i Per a què serveix la calor.

Com funciona

Carregant. L’electricitat passa a través d’escalfadors de resistència, el mateix principi que una bullidora o una torradora. Aquesta conversió és essencialment 100% eficient: cada kilowatt-hora d’electricitat es converteix en un kilowatt-hora de calor. Les sitges de Polar Night escalfen l’aire amb resistències i el bufen a través de canonades enterrades en la sorra; els escalfadors de Rondo irradien directament sobre maó.

Emmagatzematge. L’energia emmagatzemada en un sòlid és E = m × c × ΔT: la seva massa, vegades la seva calor específica, vegades el canvi de temperatura. La sorra seca i la majoria de les roques tenen una calor específica c d’aproximadament 0,8 a 1,0 kJ per kg per grau. Una tona de sorra escalfada de 150 °C a 400 °C (un gir de 250 graus) per tant conté 1,000 kg × 0.8 kJ/kg·K × 250 K = 200 MJ, o uns 56 kWh. La botiga de Pornainen funciona a 100 MWh en 2.000 tones, 50 kWh per tona, que coincideix. L’aigua calenta en un tanc de calefacció urbana, que circula entre 90 °C i 50 °C, té uns 47 kWh per tona; la sorra guanya perquè pot funcionar molt més calenta sense un recipient a pressió. Per comparació, les cel·les de bateries d’ions de liti contenen aproximadament 150 a 250 kWh d’electricitat per tona.

Mantenir-la dins. La calor es filtra a través de la superfície, a una velocitat Q = U × A × ΔT, on U mesura com és de bo l’aïllament, A és l’àrea superficial i ΔT la diferència de temperatura amb l’exterior. L’energia emmagatzemada creix amb el volum (el cub de la mida) i les pèrdues amb la superfície (el quadrat), així que les botigues més grans perden una fracció menor. La nostra estimació aproximada per a una sitja de la mida de la de Pornainen (15 m d’ample i 13 m d’alt, uns 970 m² de superfície) amb un aïllament que permet passar 0,1 W per m² per grau i una diferència de 300 graus: uns 29 kW, o el 0,7% d’una botiga plena per dia. Una petita botiga de la mida d’un magatzem de jardí perdria diverses vegades aquesta fracció, raó per la qual les bateries de sorra es construeixen per a ciutats i fàbriques, no per a cases individuals.

Descàrrega. Per a la calor, un ventilador bufa aire a través de la sorra calenta i un intercanviador de calor passa la calor a l’aigua per a la xarxa. No hi ha res d’exòtic en això. Per a l’electricitat, la calor ha de conduir un motor, i aquí la física estableix un límit dur. L’eficiència de Carnot, la millor que qualsevol motor de calor pot fer mai, és η = 1 − T_cold / T_hot, amb temperatures en kelvin. Calor a 400 °C (673 K) rebutjada a 30 °C (303 K) dóna 1 − 303/673 = 55%. A 750 °C el sostre és del 70%. Les turbines de vapor, les bombes i els intercanviadors de calor reals arriben a la meitat de la xifra de Carnot, així que una botiga retorna alguna cosa com 25 a 40% de l’electricitat que va comprar. Un disseny publicat per a una botiga de pedra a Sorø, Dinamarca, esperava un 30-41% com a electricitat o 41-58% com a calor (Wikipedia, Thermal energy storage).

La conclusió pràctica: una bateria de calor és una manera excel·lent de comprar calor de la xarxa elèctrica a les hores més barates, i una mala manera d’emmagatzemar electricitat per a més tard, llevat que el motor de calor millori molt o l’energia de càrrega sigui gairebé gratuïta.

