Batterie di sabbia e calore

Nei giorni di sole e vento, molte reti europee hanno ora più elettricità di quanta ne possano utilizzare, e il prezzo scende vicino allo zero o addirittura al di sotto. Poche ore dopo la stessa griglia paga un premio. Una batteria di calore è il modo più semplice per catturare le ore economiche: un riscaldatore elettrico riscalda una grande massa di sabbia, pietra frantumata o mattoni a centinaia di gradi, uno spesso isolamento trattiene il calore e un ventilatore o uno scambiatore di calore lo porta fuori quando è necessario, giorni o settimane dopo.

Circa la metà dell’uso finale di energia nel mondo è calore, non elettricità (IEA, Renewables 2019). La maggior parte di essa proviene ancora dalla combustione di gas, petrolio, carbone o legna. Questo rende questo un grande premio, ed è per questo che questa pagina dà uno sguardo duro a ciò che le batterie di calore possono e non possono fare. La versione breve: immagazzinata come calore e utilizzata come calore, l’elettricità viene restituita all’85-95%; riconvertita in elettricità, ritorna al 30-41% nel migliore dei casi. Questo singolo fatto decide dove la tecnologia vince.

Che cos’è

Una batteria di calore, chiamata anche batteria termica o accumulo di energia termica elettrificata, immagazzina elettricità come calore in un solido economico. L’azienda finlandese Polar Night Energy utilizza un silo in acciaio riempito con sabbia da costruzione o pietra ollare frantumata e lo collega a una rete di teleriscaldamento. Rondo Energy in California riscalda mattoni refrattari a più di 1.000 °C per produrre vapore per le fabbriche. Antora Energy riscalda blocchi di carbonio fino a quando non si illuminano e possono restituire calore o, attraverso speciali pannelli simili a celle solari, elettricità. Siemens Gamesa ha realizzato un progetto pilota ad Amburgo che immagazzinava il calore nella roccia vulcanica a 750 °C e lo trasformava nuovamente in elettricità con una turbina a vapore.

Questi sono tutti la stessa idea con temperature diverse e clienti diversi. Le uniche domande che contano sono: quanto caldo, per quanto tempo, a quale costo e a cosa serve il calore.

Ecco come funziona

Ricarica. L’elettricità passa attraverso resistenze, lo stesso principio di un bollitore o di un tostapane. Questa conversione è essenzialmente efficiente al 100%: ogni kilowatt-ora di elettricità diventa un kilowatt-ora di calore. I silos di Polar Night riscaldano l’aria con resistenze e la soffiano attraverso tubi sepolti nella sabbia; i riscaldatori di Rondo irradiano direttamente sui mattoni.

Immagazzinare. L’energia immagazzinata in un solido è E = m × c × ΔT: la sua massa, il suo calore specifico, le oscillazioni di temperatura. La sabbia secca e la maggior parte delle rocce hanno un calore specifico c di circa 0,8 a 1,0 kJ per kg per grado. Una tonnellata di sabbia riscaldata da 150 °C a 400 °C (un’oscillazione di 250 gradi) contiene quindi 1,000 kg × 0.8 kJ/kg·K × 250 K = 200 MJ, o circa 56 kWh. Il negozio di Pornainen produce 100 MWh in 2.000 tonnellate, 50 kWh per tonnellata, che corrisponde. L’acqua calda in un serbatoio di teleriscaldamento, che oscilla tra 90 °C e 50 °C, contiene circa 47 kWh per tonnellata; la sabbia vince perché può funzionare molto più caldo senza un recipiente a pressione. Per confronto, le celle delle batterie agli ioni di litio contengono circa 150-250 kWh di elettricità per tonnellata.

Mantenere il calore all’interno. Il calore fuoriesce dalla superficie, ad una velocità Q = U × A × ΔT, dove U misura la qualità dell’isolamento, A è l’area superficiale e ΔT la differenza di temperatura rispetto all’esterno. L’energia immagazzinata cresce con il volume (il cubo della dimensione) e le perdite con la superficie (il quadrato), quindi I negozi più grandi perdono una frazione minore. La nostra stima approssimativa per un silo delle dimensioni di Pornainen (15 m di larghezza e 13 m di altezza, circa 970 m² di superficie) con isolamento che lascia passare 0,1 W per m² per grado e una differenza di 300 gradi: circa 29 kW, o lo 0,7% di un magazzino pieno al giorno. Un piccolo negozio delle dimensioni di un capannone da giardino perderà diverse volte quella frazione, motivo per cui le batterie a sabbia sono costruite per città e fabbriche, non per case singole.

