Smėlio ir šilumos baterijos

Vėjuotomis, saulėtomis dienomis daugelyje Europos tinklų dabar yra daugiau elektros energijos nei galima panaudoti, o kaina nukrenta beveik iki nulio ar net žemiau jo. Po kelių valandų tas pats tinklas moka priedą. Šilumos baterija yra paprasčiausias būdas sugauti pigių valandų: elektrinis šildytuvas įkaista didelę masę smėlio, skaldos ar plytų iki šimtų laipsnių, stora izoliacija išlaiko šilumą viduje, o ventiliatorius arba šilumokaitis ištraukia jį, kai reikia, po kelių dienų ar savaičių.

Apie pusę pasaulio galutinės energijos suvartojimo sudaro šiluma, o ne elektra (IEA, Renewables 2019). Didžioji dalis jos vis dar gaunama deginant dujas, naftą, anglį ar medieną. Tai daro tai dideliu prizu, ir todėl šiame puslapyje griežtai pažvelgiama į tai, ką gali ir ko negali padaryti šilumos baterijos. Trumpai tariant: kaupiama kaip šiluma ir naudojama kaip šiluma, elektra grįžta 85–95%; paversta atgal į elektros energiją, ji grįžta geriausiu atveju nuo 30 iki 41%. Šis vienintelis faktas lemia, kur technologija laimi.

Kas tai yra

Šilumos baterija, taip pat vadinama šilumos baterija arba elektrifikuota šiluminė energija, saugo elektros energiją kaip šilumą pigioje kietoje medžiagoje. Suomijos įmonė „Polar Night Energy“ naudoja plieninį silos, pripildytą statybinio smėlio arba smulkinto muilo akmens, ir jį jungia prie centralizuoto šilumos tiekimo tinklo. Kalifornijoje esanti įmonė „Rondo Energy“ ugniai atsparias plytas kaitina iki daugiau nei 1000 °C, kad gamintų garus gamykloms. Antora Energy įkaista anglies blokus, kol jie šviečia ir gali grąžinti šilumą arba per specialias saulės baterijas - elektrą. Hamburge „Siemens Gamesa“ vykdė bandomąjį projektą, kurio metu vulkaninės uolienos buvo šildomos iki 750 °C ir vėl paverčiamos elektros energija naudojant garų turbinas.

Tai yra ta pati idėja su skirtingomis temperatūromis ir skirtingais klientais. Vieninteliai svarbūs klausimai yra: kaip karšta, kiek laiko, kaip pigu ir kam šiluma.

Kaip tai veikia

Įkrovimas. Elektra eina per varžos šildytuvus, tą patį principą kaip ir virdulys ar skrudintuvas. Šis konversijos procesas yra iš esmės 100 % efektyvus: kiekviena kilovatvalanda elektros energijos virsta kilovatovalande šilumos. Polar Night šildytuvai šildo orą rezistoriais ir pučia jį per smėlyje užkastus vamzdžius, Rondo šildytuvai spinduliuoja tiesiai ant plytų.

Saugojimas. Kietoje medžiagoje saugoma energija yra E = m × c × ΔT: jo masė, padauginta iš savitos šilumos ir padauginta iš temperatūros svyravimų. Sausojo smėlio ir daugumos uolienų savitoji šiluma c yra apie 0,8–1,0 kJ/kg vienam laipsniui. Viena tona smėlio, kaitinto nuo 150 °C iki 400 °C (250 laipsnių posūkis), talpina 1,000 kg × 0.8 kJ/kg·K × 250 K = 200 MJ arba apie 56 kWh. Pornainen parduotuvė gauna 100 MWh iš 2000 tonų, 50 kWh vienai tonai, o tai atitinka. Karštas vanduo centralizuoto šildymo rezervuare, kurio temperatūra svyruoja tarp 90 °C ir 50 °C, turi apie 47 kWh vienai tonai; smėlis laimi, nes jis gali tekėti daug karštesnis be slėginės talpos. Palyginimui, ličio jonų akumuliatorių elementai turi maždaug 150–250 kWh elektros energijos vienai tonai.

