Batteries de sable et de chaleur

Par temps venteux et ensoleillé, de nombreux réseaux européens ont désormais plus d’électricité qu’ils ne peuvent l’utiliser, et le prix chute près de zéro ou même en dessous. Quelques heures plus tard, la même grille paie une prime. Une batterie de chaleur est le moyen le plus simple d’attraper les heures bon marché: un chauffage électrique réchauffe une grande masse de sable, de pierre concassée ou de brique à des centaines de degrés, une isolation épaisse retient la chaleur et un ventilateur ou un échangeur de chaleur l’enlève quand il en a besoin, des jours ou des semaines plus tard.

Environ la moitié de l’utilisation finale d’énergie dans le monde est la chaleur, pas l’électricité (AIE, Énergies renouvelables 2019). La plupart de ces émissions proviennent encore de la combustion du gaz, du pétrole, du charbon ou du bois. Cela en fait un grand prix, et c’est pourquoi cette page examine ce que les batteries thermiques peuvent et ne peuvent pas faire. La version courte: stockée sous forme de chaleur et utilisée comme chaleur, l’électricité revient à 85 à 95%; reconvertie en électricité, elle revient au mieux à 30 à 41%. Ce seul fait décide où la technologie gagne.

Ce qu’il est

Une batterie thermique, également appelée batterie thermique ou stockage d’énergie thermique électrifiée, stocke l’électricité sous forme de chaleur dans un solide bon marché. L’entreprise finlandaise Polar Night Energy utilise un silo en acier rempli de sable de chantier ou de pierre à savon concassée et le connecte à un réseau de chauffage urbain. Rondo Energy en Californie chauffe des briques réfractaires à plus de 1000 °C pour produire de la vapeur pour les usines. Antora Energy chauffe des blocs de carbone jusqu’à ce qu’ils brillent et puissent retourner soit de la chaleur, soit, grâce à des panneaux spéciaux semblables à des cellules solaires, de l’électricité. Siemens Gamesa a mené un projet pilote à Hambourg qui stockait de la chaleur dans des roches volcaniques à 750 °C et la transformait en électricité avec une turbine à vapeur.

Ce sont tous la même idée avec différentes températures et différents clients. Les seules questions qui comptent sont: à quel point il fait chaud, pendant combien de temps, à quel prix et à quoi sert la chaleur.

Comment ça marche

Charge. L’électricité passe par des résistances, le même principe qu’une bouilloire ou un grille-pain. Cette conversion est essentiellement 100% efficace: chaque kilowatt-heure d’électricité devient un kilowatt-heure de chaleur. Les silos de Polar Night chauffent l’air avec des résistances et le soufflent à travers des tuyaux enterrés dans le sable; les radiateurs de Rondo rayonnent directement sur la brique.

Storage. L’énergie stockée dans un solide est E = m × c × ΔT: sa masse, fois sa chaleur spécifique, fois la variation de température. Le sable sec et la plupart des roches ont une chaleur spécifique c d’environ 0,8 à 1,0 kJ par kg par degré. Une tonne de sable chauffée de 150 °C à 400 °C (un oscillateur de 250 degrés) contient donc 1,000 kg × 0.8 kJ/kg·K × 250 K = 200 MJ, soit environ 56 kWh. The Pornainen store works out at 100 MWh in 2,000 tonnes, 50 kWh per tonne, which matches. L’eau chaude dans un réservoir de chauffage urbain, circulant entre 90 °C et 50 °C, contient environ 47 kWh par tonne; le sable gagne parce qu’il peut fonctionner beaucoup plus chaud sans récipient sous pression. À titre de comparaison, les cellules de batterie lithium-ion contiennent environ 150 à 250 kWh d’électricité par tonne.

Le garder à l’intérieur. La chaleur s’échappe à travers la surface, au taux Q = U × A × ΔT, où U mesure la qualité de l’isolation, A est la surface et ΔT La différence de température par rapport à l’extérieur. L’énergie stockée augmente avec le volume (le cube de la taille) et les pertes avec la surface (le carré), donc les magasins plus grands perdent une fraction moindre. Notre estimation approximative pour un silo de la taille de Pornainen (15 m de largeur et 13 m de hauteur, environ 970 m² de surface) avec une isolation qui laisse passer 0,1 W par m² par degré et une différence de 300 degrés: environ 29 kW, ou 0,7% d’un magasin plein par jour. Un petit magasin de la taille d’un abri de jardin perdrait plusieurs fois cette fraction, c’est pourquoi les batteries de sable sont construites pour les villes et les usines, pas pour les maisons individuelles.