Scarica. Per il calore, un ventilatore soffia aria attraverso la sabbia calda e uno scambiatore di calore passa il calore all’acqua per la rete. Non c’è niente di esotico in tutto questo. Per l’elettricità, il calore deve azionare un motore e qui la fisica pone un limite rigido. L’efficienza di Carnot, la migliore che un motore termico possa mai raggiungere, è η = 1 − T_cold / T_hot, con temperature in kelvin. Calore a 400 °C (673 K) respinto a 30 °C (303 K) dà 1 − 303/673 = 55%. A 750 °C il tetto è del 70%. Le turbine a vapore, le pompe e gli scambiatori di calore reali raggiungono circa la metà della cifra di Carnot, quindi un negozio restituisce qualcosa come il 25-40% dell’elettricità che ha acquistato. Un progetto pubblicato per un deposito di pietra a Sorø, in Danimarca, prevedeva il 30-41% come elettricità o dal 41 al 58% come calore (Wikipedia, Accumulo di energia termica).

La conclusione pratica: una batteria di calore è un ottimo modo per acquistare calore dalla rete elettrica nelle ore più economiche, e un cattivo modo per immagazzinare energia elettrica per il futuro, a meno che il motore termico non migliori molto o la potenza di ricarica sia quasi gratuita.

I limiti del gioco

• In teoria. Il calore specifico e l’oscillazione della temperatura fissano l’energia per tonnellata; l’equazione di Carnot fissa quanto può mai diventare nuovamente elettricità. Nessun design intelligente sfugge neanche.
• La temperatura corrisponde all’uso. Il teleriscaldamento ha bisogno di 60-120 °C, le fabbriche alimentari e cartarie hanno bisogno di vapore a 150-250 °C, i prodotti chimici e il cemento hanno bisogno di 400-1.500 °C. Le temperature più elevate immagazzinano di più per tonnellata, ma richiedono acciaio, mattoni refrattari e isolamento che costano di più e si usurano più duramente.
• Potenza contro energia. I riscaldatori e gli scambiatori di calore (il lato della potenza) sono solitamente più costosi della sabbia (il lato dell’energia). Un negozio caricato solo in poche ore a buon mercato ha bisogno di grandi riscaldatori che si siedono inattivi la maggior parte del tempo.
• Cicli all’anno. Ogni euro di attrezzatura deve essere ripagato dal calore che sposta. Un negozio che fa 200 cicli all’anno distribuisce i costi in modo molto più sottile rispetto a uno che ne fa 20. Polar Night afferma che i suoi depositi funzionano meglio tra i 20 e i 200 cicli all’anno (Solarthermalworld, 2024).
• L’elettricità a buon mercato deve esistere. Il business case si basa su molte ore di prezzi bassi. Le reti con un sacco di energia eolica e solare, come quelle della Finlandia, della Danimarca e della California, le hanno; le reti con poca potenza variabile non ne hanno.

Progetti reali, misurati

Progetto	Dove, quando e come	Mezzo di stoccaggio e temperatura	Dimensione	Cosa viene segnalato
Pilota Polar Night Energy	Tampere, Finlandia, 2020	Sabbia	3 MWh	Primo pilota, gestito dall’azienda
Energia della notte polare per Vatajankoski	Kankaanpää, Finlandia, luglio 2022	100 t di sabbia da costruzione in un silo d’acciaio di 4 × 7 m; riscaldato fino a circa 500 °C, funzionante tra 150 e 400 °C	8 MWh	85% di efficienza annuale su cicli di tre giorni; 95% mirato per i depositi superiori a 100 MWh (Solarthermalworld)
Energia della notte polare per Loviisan Lämpö	Pornainen, Finlandia, 2025	2.000 t di pietra ollare frantumata, sottoprodotto della produzione dei camini; fino a 400 °C	100 MWh, 1 MW	Emissioni ridotte del 70% per la rete, circa 160 t di CO2 all’anno, bruciatura del cippato ridotta del 60%, uso di petrolio terminato (ESS News, 2025; Polar Night Energy)
Siemens Gamesa ETES pilota	Amburgo-Altenwerder, Germania, 2019	Circa 1.000 t di roccia vulcanica a 750 °C, turbina a vapore per restituire elettricità	130 MWh di calore	Calore immagazzinato fino a una settimana; mirato agli accumulatori di gigawatt-ora (Siemens Gamesa, 2019)
Rondo Heat Batteria di Ricarica	Diversi siti industriali; inaugurazione di Covestro, Brunsbüttel, Germania	Mattoni refrattari da 1.100 a 1.500 °C	Da 2 a oltre 100 MW di calore per unità	La società dichiara un’efficienza elettrica-termica superiore al 98% e oltre 400 MWh di progetti annunciati (Rondo); non pubblicato in modo indipendente
Antora Energy	California, Stati Uniti	Blocchi di carbonio solido, incandescente caldo	Scala industriale	Calore o elettricità attraverso celle termofotovoltaiche (Antora). La migliore cella termofotovoltaica da laboratorio ha raggiunto il 40% di efficienza (LaPotin et al., 2022)

