Sand- und Wärmebatterien

An windigen, sonnigen Tagen haben viele europäische Netze jetzt mehr Strom als sie verbrauchen können und der Preis sinkt nahezu auf Null oder sogar darunter. Einige Stunden später zahlt das gleiche Netz eine Prämie. Eine Wärmebatterie ist die einfachste Möglichkeit, um die billigen Stunden zu fangen: Ein Elektroheizer erwärmt eine große Masse Sand, Schotter oder Ziegel auf Hunderte von Grad, dicke Isolierung hält die Wärme innen und ein Ventilator oder Wärmetauscher nimmt sie heraus, wenn sie gebraucht wird, Tage oder Wochen später.

Etwa die Hälfte des weltweiten Endenergieverbrauchs ist Wärme, nicht Strom (IEA, Renewables 2019). Der größte Teil davon stammt noch immer aus der Verbrennung von Gas, Öl, Kohle oder Holz. Das macht das zu einem großen Preis, und deshalb wirft diese Seite einen harten Blick darauf, was Wärmebatterien können und nicht können. Kurz gesagt: als Wärme gespeichert und als Wärme genutzt, kommt Strom zu 85 bis 95% zurück; in Strom umgewandelt, kommt er bestenfalls zu 30 bis 41% zurück. Diese Tatsache allein entscheidet darüber, wo die Technologie gewinnt.

Was es ist

Eine Wärmebatterie, auch als thermische Batterie oder elektrifizierter thermischer Energiespeicher bezeichnet, speichert Strom als Wärme in einem billigen Feststoff. Das finnische Unternehmen Polar Night Energy nutzt ein mit Bausand oder Speckstein gefülltes Stahlsilo und schließt es an ein Fernwärmenetz an. Rondo Energy in Kalifornien erhitzt Feuerfeststeine auf mehr als 1.000 °C, um Dampf für Fabriken zu erzeugen. Antora Energy erhitzt Kohlenstoffblöcke, bis sie glühen und entweder Wärme oder durch spezielle solarzellenartige Paneele Strom zurückgeben können. Siemens Gamesa führte in Hamburg einen Pilotversuch durch, bei dem Wärme bei 750 °C im Vulkangestein gespeichert und mit einer Dampfturbine wieder in Strom umgewandelt wurde.

Das sind alle die gleiche Idee mit unterschiedlichen Temperaturen und verschiedenen Kunden. Die einzigen Fragen, die zählen sind: wie heiß, für wie lange, wie billig und wie viel. Wozu die Hitze ist.

Wie es funktioniert

Laden. Strom fließt durch Widerstandsheizungen, das gleiche Prinzip wie ein Wasserkocher oder ein Toaster. Diese Umwandlung ist im Wesentlichen 100% effizient: Jede Kilowattstunde Strom wird zu einer Kilowattstunde Wärme. Die Silos von Polar Night erwärmen die Luft mit Widerständen und blasen sie durch im Sand vergrabene Rohre, die Heizkörper von Rondo strahlen direkt auf Ziegel.

Speichern. Die in einem Festkörper gespeicherte Energie ist E = m × c × ΔT: seine Masse, mal seine spezifische Wärme, mal die Temperaturschwankung. Trockener Sand und die meisten Gesteine haben eine spezifische Wärme c von etwa 0,8 bis 1,0 kJ pro kg pro Grad. Eine Tonne Sand, der von 150 °C auf 400 °C erhitzt wird (eine Schwingung von 250 Grad), enthält also 1,000 kg × 0.8 kJ/kg·K × 250 K = 200 MJ, oder etwa 56 kWh. Der Pornainen-Store ergibt 100 MWh in 2.000 Tonnen, 50 kWh pro Tonne, was übereinstimmt. Heißes Wasser in einem Fernwärmetank, das zwischen 90 °C und 50 °C zirkuliert, enthält etwa 47 kWh pro Tonne; Sand gewinnt, weil er ohne Druckbehälter deutlich wärmer laufen kann. Zum Vergleich: Lithium-Ionen-Batteriezellen enthalten etwa 150 bis 250 kWh Strom pro Tonne.

