Pasir dan baterai panas

Pada hari-hari yang cerah dan berangin, banyak jaringan listrik di Eropa yang memiliki lebih banyak listrik daripada yang bisa digunakan, dan harga jatuh hampir ke nol atau bahkan di bawahnya. Beberapa jam kemudian jaringan yang sama membayar premi. Baterai panas adalah cara termudah untuk menangkap jam-jam murah: pemanas listrik memanaskan massa pasir, batuan atau bata yang hancur hingga mencapai ratusan derajat, insulasi tebal menjaga panas tetap berada di dalam, dan kipas atau pengganti panas mengeluarkannya ketika diperlukan, beberapa hari atau minggu kemudian.

Sekitar setengah dari penggunaan energi akhir di dunia adalah panas, bukan listrik (IEA, Renewables 2019). Sebagian besar masih berasal dari pembakaran gas, minyak, batubara atau kayu. Itu membuat ini hadiah besar, dan itulah mengapa halaman ini mengambil pandangan keras pada apa baterai panas bisa dan tidak bisa dilakukan. Versi singkatnya: disembunyikan sebagai panas dan digunakan sebagai panas, listrik kembali pada 85 hingga 95%; berubah kembali menjadi listrik, ia kembali pada 30 hingga 41% terbaik. Fakta tunggal itu memutuskan di mana teknologi menang.

Apa itu

Baterai panas, juga disebut baterai termal atau penyimpanan energi termal yang dielektrifikasi, menyimpan listrik sebagai panas dalam padatan murah. Perusahaan Finlandia Polar Night Energy menggunakan silo baja yang diisi dengan pasir pembangun atau batu sabun yang hancur dan menghubungkannya ke jaringan pemanas daerah. Rondo Energy di California memanaskan batu bata refractory hingga lebih dari 1.000 °C untuk membuat uap untuk pabrik. Antora Energy memanaskan blok karbon sampai mereka bersinar dan dapat mengembalikan panas atau, melalui panel khusus seperti sel surya, listrik. Siemens Gamesa menjalankan sebuah pilot di Hamburg yang menyimpan panas dalam batu vulkanik pada 750 ° C dan mengubahnya kembali menjadi listrik dengan turbin uap.

Ini semua ide yang sama dengan suhu yang berbeda dan pelanggan yang berbeda. Satu-satunya pertanyaan yang penting adalah: seberapa panas, berapa lama, seberapa murah, dan apa yang panas untuk.

Bagaimana cara kerjanya

Mengisi daya. Listrik berjalan melalui pemanas resistansi, prinsip yang sama seperti sebuah kettle atau pemanggang roti. Konversi ini pada dasarnya 100% efisien: setiap kilowatt-jam listrik menjadi satu kilowatt-jam panas. Silo Polar Night memanaskan udara dengan resistor dan meniupnya melalui pipa yang terkubur di pasir; pemanas Rondo memancarkan langsung ke bata.

Penyimpanan. Energi yang disimpan dalam padatan adalah E = m × c × ΔT: massanya, kali panas spesifiknya, kali gejolak suhu. Pasir kering dan sebagian besar batuan memiliki panas spesifik c sekitar 0,8 hingga 1,0 kJ per kg per derajat. Satu ton pasir dipanaskan dari 150 °C hingga 400 °C (sebuah getaran 250 derajat) sehingga menyimpan 1,000 kg × 0.8 kJ/kg·K × 250 K = 200 MJ, atau sekitar 56 kWh. Toko Pornainen bekerja pada 100 MWh dalam 2.000 ton, 50 kWh per ton, yang cocok. Air panas di tangki pemanas daerah, berputar antara 90 °C dan 50 °C, menyimpan sekitar 47 kWh per ton; pasir menang karena dapat berjalan jauh lebih panas tanpa wadah tekanan. Untuk perbandingan, sel baterai litium-ion memiliki sekitar 150 hingga 250 kWh listrik per ton.

Menyimpannya di dalam. Panas keluar melalui permukaan, dengan laju Q = U × A × ΔT, dimana U mengukur seberapa baik insulasinya, A adalah luas permukaan dan ΔT perbedaan suhu ke luar. Energi yang disimpan tumbuh dengan volume (ukuran kubus) dan kerugian dengan permukaan (kubik), sehingga toko-toko yang lebih besar kehilangan fraksi yang lebih kecil. Perkiraan kasar kami untuk silo ukuran Pornainen (lebar 15 m dan tinggi 13 m, sekitar 970 m² permukaan) dengan insulasi yang memungkinkan melalui 0,1 W per m² per derajat dan perbedaan 300 derajat: sekitar 29 kW, atau 0,7% dari toko penuh per hari. Sebuah toko kecil sebesar gudang kebun akan kehilangan beberapa kali fraksi itu, itulah mengapa baterai pasir dibangun untuk kota dan pabrik, bukan untuk rumah tunggal.