Els límits

• Teòric. La calor específica i l’ oscil· lació de temperatura fixen l’ energia per tona; l’ equació de Carnot fixa quant pot tornar a convertir- se en electricitat. Cap disseny intel·ligent escapa tampoc.
• La temperatura coincideix amb l’ús. La calefacció urbana necessita 60 a 120 °C, les fàbriques d’aliments i paper necessiten vapor a 150 a 250 °C, els productes químics i el ciment necessiten 400 a 1.500 °C. Les temperatures més altes emmagatzemen més per tona, però necessiten acer, maons refractaris i aïllament que costen més i es desgasten més.
• Potència versus energia. Els escalfadors i els intercanviadors de calor (el costat de la potència) són normalment més cars que la sorra (el costat de l’energia). Una botiga que es carrega només en unes poques hores barates necessita grans escalfadors que estan inactius la majoria del temps.
• Cicles per any. Cada euro d’equip ha de ser pagat per la calor que es transfereix. Una botiga que fa cicles 200 vegades a l’any distribueix el seu cost molt més finament que una que fa cicles 20 vegades. Polar Night diu que les seves botigues funcionen millor entre 20 i 200 cicles a l’any (Solarthermalworld, 2024).
• L’electricitat barata ha d’existir. El cas empresarial es basa en moltes hores de preus baixos. Les xarxes amb molta energia eòlica i solar, com les de Finlàndia, Dinamarca i Califòrnia, en tenen; les xarxes amb poca potència variable no.

Projectes reals, mesurats

Projecte	On, quan	Mitjà d’ emmagatzematge i temperatura	Mida	Què s’ informa
Pilot d’ energia de nit polar	Tampere, Finlàndia, 2020	Sorra	3 MWh	Primer pilot, dirigit per la companyia
Energia de la nit polar per a Vatajankoski	Kankaanpää, Finlàndia, juliol 2022	100 t de sorra de construcció en una sitja d’acer de 4 × 7 m; escalfat fins a uns 500 °C, operat entre 150 i 400 °C	8 MWh	85% d’eficiència anual en cicles de tres dies; 95% destinat a magatzems per sobre de 100 MWh (Solarthermalworld)
Energia de la nit polar per a Loviisan Lämpö	Pornainen, Finlàndia, 2025	2.000 t de pedra seca picada, un subproducte de la fabricació de xemeneies; fins a 400 °C	100 MWh, 1 MW	70% menys d’emissions per a la xarxa, unes 160 t de CO2 l’any, cremar les encenalles un 60%, acabar amb l’ús del petroli (ESS News, 2025; Polar Night Energy)
Pilot ETES de Siemens Gamesa	Hamburg-Altenwerder, Alemanya, 2019	Al voltant de 1.000 tones de roca volcànica a 750 °C, turbina de vapor per retornar electricitat	130 MWh de calor	Emmagatzematge de calor fins a una setmana; dirigit a magatzems de gigawatt-hora (Siemens Gamesa, 2019)
Rondo Heat Battery	Diversos llocs industrials; inauguració a Covestro, Brunsbüttel, Alemanya	Refractory brick at 1,100 to 1,500 °C	De 2 a més de 100 MW de calor per unitat	La companyia afirma més del 98% d’eficiència de l’electricitat a la calor i més de 400 MWh de projectes anunciats (Rondo); no publicat independentment
Energia d’Antora	Califòrnia, EUA	Blocs de carboni sòlid, escalfats	Escala industrial	Calor, o electricitat a través de cel· les termofotovoltaiques (Antora). La millor cel· la termofotovoltaica de laboratori ha assolit una eficiència del 40% (LaPotin et al., 2022)

Dues advertències sobre aquesta taula. En primer lloc, la majoria de les xifres provenen de les empreses o els seus clients, no de mesurament independent. Segon, el 85% de Kankaanpää és calor retornada per unitat d’electricitat en; ningú a la taula ha publicat un any de viatges d’anada i tornada mesurats d’electricitat a electricitat a escala comercial.