Innenhalten. Wärme läuft durch die Oberfläche mit einer Rate von Q = U × A × ΔT ab, wobei U die Isolationsfähigkeit misst, A die Oberfläche und ΔT die Temperaturdifferenz zur Außenseite ist. Die gespeicherte Energie wächst mit dem Volumen (der Würfel der Größe) und die Verluste mit der Fläche (dem Quadrat), so dass größere Lager einen kleineren Bruchteil verlieren. Unsere grobe Schätzung für ein Silo von der Größe von Pornainens (15 m breit und 13 m hoch, etwa 970 m² Oberfläche) mit einer Isolierung, die 0,1 W pro m² pro Grad und eine 300-Grad-Differenz durchlässt: etwa 29 kW oder 0,7% eines vollen Lagers pro Tag. Ein kleiner Laden von der Größe eines Gartenhauses würde das Mehrfache dieses Bruchteils verlieren, weshalb Sandbatterien für Städte und Fabriken gebaut werden, nicht für Einzelhäuser.

Entladen. Für die Wärme wird ein Ventilator durch den heißen Sand geblasen und ein Wärmetauscher gibt die Wärme an Wasser für das Netz weiter. Nichts davon ist exotisch. Für Strom muss die Wärme einen Motor antreiben, und hier setzt die Physik eine harte Grenze. Der Carnot-Wirkungsgrad, der beste Wert, den ein Wärmemaschinen jemals erreichen kann, ist η = 1 − T_cold / T_hot, mit Temperaturen in Kelvin. Wärme bei 400 °C (673 K), die bei 30 °C (303 K) abgestoßen wird, ergibt 1 − 303/673 = 55%. Bei 750 °C liegt die Obergrenze bei 70%. Echte Dampfturbinen, Pumpen und Wärmetauscher erreichen ungefähr die Hälfte der Carnot-Zahl, so dass ein Speicher etwas wie 25 bis 40 % des Stroms, den sie kaufte. Ein veröffentlichtes Design für einen Steinspeicher in Sorø, Dänemark, erwartete 30 bis 41% als Strom oder 41 bis 58% als Wärme (Wikipedia, Thermal energy storage).

Die praktische Schlussfolgerung: Eine Wärmebatterie ist eine ausgezeichnete Möglichkeit, um Wärme zu den günstigsten Stunden aus dem Stromnetz zu kaufen, und eine schlechte Möglichkeit, um Strom für später zu speichern, es sei denn, der Wärmemotor wird viel besser oder die Ladeleistung ist nahezu kostenlos.

Die Grenzen der Technik

• Theoretisch. Spezifische Wärme- und Temperaturschwankungen bestimmen die Energie pro Tonne; die Carnot-Gleichung legt fest, wie viel jemals wieder zu Elektrizität werden kann. Auch kein clevere Design entkommt.
• Die Temperatur passt zur Verwendung. Fernwärme braucht 60 bis 120 °C, Lebensmittel- und Papierfabriken brauchen Dampf bei 150 bis 250 °C, Chemie und Zement benötigen 400 bis 1.500 °C. Höhere Temperaturen speichern mehr pro Tonne, benötigen aber Stahl, feuerfeste Ziegel und Isolierung, die mehr kosten und stärker verschleißen.
• Power versus Energie. Die Heizungen und Wärmetauscher (die Power-Seite) sind in der Regel teurer als der Sand (die Energie-Seite). Ein Laden, der nur in wenigen billigen Stunden aufgeladen wird, benötigt große Heizungen, die die meiste Zeit im Leerlauf sitzen.
• Zyklen pro Jahr. Jeder Euro an Geräten muss sich durch die Wärme, die sie abführen, zurückzahlen. Ein Geschäft, das 200 Mal im Jahr wechselt, verteilt seine Kosten viel dünner als ein Geschäft, das 20 Mal wechselt. Polar Night sagt, dass seine Speicher am besten zwischen 20 und 200 Zyklen pro Jahr funktionieren (Solarthermalworld, 2024).
• Günstige Strom muss es geben. Der Business Case basiert auf vielen Stunden niedriger Preise. Netze mit viel Wind und Sonne, wie Finnland, Dänemark und Kalifornien, haben sie; Netze mit wenig variabler Leistung nicht.