Laikykit jį viduje. Šiluma išsklaidoma per paviršių, ne daugiau kaip Q = U × A × ΔT, kur U matuoja, kaip gerai izoliacija, A yra paviršiaus plotas ir ΔT temperatūros skirtumas su išoriniu pasauliu. Saugoma energija didėja su tūriu (dydžio kubas) ir nuostoliai su paviršiumi (kvadratas), todėl didesnės parduotuvės praranda mažesnę dalį. Mūsų apytikris įvertinimas Pornaineno dydžio silosui (15 m pločio ir 13 m aukščio, apie 970 m² paviršiaus), kurio izoliacija leidžia per 0,1 W vienam m² vienam laipsniui ir 300 laipsnių skirtumui: apie 29 kW arba 0,7% visos parduotuvės per dieną. Maža parduotuvė, tokio dydžio kaip sodo pastogė, prarastų kelis kartus tą dalį, todėl smėlio baterijos statomos miestams ir gamykloms, o ne atskiriems namams.

Iškrovimas. Šilumos atveju ventiliatorius pučia orą per karštą smėlį, o šilumokaitis perduoda šilumą vandeniui tinklui. Nieko egzotiško. Elektros atveju šiluma turi paversti variklį, o čia fizika nustato griežtą ribą. Karno efektyvumas, geriausias kokį tik gali pasiekti šiluminė mašina, yra η = 1 − T_cold / T_hot, esant temperatūrai kelvinais. Šiluma esant 400 °C (673 K), atmesta esant 30 °C (303 K) suteikia 1 − 303/673 = 55%. Esant 750 °C temperatūrai, riba yra 70%. Tikros garų turbinos, siurbliai ir šilumokaičiai pasiekia maždaug pusę Carnot skaičiaus, todėl parduotuvė grąžina kažką panašaus į 25–40% iš elektros energijos, kurią ji perka. Paskelbtas akmens sandėlio Sorø, Danijoje projektas, tikėtinas 30-41% grąžinimo kaip elektros energijos arba 41-58% kaip šilumos (Wikipedia, Thermal energy storage).

Praktinė išvada: šilumos baterija yra puikus būdas pirkti šilumą iš elektros tinklo pigiausią valandą, ir blogas būdas saugoti elektros energiją vėliau, nebent šilumos variklis tampa daug geresnis arba įkrovimo galia yra beveik nemokama.

Ribos

• Teoriškai. Karno lygtis nustato, kiek energijos gali būti vėl paversta į elektros energiją. Nėra išmanus dizainas taip pat išsigelbėti.
• Temperatūra atitinka naudojimą. Centralizuotam šildymui reikia 60–120 °C, maisto ir popieriaus gamykloms reikia 150–250 °C garų, o chemijos ir cemento pramonei – 400–1500 °C. Aukštesnė temperatūra saugo daugiau vienos tonos, tačiau reikia plieno, ugniai atsparių plytų ir izoliacijos, kurios kainuoja daugiau ir sunkesnės.
• Galia prieš energiją. Šildytuvai ir šilumokaičiai (galios pusė) paprastai yra brangesni nei smėlis (energijos pusė). Parduotuvė, kurioje įkraunama tik per kelias pigias valandas, turi didelius šildytuvus, kurie didžiąją laiko dalį sėdi tuščiąja eiga.
• Ciklas per metus. Kiekvienas įrangos euras turi būti grąžintas šilumos, kurią jis perduoda. Parduotuvė, kurioje per metus vyksta 200 ciklų, savo išlaidas paskirsto daug ploniau nei parduotuvė, kurioje vyksta 20 ciklų. Polar Night teigia, kad jos saugyklos geriausiai veikia nuo 20 iki 200 ciklų per metus (Solarthermalworld, 2024).
• Pigi elektros energija turi egzistuoti. Verslo atvejis priklauso nuo daugelio valandų mažų kainų. Tinklai, kuriuose daug vėjo ir saulės energijos, pvz., Suomijos, Danijos ir Kalifornijos tinklai, juos turi; tinklai su mažai kintama galia jų neturi.