Due avvertenze su questo tavolo. Innanzitutto, la maggior parte dei dati proviene dalle aziende o dai loro clienti, non da misurazioni indipendenti. In secondo luogo, l’85% di Kankaanpää è riscaldamento per unità di elettricità in; nessuno nella tabella ha pubblicato un anno di viaggi di andata e ritorno elettricità-elettricità misurati su scala commerciale.

I laboratori di ricerca stanno spingendo la temperatura verso l’alto. Il National Renewable Energy Laboratory degli Stati Uniti ha progettato un deposito che riscalda le particelle di sabbia silicea a oltre 1.000 °C e le fa cadere attraverso uno scambiatore di calore per guidare un ciclo energetico (Ma, Davenport e Zhang, 2020). Malta, spin-out di Alphabet’s X nel 2018, persegue una “batteria Carnot” che immagazzina calore in sale fuso e freddo in un liquido refrigerato per sollevare il viaggio di andata e ritorno. Questi sono plausibili, non provati su scala.

Quanto costa

Le batterie di calore non producono elettricità, quindi il loro benchmark onesto non è un pannello solare ma il calore che sostituiscono. Il nostro benchmark a livello di sito per la nuova elettricità su un edificio rimane il solare sul tetto a circa $ 0,19 per kWh nel nostro modello aperto Fan Wall, all’interno della gamma di Lazard del giugno 2026 per il solare commerciale sul tetto di $0.09 to $0,20 per kWh (Lazard LCOE + 2026). Per il calore, il concorrente è una caldaia a gas.

Che cosa costa il calore del gas. Usando numeri arrotondati vicini ai livelli europei nel 2025 e 2026 (gas all’ingrosso a €35 per MWh, un prezzo del carbonio di €70 per tonnellata, una caldaia efficiente al 90%), il calore da gas costa circa Da 5 a 6 centesimi di euro per kWh prima del costo di capitale della caldaia. Una famiglia sul tetto del prezzo UK paga 7,97 pence per kWh per il gas da ottobre 2026 (Salvataggio), circa 8,9 pence per kWh di calore.

Quanto costa il calore accumulato. Due parti: l’elettricità, divisa per l’efficienza, e l’apparecchiatura, divisa per quanto calore fornisce nel corso della sua vita. L’elettricità a 20 euro per MWh (comune nelle ore ventose del Nord) con un’efficienza dell’85% costa circa 2,4 centesimi per kWh di calore. La parte dell’apparecchiatura dipende dal costo installato per kWh di capacità di stoccaggio e dal numero di cicli completi all’anno. Né Polar Night né i suoi clienti hanno pubblicato il prezzo di Pornainen, quindi mostriamo la gamma invece di inventare un numero (20 anni, tasso di sconto reale del 7%, 90% della capacità utilizzata per ciclo):

Costo installato per kWh di capacità	20 cicli all’anno	50 cicli all’anno	100 cicli all’anno	200 cicli all’anno
$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

Costo dell’apparecchiatura per kWh di calore erogato, prima dell’elettricità. Il nostro calcolo.

Contro gli ioni di litio. Pacchetti di batterie mediati $115 per kWh Nel 2024, un calo del 20% in un anno (BloombergNEF, 2024), e una batteria di rete completa costa più del suo pacchetto. Una batteria agli ioni di litio restituisce circa l’85-90% della sua elettricità come elettricità. La sabbia stessa costa quasi nulla: a decine di dollari per tonnellata e 50 kWh per tonnellata, il mezzo è ben al di sotto di un dollaro per kWh. Il silo, l’isolamento, i riscaldatori e gli scambiatori di calore sono il costo reale. Una batteria termica ha senso solo se il suo costo totale installato per kWh è diverse volte inferiore a quello di una batteria al litio, perché ciò che restituisce è calore, non elettricità.