Mengeluarkan. Untuk panas, kipas meniup udara melalui pasir panas dan pengganti panas mengalirkan panas ke air untuk jaringan. Tidak ada yang eksotis tentang ini. Untuk listrik, panas harus menggerakkan mesin, dan di sini fisika menetapkan batas yang keras. Efisiensi Carnot, yang terbaik mesin panas apapun dapat melakukannya, adalah η = 1 − T_cold / T_hot, dengan suhu dalam kelvin. Panas pada 400 °C (673 K) yang ditolak pada 30 °C (303 K) memberikan 1 − 303/673 = 55%. Pada 750 °C, plafonnya adalah 70%. Turbin uap nyata, pompa dan pengganti panas mencapai kira-kira setengah angka Carnot, jadi sebuah toko kembali sesuatu seperti 25 sampai 40% dari listrik yang dibeli. Sebuah desain yang dipublikasikan untuk toko batu di Sorø, Denmark, diperkirakan 30 hingga 41% kembali sebagai listrik atau 41 sampai 58% sebagai panas (Wikipedia, Thermal energy storage).

Kesimpulan praktis: baterai panas adalah cara yang sangat baik untuk beli panas dari jaringan listrik pada jam termurah, dan cara yang buruk untuk menyimpan listrik untuk kemudian, kecuali mesin panas menjadi jauh lebih baik atau daya pengisian hampir gratis.

Batas-batasnya

• Teoretis. Panas spesifik dan gejolak suhu memperbaiki energi per ton; persamaan Carnot memperbaiki berapa banyak yang dapat menjadi listrik lagi. Tidak ada desain cerdas yang bisa lolos.
• Suhu sesuai dengan penggunaannya. Pemanasan daerah membutuhkan 60 hingga 120 °C, pabrik makanan dan kertas memerlukan uap pada 150 hingga 250 °C, bahan kimia dan semen membutuhkan 400 hingga 1.500 °C. Suhu yang lebih tinggi menyimpan lebih banyak per ton tetapi membutuhkan baja, bata tahan api dan insulasi yang lebih mahal dan lebih keras.
• Kekuatan versus energi. Pemanasan dan penukar panas (sisi daya) biasanya lebih mahal daripada pasir (sisi energi). Toko yang hanya diisi dalam beberapa jam murah membutuhkan pemanas besar yang duduk diam sebagian besar waktu.
• Siklus per tahun. Setiap euro peralatan harus dibayar kembali oleh panas yang dipindahkan. Toko yang melakukan siklus 200 kali per tahun menyebar biayanya jauh lebih tipis daripada toko yang melakukan siklus 20 kali. Polar Night mengatakan bahwa toko-tokonya bekerja paling baik antara 20 dan 200 siklus per tahun (Solarthermalworld, 2024).
• Liter listrik murah harus ada. Kasus bisnis bergantung pada banyak jam harga rendah. Jaringan dengan banyak tenaga angin dan surya, seperti di Finlandia, Denmark, dan California, memilikinya; namun jaringan dengan sedikit daya variabel tidak.

Proyek nyata, diukur

Proyek	Dimana, kapan	Media penyimpanan dan suhu	Ukuran	Apa yang dilaporkan
Pilot Energi Malam Polar	Tampere, Finlandia, 2020	Pasir	3 MWh	Pilot pertama, dijalankan oleh perusahaan
Energi Malam Kutub untuk Vatajankoski	Kankaanpää, Finlandia, Juli 2022	100 t pasir pembangun dalam silo baja 4 × 7 m; dipanaskan hingga sekitar 500 °C, dioperasikan pada 150 sampai 400 °C	8 MWh	85% efisiensi tahunan pada siklus tiga hari; 95% ditargetkan untuk toko di atas 100 MWh (Solarthermalworld)
Energi malam kutub untuk Loviisan Lämpö	Pornainen, Finlandia, 2025	2.000 ton batu sabun yang dihancurkan, produk sampingan dari pembuatan perapian; hingga 400 °C	100 MWh, 1 MW	70% emisi yang lebih rendah untuk jaringan, sekitar 160 t CO2 per tahun, kayu bakar membakar 60%, penggunaan minyak berakhir (ESS News, 2025; Polar Night Energy)
Siemens Gamesa ETES pilot	Hamburg-Altenwerder, Jerman, 2019	Sekitar 1.000 ton batu vulkanik pada 750 ° C, turbin uap untuk kembali listrik	130 MWh panas	Panas disimpan selama hingga satu minggu; ditargetkan untuk toko gigawatt-jam (Siemens Gamesa, 2019)
Rondo Heat Battery	Beberapa situs industri; pendirian di Covestro, Brunsbüttel, Jerman	Batu bata tahan api pada 1.100 hingga 1.500 °C	2 hingga lebih dari 100 MW panas per unit	Perusahaan menyatakan lebih dari 98% efisiensi listrik-ke-panas dan lebih dari 400 MWh proyek yang diumumkan (Rondo); tidak diterbitkan secara independen
Energi Antora	California, Amerika Serikat	Blok karbon padat, panas bersinar	Skala industri	Panas, atau listrik melalui sel termofotovoltaik (Antora). Sel termofotovoltaik laboratorium terbaik telah mencapai efisiensi 40% (LaPotin et al., 2022)