Déchargement. Pour la chaleur, un ventilateur souffle l’air à travers le sable chaud et un échangeur de chaleur passe la chaleur à l’eau pour le réseau. Rien de tout cela n’est exotique. Pour l’électricité, la chaleur doit entraîner un moteur et ici la physique fixe une limite stricte. L’efficacité de Carnot, la meilleure que tout moteur thermique puisse jamais faire, est η = 1 − T_cold / T_hot, avec des températures en kelvin. La chaleur à 400 °C (673 K) rejetée à 30 °C (303 K) donne 1 − 303/673 = 55%. A 750 °C, le plafond est de 70%. Les vraies turbines à vapeur, les pompes et les échangeurs de chaleur atteignent environ la moitié du chiffre de Carnot, donc un magasin retourne quelque chose comme 25 à 40% de l’électricité qu’il a achetée. Un projet publié pour un magasin en pierre à Sorø, au Danemark, prévoyait 30 à 41% de retour sous forme d’électricité ou 41 à 58% sous forme de chaleur (Wikipedia, Thermal energy storage).

La conclusion pratique: une batterie de chaleur est un excellent moyen Acheter de la chaleur Le réseau électrique aux heures les moins chères, et une mauvaise façon de Stocker l’électricité Pour plus tard, à moins que le moteur thermique ne s’améliore beaucoup ou que la puissance de charge soit presque gratuite.

Les limites

• Théorique. La chaleur spécifique et la variation de température fixent l’énergie par tonne; l’équation de Carnot fixe combien peut devenir à nouveau de l’électricité. Aucun design intelligent n’échappe non plus.
• 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. Des températures plus élevées permettent de stocker davantage par tonne, mais nécessitent de l’acier, des briques réfractaires et une isolation qui coûtent plus cher et s’usent plus dur.
• Puissance versus énergie. Les chauffages et les échangeurs de chaleur (le côté puissance) sont généralement plus chers que le sable (le côté énergie). Un magasin chargé seulement en quelques heures bon marché a besoin de grands appareils de chauffage qui restent inactifs la plupart du temps.
• Cycles par an. Chaque euro d’équipement doit être remboursé par la chaleur qu’il transfère. Un magasin qui fait 200 cycles par an répartit son coût beaucoup plus finement qu’un magasin qui en fait 20. Polar Night dit que ses magasins fonctionnent mieux entre 20 et 200 cycles par an (Solarthermalworld, 2024).
• L’électricité bon marché doit exister. L’analyse de rentabilité repose sur de nombreuses heures de prix bas. Les réseaux avec beaucoup d’éolien et de solaire, comme ceux de Finlande, du Danemark et de Californie, en ont; les réseaux avec peu de puissance variable ne l’ont pas.

Projets réels, mesurés

Projet	Où, quand	Médium de stockage et température	Taille	Ce qui est rapporté
Pilote Polar Night Energy	Tampere, Finlande, depuis 2020	Sand	3 MWh	Premier pilote, géré par l’entreprise
Énergie de la nuit polaire pour Vatajankoski	Kankaanpää, Finlande, juillet 2022	100 t de sable de chantier dans un silo en acier de 4 × 7 m; chauffé jusqu’à environ 500 °C, utilisé à 150 à 400 °C	8 MWh	85% d’efficacité annuelle sur des cycles de trois jours; 95% ciblé pour les magasins supérieurs à 100 MWh (Solarthermalworld)
L’énergie de la nuit polaire pour Loviisan Lämpö	Pornainen, Finlande, 2025	2000 t de pierre à savon concassée, sous-produit de la fabrication des cheminées; jusqu’à 400 °C	100 MWh, 1 MW	70% d’émissions en moins pour le réseau, environ 160 t de CO2 par an, combustion des copeaux de bois réduite de 60%, fin de l’utilisation du pétrole (ESS News, 2025; Polar Night Energy)
Pilote Siemens Gamesa ETES	Hambourg-Altenwerder, Allemagne, 2019	Environ 1000 t de roche volcanique à 750 °C, turbine à vapeur pour retourner l’électricité	130 MWh de chaleur	Stockage de chaleur jusqu’à une semaine; visant les stocks gigawattheure (GWh)Siemens Gamesa, 2019)
Rondo Heat Batterie de chauffage	Plusieurs sites industriels; première pierre de Covestro, Brunsbüttel, Allemagne	Refractory brick at 1,100 to 1,500 °C	2 à plus de 100 MW de chaleur par unité	La société déclare un rendement de plus de 98 % en électricité-chauffage et plus de 400 MWh de projets annoncés (Rondo); non publié indépendamment
Antora Energy	Californie, États-Unis	Blocs de carbone solides, chauds et rougeoyants	À l ’ échelle industrielle	La chaleur, ou l’électricité par des cellules thermophotovoltaïques (Antora).La meilleure cellule thermophotovoltaïque de laboratoire a atteint un rendement de 40% (LaPotin et al., 2022)