Els laboratoris de recerca estan augmentant la temperatura. El Laboratori Nacional d’Energia Renovable dels Estats Units ha dissenyat una botiga que escalfa partícules de sorra de sílice per sobre de 1.000 °C i les deixa caure a través d’un intercanviador de calor per conduir un cicle d’energia (Ma, Davenport i Zhang, 2020). Malta, sorgida de la X d’Alphabet el 2018, persegueix una “bateria Carnot” que emmagatzema calor en sal fosa i fred en un líquid refrigerat per elevar el viatge d’anada i tornada. Aquests són plausibles, no provats a escala.

Quant costa

Les bateries de calor no produeixen electricitat, per la qual cosa el seu punt de referència honest no és un panell solar sinó la calor que substitueixen. El nostre punt de referència a tot el lloc per a nova electricitat en un edifici segueix sent el solar del terrat a uns $0.19 per kWh en el nostre model obert Fan Wall, dins del rang de Lazard de juny de 2026 per al solar comercial del terrat de $0.09 to $0.20 per kWh (Lazard LCOE+ 2026). Per a la calor, el competidor és una caldera de gas.

Què costa la calor del gas. Utilitzant xifres arrodonides properes als nivells europeus el 2025 i 2026 (el gas a l’engròs a 35 € per MWh, un preu del carboni de 70 € per tona, una caldera amb un 90% d’eficiència), la calor del gas costarà al voltant de 5 a 6 cèntims d’ euro per kWh abans del cost de capital de la caldera. Una llar amb el preu màxim del Regne Unit paga 7,97 pence per kWh de gas a partir d’octubre de 2026 (Desa), uns 8,9 pences per kWh de calor.

Quants costa emmagatzemar la calor. Dues parts: l’electricitat, dividida per l’eficiència, i l’equip, dividit per quanta calor produeix durant la seva vida útil. L’electricitat a 20 € per MWh (comú en hores nòrdiques ventoses) amb una eficiència del 85% costa uns 2,4 cèntims per kWh de calor. La part de l’equip depèn del cost instal·lat per kWh de capacitat d’emmagatzematge i el nombre de cicles complets a l’any. Ni Polar Night ni els seus clients han publicat el preu de Pornainen, així que mostrem l’interval en lloc d’inventar un nombre (20 anys, 7% de descompte real, 90% de la capacitat utilitzada per cicle):

Cost instal· lat per kWh de capacitat	20 cicles per any	50 cicles per any	100 cicles per any	200 cicles per any
$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

*Cost de l’equip per kWh de calor lliurat, abans de l’electricitat. El nostre càlcul.

Contra l’ió de liti. Els paquets de bateries tenien una mitjana de $ 115 per kWh el 2024, una caiguda del 20% en un any (BloombergNEF, 2024), i una bateria de xarxa completa costa més que el seu paquet. Una bateria d’ions de liti retorna aproximadament del 85 al 90% de la seva electricitat com a electricitat. La sorra en si no costa gairebé res: a desenes de dòlars per tona i 50 kWh per tona, el mitjà és molt per sota d’un dòlar per kWh. La sitja, l’aïllament, els escalfadors i els intercanviadors de calor són el cost real. Una bateria de calor només té sentit si el seu cost total instal·lat per kWh és diverses vegades inferior al d’una bateria de liti, perquè el que retorna és calor, no electricitat.

On pot guanyar, i on no pot

Pot guanyar:

• Calefacció urbana en xarxes amb vent o sol. Ciutats nòrdiques i bàltiques amb xarxes de calefacció, moltes hores barates i calderes de fusta o gas per substituir. Aquí és on han anat totes les bateries de sorra comercials fins ara.
• Vapor industrial i calor de procés fins a uns 500 °C en aliments, begudes, paper i productes químics, on les fàbriques actualment cremen gas tot el dia.
• Reemplaçar el petroli i la fusta en petites xarxes, com a Pornainen, on la botiga també estalvia els lliuraments de combustible i la contaminació local de l’aire.
• Absorbint l’energia eòlica i solar reduïda que d’una altra manera s’apagaria, convertint un problema de xarxa en un producte de calor.
• Aparellament amb grans bombes de calor: la bomba de calor cobreix la majoria d’hores de manera eficient, la botiga cobreix els pics de preus.