Dove può vincere e dove non può

Si può vincere:

• Teleriscaldamento in reti ventose o soleggiate. Città nordiche e baltiche con reti di riscaldamento, molte ore a buon mercato e caldaie a legna o gas da sostituire. Questo è dove ogni batteria di sabbia commerciale finora è andato.
• Industrial steam and process heat up to about 500 °C in food, drinks, paper and chemicals, where factories currently burn gas around the clock.
• Sostituzione di olio e legno Nelle piccole reti, come a Pornainen, dove il negozio risparmia anche le consegne di carburante e l’inquinamento atmosferico locale.
• Assorbire il vento e il solare ridotti che altrimenti sarebbero spenti, trasformando un problema di rete in un prodotto di calore.
• Accoppiamento con grandi pompe di calore: la pompa di calore copre la maggior parte delle ore in modo efficiente, il negozio copre i picchi di prezzo.

Non può vincere:

• Come accumulatore di energia elettrica generale. Con il 25-40% indietro, perde male agli ioni di litio per i cicli giornalieri e all’idrogeno pompato dove la geologia lo consente.
• In case singole, dove le perdite superficiali, la sicurezza a centinaia di gradi e il costo dei piccoli riscaldatori lavorano contro. Un serbatoio di acqua calda o una pompa di calore con un serbatoio tampone fa il lavoro meglio.
• Dove l’elettricità è raramente a buon mercato. Senza molte ore di prezzo basso il negozio non ha nulla da comprare.
• Temperature molto elevate su piccola scala. Sopra i 1.000 °C, materiali, isolamento e sicurezza diventano un serio programma di ingegneria, non un silo.

Ciò che è provato, plausibile e speculativo

Provato: il riscaldamento a resistenza converte l’elettricità in calore quasi perfettamente; E = m × c × ΔT e il limite di Carnot; i magazzini commerciali di sabbia forniscono teleriscaldamento in Finlandia, con un’efficienza annuale dell’85% a 8 MWh; le perdite diminuiscono man mano che i negozi diventano più grandi.

Plausibile: 95% di efficienza annuale a 100 MWh e oltre; magazzini industriali in mattoni che forniscono vapore in modo competitivo dove il gas è costoso e l’energia a buon mercato è frequente; costi installati di poche decine di dollari per kWh di capacità.

Speculativo: Cicli di ritorno elettricità-elettricità superiori al 50% su scala commerciale (da termofotovoltaici o cicli di potenza avanzati); decenni di cicli a oltre 1.000 °C senza costose riparazioni; batterie termiche come alternativa più economica agli ioni di litio per l’elettricità di rete.

Domande di ricerca aperte

• Dati indipendenti e pubblicati sulle prestazioni. Un anno di calore misurato in entrata e in uscita, con perdite, per ogni progetto commerciale.
• Il costo reale installato per kWh di capacità e per kW di potenza, da gare d’appalto piuttosto che da comunicati stampa.
• Scambiatori di calore che spostano rapidamente il calore da un solido a conduzione lenta senza grandi cadute di temperatura.
• Invecchiamento dei materiali: sinterizzazione della sabbia, incrinamento del mattone, creep dell’acciaio e sistemazione dell’isolamento dopo migliaia di cicli.
• Migliore calore-per-energia: celle termofotovoltaiche, turbine supercritiche di CO2 e “batterie di Carnot” a ciclo Brayton che potrebbero sollevare l’elettricità andata e ritorno.
• Controllo e mercati: come un negozio dovrebbe fare offerte per l’elettricità, e come le tariffe e i canoni di rete possono premiarlo per assorbire l’energia in eccesso.

Di cosa avrebbe bisogno un prototipo funzionante

Chiunque voglia testare una nuova idea di batteria termica dovrebbe iniziare in piccolo e misurare tutto. Un primo modello utile fornisce calore misurato, non una pretesa.