Realūs projektai, išmatuoti

Projektas	Kur, kada ir kodėl	Laikymo terpė ir temperatūra	Dydis	Apie ką pranešama
Polar Night Energy pilotinis modelis	Tamperė, Suomija, nuo 2020 m.	Smėlis	3 MWh	Pirmasis pilotas, valdomas bendrovės
Polar Night Energy for Naujoji Akmene	Kankaanpää, Suomija, 2022 m. liepa	100 t statybinio smėlio 4 × 7 m plieniniame silose; kaitinamas iki maždaug 500 °C, eksploatuojamas esant 150–400 °C	8 MWh	85 % metinis efektyvumas trijų dienų ciklais; 95 % tikslas saugykloms virš 100 MWh (Solarthermalworld)
Polar Night Energy for Loviisan Lämpö	Pornainen, Suomija, 2025 m.	2000 t smulkinto muilo akmens, šalutinis židinių gamybos produktas; iki 400 °C	100 MWh, 1 MW	70% mažesnė tarša tinklui, apie 160 t CO2 per metus, 60% mažiau deginamų medienos skiedrų, nebenaudojamas kuras (ESS News, 2025; Polar Night Energy)
Siemens Gamesa ETES pilotas	Hamburgas-Altenverderis, Vokietija, 2019 m.	Apie 1000 t vulkaninių uolienų esant 750 °C, garų turbina grąžina elektrą	130 MWh šilumos	Saugoma šiluma iki savaitės; skirta gigavatvalandėms saugoti (Siemens Gamesa, 2019)
Rondo šilumos baterija	Kelios pramoninės vietos; Covestro, Brunsbüttel, Vokietija	Refractory brick at 1,100 to 1,500 °C	Nuo 2 iki daugiau nei 100 MW šilumos vienam įrenginiui	Bendrovė teigia, kad jos elektros energijos ir šilumos efektyvumas viršija 98 proc., o paskelbtų projektų – daugiau nei 400 MWh (Apvalus); nepriklausomai neskelbta
Antora Energy	Kalifornija, JAV	Kieti anglies blokai, karštai šviečiantys	Pramoninis mastas	Šiluma arba elektra per termofotovoltines ląsteles (Antora). Geriausias laboratorinis termofotovoltinis elementas pasiekė 40% efektyvumą (LaPotin et al., 2022)

Du įspėjimai apie šią lentelę. Pirma, dauguma skaičių gaunami iš įmonių ar jų klientų, o ne iš nepriklausomų matavimų. Antra, Kankaanpää 85% yra šilumos grąža vienam elektros energijos vienetui; niekas lentelėje neskelbė metų išmatuotų elektros energijos į elektros energiją kelionių komerciniu mastu.

Mokslinių tyrimų laboratorijos stumia temperatūrą aukštyn. JAV nacionalinė atsinaujinančios energijos laboratorija sukūrė saugyklą, kurioje silicio smėlio dalelės kaitinamos virš 1000 ° C ir lašinamos per šilumokaitį, kad būtų galima valdyti galios ciklą (Ma, Davenportas ir Zhangas, 2020). Malta, ištraukta iš „Alphabet“ X 2018 m., Siekia „Carnot baterijos“, kuri šilumą kaupia lydytoje druskoje ir šaltyje atšaldytame skystyje, kad pakeltų kelionę į abi puses. Tai yra tikėtinas, bet ne įrodytas masto.