No pot guanyar:

• Com una botiga d’electricitat general. Amb un 25 a 40% de reserva, perd molt davant l’ió liti en cicles diaris i davant l’hidrogen bombat on la geologia ho permet.
• En cases individuals, on les pèrdues de superfície, la seguretat a centenars de graus i el cost dels petits escalfadors treballen en contra. Un cilindre d’aigua calenta o una bomba de calor amb un dipòsit intermitent fa la feina millor.
• On l’electricitat rarament és barata. Sense moltes hores de preus baixos, la botiga no té res per comprar.
• Temperatures molt altes a petita escala. Per sobre dels 1.000 °C, els materials, l’aïllament i la seguretat esdevenen un programa d’enginyeria seriós, no una sitja.

El que és provat, plausible i especulatiu

Provat: l’escalfament de resistència converteix l’electricitat en calor gairebé perfectament; E = m × c × ΔT i el límit de Carnot; les botigues comercials de sorra proporcionen calefacció urbana a Finlàndia, amb un 85% d’eficiència anual reportada a 8 MWh; les pèrdues cauen a mesura que les botigues es fan més grans.

Plausible: 95% d’eficiència anual a 100 MWh i més; magatzems de maó industrial que lliuren vapor competitivament on el gas és car i l’energia barata és freqüent; costos instal·lats d’unes poques desenes de dòlars per kWh de capacitat.

Especulatiu: electricitat-a-electricitat viatges de tornada per sobre del 50% a escala comercial (per termofotovoltaics o cicles d’energia avançats); dècades de ciclisme a més de 1.000 °C sense costoses reparacions; bateries de calor com una alternativa més barata al liti-ió per a la xarxa elèctrica.

Preguntes obertes de recerca

• Dades de rendiment independents i publicades. Un any de calor mesurada dins i fora, amb pèrdues, per a cada disseny comercial.
• El cost real instal· lat per kWh de capacitat i per kW d’energia, a partir de licitacions en lloc de comunicats de premsa.
• Intercanviadors de calor que mouen la calor ràpidament fora d’ un sòlid conductor lent sense grans caigudes de temperatura.
• Envelliment dels materials: sinterització de la sorra, esquerdament del maó, fluïdesa de l’acer i assentament de l’aïllament després de milers de cicles.
• Millor calor-a-energia: cel·les termofotovoltaiques, turbines supercrítiques de CO2 i “bateries Carnot” del cicle Brayton que podrien elevar l’electricitat d’anada i tornada.
• Control i mercats: com una botiga hauria de licitar per l’electricitat, i com les tarifes i els preus de la xarxa poden recompensar-la per absorbir l’excés d’energia.

El que necessitaria un prototip de treball

Qualsevol que vulgui provar una nova idea de bateria de calor hauria de començar petit i mesurar-ho tot. Un primer model útil proporciona calor mesurada, no una afirmació.

Fase	Treball	Decisió que habilita	Cost aproximat	Hora
1. Bench test	50 a 200 kg del material d’emmagatzematge en un tambor d’acer aïllat, un escalfador de 2 a 5 kW, termoparells a diverses profunditats, un intercanviador de calor d’aire o aigua, un comptador d’electricitat i un comptador de calor	Energia per kg, taxes de càrrega i descàrrega, pèrdua de calor per dia, calor mesurada per kWh en	$5k to $20k	2 a 4 mesos
2. Cycling	100 o més cicles de càrrega i descàrrega, materials inspeccionats abans i després	Desviació de durabilitat i eficiència	$10k to $30k	6 mesos
Pilot 3	0.5 to 2 MWh unit on a real heat user (a greenhouse, a school, a small network), with a year of data	Cost per kWh de calor en funcionament real	$150k to $500k	12 a 18 mesos

Qui necessitem

• Enginyers tèrmics en transferència de calor, aïllament i disseny d’intercanviadors de calor.
• Científics de materials per a sorres, pedres, maons i ceràmica a alta temperatura durant milers de cicles.
• Operadors de calefacció distrital disposats a compartir dades de càrrega o allotjar un pilot.
• Analitzadors del mercat elèctric per modelar estratègies de càrrega i ingressos.
• Gestors d’energia industrial que saben on s’utilitza el vapor de procés i què costa.
• Especialistes en seguretat i certificació per a equips de pressió, foc i superfícies d’alta temperatura.