Deux mises en garde à propos de ce tableau. Premièrement, la plupart des chiffres proviennent des entreprises ou de leurs clients et non d’une mesure indépendante. Deuxièmement, le Kankaanpää 85% est Récupération de chaleur par unité d ’ électricité en; personne dans le tableau n ’ a publié une année de voyages aller-retour d ’ électricité à l ’ électricité mesurés à l ’ échelle commerciale.

Les laboratoires de recherche poussent la température vers le haut. Le laboratoire national américain des énergies renouvelables a conçu un magasin qui chauffe les particules de sable de silice au-dessus de 1000 °C et les fait passer à travers un échangeur de chaleur pour alimenter un cycle d’alimentation (Ma, Davenport et Zhang, 2020). Malta, issu de la X d’Alphabet en 2018, poursuit une “batterie Carnot” qui stocke la chaleur dans du sel fondu et le froid dans un liquide réfrigéré pour soulever le voyage aller-retour. Ceux-ci sont plausibles, non prouvés à l’échelle.

Ce que ça coûte

Les batteries de chaleur ne produisent pas d’électricité, leur référence honnête n’est donc pas un panneau solaire mais La chaleur qu’ils remplacent. Notre référence à l’échelle du site pour la nouvelle électricité sur un bâtiment reste le solaire sur toit à environ 0,19 $ par kWh Dans notre espace ouvert Modèle de mur d’éventail, dans la gamme de Lazard pour juin 2026 pour les panneaux solaires sur toit $0.09 to $0,20 par kWh (Lazard LCOE+ 2026). Pour la chaleur, le concurrent est une chaudière à gaz.

Ce que coûte la chaleur au gaz. En utilisant des chiffres arrondis proches des niveaux européens en 2025 et 2026 (gaz de gros à 35 € par MWh, prix du carbone de 70 € par tonne, chaudière à rendement de 90%), la chaleur au gaz coûtera environ 5 à 6 cents d’euro par kWh avant le coût en capital de la chaudière. Un ménage sur le plafonnement des prix au Royaume-Uni paie 7,97 pence par kWh pour le gaz à partir d’octobre 2026 (Ofgem), environ 8,9 pence par kWh de chaleur.

Que coûte la chaleur stockée. Deux parties: l’électricité, divisée par le rendement, et l’équipement, divisé par la quantité de chaleur qu’il délivre sur sa durée de vie. L’électricité à 20 € par MWh (commun dans les heures nordiques venteuses) avec un rendement de 85% coûte environ 2,4 cents par kWh de chaleur. La partie équipement dépend du coût installé par kWh de capacité de stockage et du nombre de cycles complets par an. Ni Polar Night ni ses clients n’ont publié le prix de Pornainen, nous montrons donc la gamme au lieu d’inventer un chiffre (20 ans, taux d’escompte réel de 7%, 90% de capacité utilisée par cycle):

Coût installé par kWh de capacité	20 cycles par an	50 cycles par an	100 cycles par an	200 cycles par an
$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

Coût de l’équipement par kWh de chaleur livré, avant électricité. Notre calcul.