Reale Projekte, gemessen

Projekt	Wo, wann und wie	Lagermedium und Temperatur	Größe	Was wird berichtet
Polar Night Energy Pilot	Tampere, Finnland, seit 2020	Sand	3 MWh	Erster Pilot, durchgeführt vom Unternehmen
Polarnacht-Energie für Vatajankoski	Kankaanpää, Finnland, Juli 2022	100 t Bausand in einem Stahlsilo von 4 × 7 m; erhitzt auf ca. 500 °C, betrieben bei 150 bis 400 °C	8 MWh	85% Jahreseffizienz bei Drei-Tage-Zyklen; Zielwert von 95% für Speicher über 100 MWh (Solarthermalworld)
Polar Night Energy für Loviisan Lämpö	Pornainen, Finnland, 2025	2.000 t Speckstein-Brecher, ein Nebenprodukt der Kaminherstellung; bis zu 400 °C	100 MWh, 1 MW	70% weniger Emissionen für das Netz, ca. 160 t CO2 pro Jahr, Hackschnitzelverbrennung um 60%, Ölverbrauch beendet (ESS News, 2025; Polar Night Energy)
Siemens Gamesa ETES Pilot	Hamburg-Altenwerder, Deutschland, seit 2019	Rund 1.000 t Vulkangestein bei 750 °C, Dampfturbine zur Rückführung von Strom	130 MWh Wärme	Bis zu einer Woche Wärmespeicher; Ziel sind Gigawattstunden-Speicher (Siemens Gamesa, 2019)
Rondo Heat Battery	Mehrere Industriestandorte; Baubeginn bei Covestro, Brunsbüttel	Feuerfeste Ziegel bei 1.100 bis 1.500 °C	2 bis über 100 MW Wärme pro Einheit	Das Unternehmen gibt einen Strom-zu-Wärme-Wirkungsgrad von über 98 % und mehr als 400 MWh angekündigte Projekte (Rondo) an; nicht unabhängig veröffentlicht
Antora Energy	Kalifornien, USA	Vollkohlenstoffblöcke, glühend heiß	Industrie-Maßstab	Wärme oder Strom durch Thermophotovoltaik-Zellen (Antora). Die beste Laborthermophotovoltaik-Zelle erreicht einen Wirkungsgrad von 40% (LaPotin et al., 2022)

Zwei Vorsichtsmaßnahmen zu dieser Tabelle. Erstens stammen die meisten Zahlen von den Unternehmen oder ihren Kunden, nicht aus unabhängigen Messungen. Zweitens sind die Kankaanpää 85% Heat back pro Stromeinheit in; niemand in der Tabelle hat ein Jahr gemessener Strom-zu-Strom-Rundfahrten im kommerziellen Maßstab veröffentlicht.

Forschungslabors treiben die Temperaturen nach oben. Das US-amerikanische National Renewable Energy Laboratory hat einen Speicher entwickelt, der Quarzsandpartikel auf über 1.000 °C erhitzt und durch einen Wärmetauscher fällt, um einen Stromkreislauf anzutreiben (Ma, Davenport and Zhang, 2020). Malta, das 2018 aus Alphabets X hervorgegangen ist, verfolgt eine “Carnot-Batterie”, die Wärme in geschmolzenem Salz und Kälte in einer gekühlten Flüssigkeit speichert, um die Hin- und Rückfahrt zu erleichtern. Diese sind plausibel, nicht im Maßstab bewiesen.