Fase	Lavoro	La decisione che permette	Costo approssimativo	Tempo
1. prova del banco	Da 50 a 200 kg di materiale in un fusto d’acciaio isolato, un riscaldatore da 2 a 5 kW, termocoppie a diverse profondità, uno scambiatore di calore ad aria o acqua, un contatore elettrico e un contatore termico	Energia per kg, velocità di carica e scarica, perdita di calore al giorno, calore misurato per kWh in	$5k to $20k	Da 2 a 4 mesi
2. Ciclismo	100 o più cicli di carico e scarico, materiali ispezionati prima e dopo	Deriva di durata ed efficienza	$10k to $30k	6 mesi
3. Pilota	Unità da 0,5 a 2 MWh su un utente di calore reale (una serra, una scuola, una piccola rete), con un anno di dati	Costo per kWh di calore in funzionamento reale	$150k to $500k	Da 12 a 18 mesi

, and about 660,000 Btu of stored heat, roughly 190 kWh, came back later as hot water. La novità è l’energia eolica e solare a basso costo per ricaricarli. Foto: Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti, pubblico dominio)

Di chi abbiamo bisogno

• Ingegneri termici nel trasferimento di calore, isolamento e progettazione di scambiatori di calore.
• Scienziati dei materiali Per sabbie, pietre, mattoni e ceramiche ad alta temperatura per migliaia di cicli.
• Gestore di teleriscaldamento disposto a condividere i dati di carico o ospitare un progetto pilota.
• Analisti del mercato dell’energia Modellare strategie di ricarica e ricavi.
• Gestori energetici industriali Chi sa dove viene utilizzato il vapore di processo e quanto costa.
• Specialisti in sicurezza e certificazione Per apparecchiature a pressione, fuoco e superfici ad alta temperatura.

Hai un’idea migliore?

Alcuni membri della Fondazione potrebbero avere contatti che potrebbero ascoltare un pitch per una forte idea energetica. Per essere presentata, un’idea ha bisogno di Un modello reale che produce energia; per un’idea di stoccaggio come questa, questo significa un modello che restituisce l’energia immagazzinata, con il suo calore o elettricità misurati su uno strumento, non reclamati. Anche le idee cartacee sono benvenute: se la fisica e i numeri sono solidi, possiamo pubblicarle qui sul sito. Ma raccogliere capitali senza un modello di lavoro è molto difficile, e nulla qui è una promessa di finanziamento, rendimenti o introduzioni.

Se hai un’idea, inviala attraverso il modulo Modulo di contributo con il problema che risolve, la verifica fisica, un costo approssimativo per kWh e il test più economico che potrebbe dimostrare che si sbaglia. Se hai un modello funzionante, includi il suo output misurato e come lo hai misurato. La pagina sources energy confronta questa e le altre alternative sul radar delle idee.

Fonti

1. IEA (2019). Rinnovabili 2019: il calore rappresenta circa la metà del consumo finale di energia.
2. Energia della notte polare (2025). Riferimento della batteria di sabbia di Pornainen e Riferimento di Kankaanpää.
3. Solarthermalworld (2024). Le batterie di sabbia forniscono calore alle reti di teleriscaldamento in Finlandia.
4. Hall, M. (2025). La batteria di sabbia finlandese da 100 MWh è operativa. ESS News.
5. Siemens Gamesa (2019). Primo al mondo: Siemens Gamesa inizia l’esercizio del suo innovativo sistema di accumulo di energia elettrotermica (archiviato).
6. Wikipedia. Accumulo di energia termica, comprese le figure di design Sorø.
7. Rondo Energy. Rondo Heat Battery (affermazioni dell’azienda).
8. Antora Energy. Batterie termiche (informazioni aziendali).
9. LaPotin, A. et al. (2022). Rendimento termofotovoltaico del 40%. Nature 604, 287-291.
10. Ma, Z., Davenport, P. e Zhang, R. (2020). Analisi di progettazione di un sistema di accumulo di energia termica basato su particelle per la concentrazione dell’energia solare o dello stoccaggio dell’energia della rete. Giornale di stoccaggio dell’energia 29, 101382.
11. BloombergNEF (2024). I prezzi delle batterie agli ioni di litio registrano il calo più significativo dal 2017, scendendo a $ 115 per kilowatt-ora.
12. Lazard (giugno 2026). Costo dell’Energia Livellato+, versione 19.
13. Ofgem (2026). Tariffe unitarie del massimale dei prezzi dell’energia, dal 1° ottobre al 31 dicembre 2026.
14. Local Solar System Fondazione. Il modello aperto Fan Wall: il benchmark solare sul tetto di $ 0,19 per kWh.
15. Wikipedia. Andasol Solar Power Station: stoccaggio di sale fuso di circa 7,5 ore a pieno carico per unità.
16. Wikipedia. Accumulo stagionale di energia termica: il deposito in fossa di Marstal alimentato da collettori solari.
17. Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti (1978). Progetto di stoccaggio dell’energia termica ad alta temperatura: scaldabagno elettrico Therm-Bank, fotografia di visualizzazione, Archivi Nazionali degli Stati Uniti.