Kiek tai kainuoja

Šilumos baterijos neturi elektros energijos, todėl jų sąžiningas etalonas yra ne saulės skydelis, bet šilumą, kurią jie pakeičia. Mūsų visoje teritorijoje taikomas naujos elektros energijos pastatuose lyginamasis standartas išlieka stogo saulės energija, kuri yra maždaug 0,19 USD už kWh mūsų atvirame Ventiliatoriaus sienos modelis, viduje Lazardo birželio 2026 asortimentas komercinių stogo saulės $0.09 to $0,20 kWh (Lazard LCOE+ 2026). Šilumos atveju konkurentas yra dujų katilas.

Kas dujų šilumos kainuoja. Apskaičiuojant pagal Europos lygmenims artimuosius skaičius 2025 ir 2026 m. (didmeninė dujų kaina – 35 EUR už MWh, anglies dioksido kaina – 70 EUR už toną, 90 % efektyvumo katilas), šiluma iš dujų kainuos apie 5–6 euro centai už kWh prieš katilo nuosavą kapitalo sąnaudas. Namų ūkis, kuriam taikoma JK kainų riba, nuo 2026 m. spalio mėnesio už dujas moka 7,97 pensų už kWh (Ofgem), o šilumos – apie 8,9 pensų už kWh.

Kokia yra sukauptos šilumos kaina. Dvi dalys: elektros energija, padalinta iš efektyvumo, ir įranga, padalinta iš to, kiek šilumos ji tiekia per savo gyvenimą. Elektros kaina 20 eurų už MWh (dažna vėjuotomis Šiaurės šalių valandomis) su 85 % efektyvumu kainuoja apie 2,4 centus už kWh šilumos. Įrangos dalis priklauso nuo įrengtos kainos už kWh saugojimo talpos ir pilnų ciklų skaičiaus per metus. Nei „Polar Night“, nei jos klientai neskelbė Pornainen kainos, todėl rodome diapazoną, o ne išradome skaičių (20 metų, 7% reali nuolaida, 90% naudojamos talpos per ciklą):

Įrengtos sąnaudos vienai kWh galios	20 ciklų per metus	50 ciklų per metus	100 ciklų per metus	200 ciklų per metus
$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

Equipment cost per kWh of heat delivered, before electricity. Mūsų skaičiavimas.

Prieš ličio jonus. Akumuliatoriaus paketai vidutiniškai 115 USD už kWh 2024 m., 20% sumažėjimas per metus (BloombergNEF, 2024), o pilnas tinklo akumuliatorius kainuoja daugiau nei jo pakuotė. Ličio jonų baterija grąžina apie 85–90% savo elektros energijos kaip elektros energiją. Pats smėlis kainuoja beveik nieko: kai tona kainuoja dešimtis dolerių, o 50 kWh – toną, terpė kainuoja gerokai mažiau nei doleris už kWh. Šilo, izoliacija, šildytuvai ir šilumokaičiai yra tikrosios išlaidos. Šilumos baterija yra prasminga tik tuo atveju, jei jos visos įdiegtos išlaidos už kWh yra kelis kartus mažesnės nei ličio baterijos, nes tai, ką ji grąžina, yra šiluma, o ne elektros energija.

Kur ji gali laimėti, o kur negali

Ji gali laimėti:

• Centralizuotas šildymas vėjuotuose ar saulėtuose tinkluose. Šiaurės ir Baltijos šalių miestai su šilumos tinklais, daugybe pigių valandų ir malkų ar dujų katilų pakeitimu. Tai yra vieta, kur iki šiol buvo kiekviena komercinė smėlio baterija.
• Pramoniniai garai ir technologinė šiluma iki maždaug 500 °C maisto, gėrimų, popieriaus ir chemijos pramonėje, kur gamyklos šiuo metu degina dujas visą parą.
• Keisti alyvą ir medieną mažuose tinkluose, pavyzdžiui, Pornainene, kur parduotuvė taip pat taupo kuro pristatymus ir vietinę oro taršą.
• Sugerti apribotos vėjo ir saulės energiją, kuri kitaip būtų išjungta, paversdama tinklo problemą šilumos produktu.
• Suporavimas su dideliais šilumos siurbliais: šilumos siurblys efektyviai aprūpina daugumą valandų, parduotuvė – kainų piko valandas.