Was es kostet

Wärmebatterien produzieren keinen Strom, daher ist ihr ehrlicher Benchmark kein Sonnenkollektor, sondern Die Wärme, die sie ersetzen. Unser standortweiter Benchmark für Neustrom auf einem Gebäude bleibt die Dachsolaranlage mit ca. 0,19 $ pro kWh In unserem offenen Fan Wandmodell, innerhalb von Lazards Juni 2026-Bereich für kommerzielle Dachsolaranlagen von $0.09 to $0,20 pro kWh (Lazard LCOE+ 2026). Für Wärme ist der Konkurrent ein Gaskessel.

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. Ein Haushalt auf der britischen Preisobergrenze zahlt ab Oktober 2026 7,97 Pence pro kWh für Gas (Ofgem), etwa 8,9 Pence pro kWh Wärme.

Was die gespeicherte Wärme kostet. Zwei Teile: der Strom, geteilt durch den Wirkungsgrad, und die Anlage, geteilt durch die Wärmemenge, die sie über ihre Lebensdauer liefert. Strom zu 20 Euro pro MWh (üblich in windigen nordischen Stunden) mit 85% Wirkungsgrad kostet etwa 2,4 Cent pro kWh Wärme. Der Ausrüstungsteil hängt von den installierten Kosten pro kWh Speicherkapazität und der Anzahl der vollen Zyklen pro Jahr ab. Weder Polar Night noch seine Kunden haben den Preis von Pornainen veröffentlicht, daher zeigen wir die Bandbreite anstatt eine Zahl zu erfinden (20 Jahre, 7% realer Diskontsatz, 90% der pro Zyklus genutzten Kapazität):

Installierte Kosten pro kWh Leistung	20 Zyklen pro Jahr	50 Zyklen pro Jahr	100 Zyklen pro Jahr	200 Zyklen pro Jahr
$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

*Anlagenkosten pro kWh gelieferter Wärme, vor Strom. Unsere Berechnung *

Gegen Lithium-Ionen. Batteriepacks kosten im Jahr 2024 durchschnittlich 115 $ pro kWh, ein Rückgang um 20% in einem Jahr (BloombergNEF, 2024), und eine komplette Netzbatterie kostet mehr als ihr Pack. Eine Lithium-Ionen-Batterie gibt etwa 85 bis 90% ihrer Elektrizität als Strom zurück. Der Sand selbst kostet fast nichts: Mit Dutzenden von Dollar pro Tonne und 50 kWh pro Tonne liegt das Medium deutlich unter einem Dollar pro kWh. Der Silo, die Isolierung, Heizungen und Wärmetauscher sind die wirklichen Kosten. Eine Wärmebatterie macht nur Sinn, wenn ihre gesamten installierten Kosten pro kWh um ein Vielfaches niedriger sind als bei einer Lithium-Batterie, weil sie Wärme zurückgibt, nicht Strom.

Wo es gewinnen kann und wo nicht

Es kann gewinnen:

• Fernwärme in windigen oder sonnigen Netzen. Nordische und baltische Städte mit Wärmenetzen, vielen günstigen Stunden und Holz- oder Gasboilern zum Austausch. Hier ist jede kommerzielle Sandbatterie bisher hingegangen.
• Industriedampf und Prozesswärme bis ca. 500 °C In Lebensmitteln, Getränken, Papier und Chemikalien, wo Fabriken derzeit rund um die Uhr Gas verbrennen.
• Ersatz von Öl und Holz In kleinen Netzwerken, wie in Pornainen, wo das Geschäft auch Kraftstofflieferungen und lokale Luftverschmutzung spart.
• Die Aufnahme von eingeschränkter Wind- und Solarenergie, die sonst abgeschaltet würde, verwandelt ein Netzproblem in ein Wärmeprodukt.
• Kopplung mit großen Wärmepumpen: Die Wärmepumpe deckt die meisten Stunden effizient ab, der Laden die Preisspitzen.