Tens una idea millor?

Alguns membres de la Fundació poden tenir contactes que podrien escoltar un pitch per a una idea d’energia forta. Per ser llançada, una idea necessita un model de treball, real que produeix energia; per a una idea d’emmagatzematge com aquesta, això significa un model que retorna l’energia emmagatzemada, amb la seva calor o electricitat mesurada en un instrument, no reclamada. Les idees en paper també són benvingudes: si la física i els números són sòlids, les podem publicar aquí al lloc web. Però recaptar capital sense un model de treball és molt difícil, i res aquí no és una promesa de finançament, rendibilitat o introduccions.

Si teniu una idea, envieu-la a través del formulari de contribució amb el problema que resol, la comprovació física, un cost aproximat per kWh i la prova més barata que podria demostrar que està equivocada. Si teniu un model de treball, incloeu la seva sortida mesurada i com l’ heu mesurat. La pàgina fuentes d’energia compara aquesta i les altres alternatives del radar d’idees.

Fonts

1. Ajuntament de Barcelona (2019). Renovables 2019: la calor és aproximadament la meitat del consum final d’energia.
2. Polar Night Energy (2025) (en anglès). Referència de la bateria de sorra de Pornainen i Referència de Kankaanpää.
3. Solarthermalworld (2024). Les bateries de sorra proporcionen calor a les xarxes de calefacció distrital a Finlàndia.
4. Hall, pàg. (2025). La bateria de sorra finlandesa de 100 MWh està operativa. Notícies ESS.
5. Siemens Gamesa (2019). Primera mundial: Siemens Gamesa comença a operar el seu innovador sistema d’emmagatzematge d’energia electrotèrmica (Arxiu).
6. Viquipèdia. Emmagatzematge d’energia tèrmica, incloent les figures de disseny Sorø.
7. Energia de Rondo. Rondo Heat Battery (afirmacions de la companyia).
8. Energia de l’Antora. «Thermal batteries» (en anglès).
9. LaPotin, A. et al. (2022). Eficiència termofotovoltaica del 40%. Nature 604, 287-291..
10. Ma, Z., Davenport, P. i Zhang, R. (2020). Anàlisi de disseny d’un sistema d’emmagatzematge d’energia tèrmica basat en partícules per concentrar energia solar o emmagatzematge d’energia de xarxa. Journal of Energy Storage 29, 101382.
11. BloombergNEF (2024). Els preus de les bateries d’ió liti baixen més que mai des del 2017, fins als 115 dòlars per kilowatt-hora.
12. Lazard (juny de 2026). Levelized Cost of Energy+, versió 19.
13. «Offgem (2026)» (en anglès). Preus unitaris màxims del preu de l’energia, 1 d’octubre al 31 de desembre de 2026.
14. Fundació Local Solar System. El model obert de la paret del ventilador: el punt de referència solar del terrat de 0,19 dòlars per kWh.
15. Viquipèdia. Estació d’energia solar Andasol: emmagatzematge de sal fosa d’unes 7,5 hores a plena càrrega per unitat.
16. Viquipèdia. Emmagatzematge estacional d’energia tèrmica: el magatzem de fossa Marstal alimentat per col·lectors solars.
17. Departament d’Energia dels Estats Units (1978). Projecte d’emmagatzematge d’energia tèrmica a alta temperatura: calentador d’aigua elèctric Therm-Bank, fotografia de la pantalla, US National Archives.