Dua peringatan tentang meja ini. Pertama, sebagian besar angka berasal dari perusahaan atau pelanggan mereka, bukan dari pengukuran independen. Kedua, Kankaanpää 85% adalah heat back per unit listrik dalam; tidak ada orang di tabel yang telah menerbitkan perjalanan pulang-pergi listrik-ke-listrik tahunan yang diukur pada skala komersial.

Laboratorium penelitian sedang meningkatkan suhu. Laboratorium Energi Terbarukan Nasional AS telah merancang sebuah toko yang memanaskan partikel pasir silika di atas 1.000 °C dan menjatuhkan mereka melalui pengganti panas untuk menggerakkan siklus daya (Ma, Davenport and Zhang, 2020). Malta, yang dihasilkan dari X Alphabet pada tahun 2018, mengejar “baterai Carnot” yang menyimpan panas dalam garam cair dan dingin dalam cairan dingin untuk mengangkat perjalanan pulang-pergi. Ini adalah masuk akal, tidak terbukti dalam skala.

Berapa harganya

Baterai panas tidak membuat listrik, jadi benchmark jujur mereka bukan panel surya tetapi panas yang mereka ganti. Benchmark seluruh situs kami untuk listrik baru di sebuah gedung tetap menjadi surya atap sekitar $ 0,19 per kWh dalam model terbuka kami Fan Wall, di dalam rentang Lazard Juni 2026 untuk surya atap komersial dari $0.09 to $0,20 per kWh (Lazard LCOE+ 2026). Untuk pemanasan, pesaingnya adalah boiler gas.

Apa biaya pemanasan gas. Dengan menggunakan angka bulat yang dekat dengan tingkat Eropa pada tahun 2025 dan 2026 (gas grosir seharga €35 per MWh, harga karbon sebesar €70 per ton, boiler yang efisien 90%), panas dari gas akan menelan biaya sekitar 5 sampai 6 euro sen per kWh sebelum biaya modal boiler sendiri. Sebuah rumah tangga di harga UK membayar 7,97 pence per kWh untuk gas dari Oktober 2026 (Ofgem), sekitar 8,9 pence per kWh panas.

Berapa biaya penyimpanan panas. Dua bagian: listrik, dibagi dengan efisiensi, dan peralatan, dibagi dengan berapa banyak panas yang dihasilkan selama hidupnya. Listrik seharga €20 per MWh (biasanya di waktu angin Nordik) dengan efisiensi 85% membutuhkan biaya sekitar 2,4 sen per kWh panas. Bagian peralatan tergantung pada biaya yang diinstal per kWh kapasitas penyimpanan dan jumlah siklus penuh per tahun. Baik Polar Night maupun pelanggannya belum mempublikasikan harga Pornainen, jadi kami menunjukkan rentang daripada menciptakan angka (20 tahun, 7% diskon real rate, 90% kapasitas yang digunakan per siklus):

Biaya terpasang per kWh kapasitas	20 siklus per tahun	50 siklus per tahun	100 siklus per tahun	200 siklus per tahun
$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

*Kost peralatan per kWh panas yang dihasilkan, sebelum listrik. Perhitungan kami.