Es kann nicht gewinnen:

• Als allgemeiner Stromspeicher. Mit 25 bis 40% Rückstand verliert es stark an Lithium-Ionen für tägliche Zyklen und gepumptes Wasser, wo die Geologie es erlaubt.
• In Einfamilienhäusern, wo Oberflächenverluste, Sicherheit bei Hunderten von Grad und die Kosten für kleine Heizungen dagegen wirken. Ein Warmwasserspeicher oder eine Wärmepumpe mit einem Pufferspeicher macht die Arbeit besser.
• Wo Strom selten billig ist. Ohne viele Niedrigpreisstunden hat der Laden nichts zu kaufen.
• Sehr hohe Temperaturen im kleinen Maßstab. Ab 1.000 °C werden Materialien, Isolierung und Sicherheit zu einem ernsthaften Engineering-Programm, kein Silo.

Was ist bewiesen, plausibel und spekulativ

Bewiesen: Widerstandsheizung wandelt Strom nahezu perfekt in Wärme um; E = m × c × ΔT und die Carnot-Grenze; kommerzielle Sandspeicher liefern Fernwärme in Finnland mit einem gemeldeten Jahreswirkungsgrad von 85% bei 8 MWh; Verluste sinken, wenn Speicher größer werden.

Plausible: 95% jährlicher Wirkungsgrad bei 100 MWh und darüber; industrielle Ziegellager liefern Dampf wettbewerbsfähig, wo Gas teuer ist und billiger Strom häufig vorkommt; installierte Kosten von einigen Dutzend Dollar pro kWh Kapazität.

Spekulativ: Strom-zu-Strom-Umrechnungen über 50% im kommerziellen Maßstab (durch Thermophotovoltaik oder fortgeschrittene Stromkreisläufe); jahrzehntelanges Zyklieren bei über 1.000 °C ohne kostspielige Reparaturen; Wärmebatterien als billigere Alternative zu Lithium-Ionen für Netzstrom.

Offene Forschungsfragen

• Unabhängige, veröffentlichte Leistungsdaten. Ein Jahr gemessene Wärmeein- und -ausgabe mit Verlusten für jedes kommerzielle Design.
• Die tatsächlichen installierten Kosten pro kWh Kapazität und pro kW Leistung, aus Ausschreibungen anstatt aus Pressemitteilungen.
• Wärmetauscher, die Wärme schnell aus einem langsam leitenden Feststoff bewegen ohne große Temperaturverluste.
• Alterung von Materialien: Sandsintern, Ziegelrisse, Stahlkriechen und Isolierungsabsetzen nach Tausenden von Zyklen.
• Bessere Wärme-zu-Strom: Thermophotovoltaikzellen, überkritische CO2-Turbinen und Brayton-Zyklus “Carnot Batterien”, die den Strom rund um heben könnten.
• Kontrolle und Märkte: Wie ein Laden für Strom bieten sollte, und wie Tarife und Netzgebühren ihn dafür belohnen können, überschüssigen Strom aufzunehmen.

Was ein funktionierender Prototyp benötigt

Wer eine neue Wärmebatterie-Idee testen möchte, sollte klein anfangen und alles messen. Ein nützliches erstes Modell liefert gemessene Wärme, keine Behauptung.

Phase	Arbeit	Entscheidung, die es ermöglicht	Grobe Kosten	Time
1. Prüfstand	50 bis 200 kg des Speichermaterials in einer isolierten Stahltrommel, eine Heizung von 2 bis 5 kW, Thermoelemente in mehreren Tiefen, ein Luft- oder Wasserwärmetauscher, ein Stromzähler und ein Wärmezähler	Energie pro kg, Lade- und Entladegeschwindigkeiten, Wärmeverlust pro Tag, gemessene Wärmeausgabe pro kWh in	$5k to $20k	2 bis 4 Monate
2. Radfahren	100 oder mehr Lade- und Entladezyklen, Materialien vor und nach der Prüfung	Haltbarkeit und Effizienzdrift	$10k to $30k	6 Monate
3. Pilot	0,5 bis 2 MWh Einheit auf einem realen Wärmeverbraucher (ein Gewächshaus, eine Schule, ein kleines Netz), mit einem Jahr Daten	Kosten pro kWh Wärme im realen Betrieb	$150k to $500k	12 bis 18 Monate