Contre le lithium-ion. Nombre moyen de batteries 115 $ par kWh en 2024, une baisse de 20% en un an (BloombergNEF, 2024), et une batterie de réseau complète coûte plus cher que son pack. Une batterie lithium-ion restitue environ 85 à 90% de son électricité sous forme d’électricité. Le sable lui-même ne coûte presque rien : à des dizaines de dollars la tonne et 50 kWh par tonne, le milieu est bien en dessous d’un dollar le kWh. Le silo, l’isolation, les chauffages et les échangeurs de chaleur sont le coût réel. Une batterie thermique n’a de sens que si son coût total installé par kWh est plusieurs fois inférieur à celui d’une batterie au lithium, car ce qu’elle rend en retour est de la chaleur, pas de l’électricité.

Où il peut gagner, et où il ne peut pas

Il peut gagner:

• Chauffage urbain dans les réseaux venteux ou ensoleillés. Les villes nordiques et baltes avec des réseaux de chaleur, de nombreuses heures bon marché et des chaudières à bois ou à gaz à remplacer. C’est là que chaque batterie de sable commerciale jusqu’à présent est allée.
• Industrial steam and process heat up to about 500 °C in food, drinks, paper and chemicals, where factories currently burn gas around the clock.
• Remplacement de l’huile et du bois Dans les petits réseaux, comme à Pornainen, où le magasin permet également d’économiser sur les livraisons de carburant et la pollution atmosphérique locale.
• Absorber l’énergie éolienne et solaire réduite qui serait autrement coupée, transformant un problème de réseau en un produit thermique.
• Accouplement avec de grandes pompes à chaleur: la pompe à chaleur couvre efficacement la plupart des heures, le magasin couvre les pics de prix.

Il ne peut pas gagner:

• Comme un magasin général d’électricité. Avec 25 à 40% de retour, elle perd mal face au lithium-ion pour les cycles quotidiens et à l’hydropompe où la géologie le permet.
• Dans les maisons individuelles, où les pertes de surface, la sécurité à des centaines de degrés et le coût des petits réchauffeurs travaillent contre elle. Un chauffe-eau ou une pompe à chaleur avec un réservoir tampon fera mieux le travail.
• Où l’électricité est rarement bon marché. Sans beaucoup d’heures à bas prix, le magasin n’a rien à acheter.
• Des températures très élevées à petite échelle. Au-dessus de 1000 °C, les matériaux, l’isolation et la sécurité deviennent un programme d’ingénierie sérieux, pas un silo.

Ce qui est prouvé, plausible et spéculatif

Éprouvé: le chauffage par résistance convertit l’électricité en chaleur presque parfaitement; E = m × c × ΔT et la limite de Carnot; les magasins commerciaux de sable fournissent du chauffage urbain en Finlande, avec un rendement annuel déclaré de 85% à 8 MWh; les pertes diminuent lorsque les magasins deviennent plus grands.

Plausible: 95% d’efficacité annuelle à 100 MWh et plus; magasins de briques industrielles fournissant de la vapeur de manière compétitive où le gaz est cher et l’électricité bon marché est fréquente; coûts installés de quelques dizaines de dollars par kWh de capacité.

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.

Questions de recherche ouvertes

• Données de performance indépendantes et publiées. Une année de chaleur mesurée à l’entrée et à la sortie, avec pertes, pour chaque conception commerciale.
• Le coût réel installé par kWh de capacité et par kW de puissance, à partir d’appels d’offres plutôt que de communiqués de presse.
• Échangeurs de chaleur qui déplacent rapidement la chaleur hors d’un solide à conductivité lente sans grandes chutes de température.
• Vieillissement des matériaux: frittage du sable, fissuration de la brique, fluage de l’acier et dépôt de l’isolation après des milliers de cycles.
• Meilleure conversion de la chaleur en énergie: cellules thermophotovoltaïques, turbines à CO2 supercritiques et “batteries Carnot” au cycle Brayton qui pourraient soulever le trajet aller-retour de l’électricité.
• Contrôle et marchés : comment un magasin devrait soumissionner pour l’électricité, et comment les tarifs et les redevances de réseau peuvent le récompenser pour avoir absorbé l’excédent d’électricité.

Ce dont un prototype fonctionnel aurait besoin

Quiconque veut tester une nouvelle idée de batterie thermique devrait commencer petit et tout mesurer. Un premier modèle utile fournit de la chaleur mesurée, pas une affirmation.