Tentang ion litium. Paket baterai rata-rata $ 115 per kWh pada tahun 2024, penurunan 20% dalam setahun (BloombergNEF, 2024), dan baterai grid lengkap lebih mahal dari paketnya. Baterai litium-ion mengembalikan sekitar 85 hingga 90% listriknya sebagai listrik. Pasir itu sendiri tidak memiliki biaya sama sekali: dengan harga puluhan dolar per ton dan 50 kWh per ton, media ini hanya membutuhkan kurang dari satu dollar per kWh. Silo, insulasi, pemanas dan pengganti panas adalah biaya yang sebenarnya. Baterai panas hanya masuk akal jika seluruh biayanya per kWh beberapa kali lebih rendah daripada baterai litium, karena apa yang diberikan kembali adalah panas, bukan listrik.

Di mana ia bisa menang, dan di mana ia tidak dapat

Ia bisa menang:

• Panas daerah di grid yang berangin atau bersinar matahari. Kota-kota Nordik dan Baltik dengan jaringan pemanasan, banyak jam murah dan boiler kayu atau gas untuk digantikan. Ini adalah di mana setiap baterai pasir komersial sejauh ini telah pergi.
• Uap industri dan panas proses hingga sekitar 500 °C di makanan, minuman, kertas dan bahan kimia, dimana pabrik saat ini membakar gas sepanjang waktu.
• Mengganti minyak dan kayu di jaringan kecil, seperti di Pornainen, dimana toko juga menghemat pengiriman bahan bakar dan polusi udara lokal.
• Mengambil angin dan surya yang terputus yang jika tidak akan dimatikan, mengubah masalah jaringan menjadi produk panas.
• Pairing dengan pompa panas besar: pompa panas mencakup sebagian besar jam secara efisien, toko mencakup puncak harga.

Ia tidak bisa menang:

• Sebagai toko listrik umum. Dengan 25 sampai 40% kembali, itu kehilangan buruk untuk litium-ion untuk siklus sehari-hari dan hidro di pompa di mana geologi memungkinkan.
• Di rumah tunggal, di mana kerugian permukaan, keamanan pada ratusan derajat dan biaya pemanas kecil bekerja melawannya. Silinder air panas atau pompa panas dengan tangki buffer melakukan pekerjaan yang lebih baik.
• Dimana listrik jarang murah. Tanpa banyak jam harga rendah toko tidak punya apa-apa untuk dibeli.
• Suhu yang sangat tinggi pada skala kecil. Di atas 1.000 °C, bahan, insulasi dan keamanan menjadi program teknik yang serius, bukan silo.

Apa yang terbukti, masuk akal dan spekulatif

Dibuktikan: pemanasan resistansi mengubah listrik menjadi panas hampir sempurna; E = m × c × ΔT dan batas Carnot; toko pasir komersial menyediakan pemanas daerah di Finlandia, dengan 85% efisiensi tahunan yang dilaporkan pada 8 MWh; kerugian menurun seiring dengan bertambahnya ukuran toko.

Plausible: Efisiensi tahunan 95% pada 100 MWh dan di atasnya; toko bata industri yang memasok uap secara kompetitif di mana gas mahal dan listrik murah sering terjadi; biaya instalasi beberapa puluh dolar per kWh kapasitas.

Spekulasi: listrik-ke-listrik perjalanan berputar di atas 50% dalam skala komersial (dengan termofotovoltaik atau siklus daya canggih); puluhan tahun berkendara pada lebih dari 1.000 ° C tanpa perbaikan mahal; pemanas baterai sebagai alternatif yang lebih murah untuk litium-ion untuk listrik jaringan.

Pertanyaan penelitian terbuka

• Data kinerja independen yang dipublikasikan. Setahun pemanasan diukur masuk dan keluar, dengan kerugian, untuk setiap desain komersial.
• Kost yang sebenarnya per kWh kapasitas dan per kW daya, dari tender ketimbang pers.
• Pemindah panas yang memindahkan panas dengan cepat dari padatan konduktif lambat tanpa penurunan suhu besar.
• Penuaan bahan: sintering pasir, retakan bata, creep baja dan insulasi menetap setelah ribuan siklus.
• Heat-to-power yang lebih baik: sel termofotovoltaik, turbin CO2 superkritis dan “baterai Carnot” siklus Brayton yang dapat mengangkat perjalanan listrik.
• Kendali dan pasar: bagaimana toko harus menawar untuk listrik, dan bagaimana tarif dan biaya jaringan dapat memberinya penghargaan untuk menyerap tenaga surplus.

Apa yang diperlukan untuk membuat prototipe

Siapapun yang ingin menguji ide baterai panas baru harus mulai kecil dan mengukur semuanya. Model pertama yang berguna memberikan panas yang diukur, bukan klaim.