Wen wir brauchen

• Wärmetechniker in Wärmeübertragung, Isolierung und Wärmetauscher-Design.
• Materialwissenschaftler Für Sand, Steine, Ziegel und Keramik bei hohen Temperaturen über Tausende von Zyklen.
• Fernwärmebetreiber, die bereit sind, Lastdaten zu teilen oder einen Piloten zu hosten.
• Strommarktanalysten zur Modellierung von Ladestrategien und Umsätzen.
• Industrielle Energiemanager Die wissen, wo Prozessdampf eingesetzt wird und was er kostet.
• Sicherheits- und Zertifizierungsspezialisten Für Druckgeräte, Feuer und Hochtemperaturflächen.

Haben Sie eine bessere Idee?

Einige Mitglieder der Stiftung haben vielleicht Kontakte, die einen Pitch für eine starke Energieidee hören könnten. Um pitcht zu werden, braucht eine Idee einen Ein funktionierendes, reales Modell, das tatsächlich Strom produziert; für eine Speicheridee wie diese bedeutet das ein Modell, das gespeicherte Energie zurückgibt, wobei die Wärme oder der Strom auf einem Instrument gemessen werden und nicht beansprucht werden. Papierideen sind ebenfalls willkommen: Wenn die Physik und die Zahlen stimmen, können wir sie hier auf der Website veröffentlichen. Aber Kapital zu beschaffen ohne ein funktionierendes Modell ist sehr schwierig, und nichts hier ist ein Versprechen von Finanzierung, Renditen oder Einführungen.

Wenn Sie eine Idee haben, senden Sie sie über das Beitragsformular mit dem Problem, das es löst, der physikalischen Prüfung, einem ungefähren Preis pro kWh und dem billigsten Test, der es falsch beweisen könnte. Wenn Sie ein funktionierendes Modell haben, fügen Sie die gemessene Leistung hinzu und wie Sie sie gemessen haben. Die Energiequellen-Seite vergleicht diese und die anderen Alternativen auf dem Ideenradar.

Quellen

1. In: IEA (2019). Erneuerbare Energien 2019: Wärme macht etwa die Hälfte des Endenergieverbrauchs aus.
2. Polare Nachtenergie (2025). Referenz für Pornainen Sandbatterie und Referenz für Kankaanpää.
3. Solarthermalworld (2024) Sandbatterien versorgen die Fernwärmenetze in Finnland mit Wärme.
4. Hall, M. (2025). Finnische 100 MWh Sandbatterie ist in Betrieb. In: ESS News.
5. In: Siemens Gamesa (2019). Weltneuheit: Siemens Gamesa nimmt seinen innovativen elektrothermischen Energiespeicher in Betrieb (archiviert).
6. Wikipedia. Thermischer Energiespeicher, einschließlich der Sorø-Designfiguren.
7. In: Rondo Energy. Rondo Heat Battery (Ansprüche des Unternehmens).
8. In: Antora Energy. Thermische Batterien (Firmeninformation).
9. LaPotin, A. und Kollegen (2022). Thermophotovoltaischer Wirkungsgrad von 40%. Nature 604, 287-291.
10. Ma, Z., Davenport, P. und Zhang, R. (2020). Entwurfsanalyse eines partikelbasierten thermischen Energiespeichersystems zur Konzentrierung von Solarstrom oder Netzenergiespeicherung. Zeitschrift für Energiewirtschaft 29, 101382.
11. BloombergNEF (2024). Lithium-Ionen-Batteriepack-Preise verzeichnen den größten Rückgang seit 2017 und sinken auf 115 US-Dollar pro Kilowattstunde.
12. Lazard (Juni 2026). Levelized Cost of Energy+, Version 19.
13. Ofgem (2026). Energiepreis-Obergrenzen für Einheiten, 1. Oktober bis 31. Dezember 2026.
14. Local Solar System Die Stiftung. Das offene Modell der Fan Wall: Der Solar-Benchmark für Dachanlagen von 0,19 US-Dollar pro kWh.