Phase	Travail	Décision qu’il permet	Coût brut	Temps
1. Essai sur banc	50 à 200 kg de matière stockée dans un fût en acier isolé, un chauffage de 2 à 5 kW, des thermocouples à plusieurs profondeurs, un échangeur thermique air ou eau, un compteur d’électricité et un compteur de chaleur	Énergie par kg, taux de charge et de décharge, perte de chaleur par jour, chaleur mesurée par kWh dans	$5k to $20k	2 à 4 mois
2. Cyclisme	100 ou plus de cycles de charge et de décharge, matériaux inspectés avant et après	Dérive de la durabilité et de l’efficacité	$10k to $30k	6 mois
3. Projet pilote	Unité de 0,5 à 2 MWh sur un utilisateur réel de chaleur (une serre, une école, un petit réseau), avec une année de données	Coût par kWh de chaleur en fonctionnement réel	$150k to $500k	12 à 18 mois

De qui nous avons besoin

• Ingénieurs en thermique Dans le transfert de chaleur, l’isolation et la conception d’échangeur de chaleur.
• Spécialistes des matériaux Pour sables, pierres, briques et céramiques à haute température sur des milliers de cycles.
• Opérateurs de chauffage urbain désireux de partager des données de charge ou d’accueillir un projet pilote.
• Analystes du marché de l’électricité pour modéliser les stratégies de recharge et les revenus.
• Gestionnaires d’énergie industrielle Qui savent où la vapeur de procédé est utilisée et ce qu’elle coûte.
• Spécialistes de la sécurité et de la certification Pour les équipements sous pression, le feu et les surfaces à haute température.

Vous avez une meilleure idée ?

Certains membres de la Fondation peuvent avoir des contacts qui pourraient entendre un pitch pour une idée énergétique forte. Pour être pitchée, une idée a besoin d’un Un modèle de travail, réel qui produit réellement l’énergie; pour une idée de stockage comme celle-ci, cela signifie un modèle qui restitue l’énergie stockée, avec sa chaleur ou son électricité mesurée sur un instrument, non réclamée. Les idées papier sont les bienvenues aussi : si la physique et les chiffres sont solides, nous pouvons les publier ici sur le site. Mais lever des capitaux sans un modèle fonctionnel est très difficile, et rien ici n’est une promesse de financement, de rendements ou d’introductions.

Si vous avez une idée, envoyez-la par le biais de Formulaire de contribution avec le problème qu’il résout, la vérification physique, un coût approximatif par kWh et le test le moins cher qui pourrait prouver qu’il a tort. Si vous avez un modèle de travail, incluez ses résultats mesurés et la façon dont vous les avez mesurés. La page sources d’énergie compare cette solution et les autres alternatives sur le radar des idées.

Sources

1. IEA (2019). Énergies renouvelables 2019: la chaleur représente environ la moitié de la consommation finale d’énergie.
2. Énergie de la nuit polaire (2025). référence de la batterie de sable de Pornainen et référence de Kankaanpää.
3. Solarthermalworld (2024). Les batteries de sable fournissent de la chaleur aux réseaux de chauffage urbain en Finlande.
4. Hall, M. (2025). La batterie de sable finlandaise de 100 MWh est opérationnelle. ESS News.
5. Siemens Gamesa (2019). Première mondiale : Siemens Gamesa met en service son système innovant de stockage d’énergie électrothermique (archivé).
6. Wikipedia. Stockage d’énergie thermique, y compris les figures de conception Sorø.
7. Rondo Energy. Rondo Heat Battery (revendications de l’entreprise).
8. Antora Energy. Batteries thermiques (informations sur l’entreprise).
9. LaPotin, A. et al. (2022). Efficacité thermophotovoltaïque de 40%. Nature 604, 287-291.
10. Ma, Z., Davenport, P. et Zhang, R. (2020). Analyse de conception d’un système de stockage d’énergie thermique à base de particules pour le stockage de l’énergie solaire concentrée ou du réseau. Journal de l’énergie et des systèmes 29, 101382.
11. BloombergNEF (2024). Les prix des batteries lithium-ion connaissent la plus forte baisse depuis 2017, tombant à 115 $ le kilowattheure.
12. Lazard (juin 2026). Coût d’énergie nivelé+, version 19.
13. Ofgem (2026). Taux unitaires du plafonnement des prix de l’énergie, 1er octobre au 31 décembre 2026.
14. Local Solar System Fondation. Le modèle ouvert Fan Wall: la référence solaire sur toit de 0,19 $ par kWh.