Fase	Bekerja	Keputusan yang memungkinkan	Biaya kasar	Waktu
1. Bench test	50 sampai 200 kg bahan penyimpanan dalam drum baja terisolasi, pemanas 2 hingga 5 kW, termokopel pada beberapa kedalaman, udara atau air pengganti panas, meter listrik dan meter panas	Energi per kg, tingkat pengisian dan pengisian, kehilangan panas per hari, diukur panas keluar per kWh dalam	$5k to $20k	2 sampai 4 bulan
2. Cycling	100 atau lebih siklus pengisian dan pembuangan, bahan diperiksa sebelum dan sesudahnya	Ketahanan dan efisiensi drift	$10k to $30k	6 bulan
3. Pilot	0,5 hingga 2 MWh unit pada pengguna panas nyata (rumah kaca, sekolah, jaringan kecil), dengan satu tahun data	Biaya per kWh panas dalam operasi nyata	$150k to $500k	12 sampai 18 bulan

Siapa yang kita butuhkan

• Insinyur termal dalam transfer panas, insulasi dan desain exchanger panas.
• Ilmuwan bahan untuk pasir, batu, bata dan keramik pada suhu tinggi selama ribuan siklus.
• Operator pemanas daerah bersedia untuk berbagi data muatan atau host pilot.
• Analis pasar tenaga listrik untuk memodelkan strategi dan pendapatan.
• Manajer energi industri yang tahu di mana proses uap digunakan dan berapa biayanya.
• Spesialis keamanan dan sertifikasi untuk peralatan tekanan, api dan permukaan suhu tinggi.

Kau punya ide yang lebih baik?

Beberapa anggota Yayasan mungkin memiliki kontak yang bisa mendengarkan ide energi yang kuat. Untuk diluncurkan, sebuah ide membutuhkan bekerja, model kehidupan nyata yang sebenarnya menghasilkan daya; untuk ide penyimpanan seperti ini, itu berarti model yang memberikan energi tersimpan kembali, dengan panas atau listrik diukur pada instrumen, tidak diklaim. Ide-ide kertas juga disambut: jika fisika dan angkanya kuat, kami bisa menerbitkannya di sini di situs web. Namun, mengumpulkan modal tanpa model yang bekerja sangat sulit, dan tidak ada jaminan pendanaan, keuntungan atau pengenalan.

Jika Anda memiliki ide, kirimkan melalui formula kontribusi dengan masalah yang diselesaikan, periksa fisika, biaya kasar per kWh, dan tes termurah yang dapat membuktikan bahwa itu salah. Jika Anda memiliki model kerja, masukkan keluaran yang diukur dan bagaimana Anda mengukurnya. Halaman sumber energi membandingkan ini dan alternatif lainnya pada radar ide.

Sumber

1. (2019) (dalam bahasa Inggris). Energi Terbarukan 2019: pemanasan adalah sekitar setengah dari konsumsi energi akhir.
2. Energi Polar Malam (2025). Referensi baterai pasir Pornainen dan Referensi Kankaanpää.
3. Solarthermalworld (2024). Baterai pasir menyediakan panas untuk jaringan pemanas daerah di Finlandia.
4. Dalam Hall, M. (2025). Finnish 100 MWh sand battery is operational. ESS News (dalam bahasa Inggris).
5. (Inggris) ^ Gavin, Simon (2019). Pertama di dunia: Siemens Gamesa mulai operasi dari inovatifnya sistem penyimpanan energi elektrotermal (Arsip).
6. Wikipedia. Penyimpanan energi termal, termasuk Sorø desain angka.
7. Rondo Energy. Rondo Heat Battery (klaim perusahaan).
8. Antora Energy. Baterai termal (informasi perusahaan).
9. (Inggris) LaPotin, A. et al. (2022). Efisiensi termofotovoltaik 40%. Nature 604, 287-291.
10. Ma, Z., Davenport, P. dan Zhang, R. (2020). Analisis desain dari sistem penyimpanan energi termal berbasis partikel untuk mengonsentrasikan tenaga surya atau penyimpanan energi grid. Jurnal Penyimpanan Energi 29, 101382.
11. BloombergNEF (2024). Harga paket baterai ion litium mengalami penurunan terbesar sejak 2017, turun menjadi $115 per kilowatt-jam.
12. Lazard (Juni 2026). Levelized Cost of Energy+, versi 19.
13. Ofgem (2026). Harga satuan harga energi, 1 Oktober hingga 31 Desember 2026.
14. Local Solar System Yayasan. Model terbuka Fan Wall: benchmark surya atap sebesar $0.19 per kWh.