Jis negali laimėti:

• Kaip bendra elektros energijos saugykla. Su 25–40% atgal, jis blogai praranda ličio jonus kasdieniams ciklams ir siurbiamai hidroenergijai, kur geologija leidžia.
• Vienviečiuose namuose, kur paviršiaus nuostoliai, saugumas šimtais laipsnių ir mažų šildytuvų kaina veikia prieš tai. Karšto vandens bako arba šilumos siurblio su buferiniu rezervuaru darbas bus atliktas geriau.
• Kur elektros energija retai yra pigi. Be daugelio mažų kainų valandų parduotuvėje nėra nieko pirkti.
• Labai aukšta temperatūra mažame lygyje. Virš 1000 °C, medžiagos, izoliacija ir saugumas tampa rimta inžinerine programa, o ne silosu.

Kas yra įrodyta, tikėtina ir spekuliacinė

Patikrinta: pasipriešinimo šildymas konvertuoja elektros energiją į šilumą beveik puikiai; E = m × c × ΔT ir Karno riba; komercinės smėlio saugyklos tiekia centralizuotą šildymą Suomijoje, o jų metinis efektyvumas yra 85 % esant 8 MWh; nuostoliai mažėja, kai saugykla tampa didesnė.

Tikėtinas: 95% metinis efektyvumas esant 100 MWh ir daugiau; pramoninės plytų parduotuvės, kurios tiekia garą konkurencingai ten, kur dujos yra brangios ir pigi energija yra dažna; įdiegtos išlaidos yra kelios dešimtys dolerių už kWh pajėgumo.

Spekuliacinis: elektros energijos ir elektros energijos apvalieji važiavimai viršija 50% komerciniu mastu (termofotosolių ar pažangių galios ciklų); dešimtmečiais cikliškai virš 1000 ° C be brangaus remonto; šilumos baterijos kaip pigesnė alternatyva ličio jonų tinklo elektros energijai.

Atviri tyrimo klausimai

• Nepriklausomi, paskelbti eksploatacinių savybių duomenys. Metams išmatuotas šilumos tiekimas ir nutekėjimas su nuostoliais kiekvienam komerciniam projektui.
• Tikroji įrengtų jėgainių kaina už kWh pajėgumo ir už kW galios, gauta iš konkursų, o ne spaudos pranešimų.
• Šilumokaičiai kurie greitai perkelia šilumą iš lėtai laidumo kietojo kūno be didelių temperatūros kritimų.
• Medžiagų senėjimas: smėlio sukepinimas, plytų krekingo, plieno šliaužimo ir izoliacijos nusėdimas po tūkstančių ciklų.
• Geresnis šilumos perdavimas energijai: termofotovoltiniai elementai, superkritinės CO2 turbinos ir Brayton ciklo “Carnot baterijos”, kurios galėtų pakelti elektros energijos kelią į abi puses.
• Kontrolė ir rinkos: kaip parduotuvė turėtų siūlyti elektros energiją, ir kaip tarifai bei tinklo mokesčiai gali atlyginti už perteklinės energijos absorbavimą.

Ko reikėtų darbiniam prototipui

Kiekvienas, norintis išbandyti naują šilumos baterijos idėją, turėtų pradėti nuo mažo ir viską išmatuoti. Naudingas pirmasis modelis suteikia išmatuotą šilumą, o ne pretenziją.

Fazė	Darbas	Sprendimas, kurį jis leidžia	Apytikslė kaina	Laikas
1. Bandymas ant stendo	50–200 kg medžiagos izoliuotoje plieninėje būgno talpoje, šildytuvas nuo 2 iki 5 kW, termoporos keliuose gyliuose, oro arba vandens šilumokaitis, elektros energijos skaitiklis ir šilumos skaitiklis	Energija kilogramui, įkrovimo ir iškrovimo norma, šilumos nuostoliai per dieną, išmatuota šiluma kWh	$5k to $20k	2–4 mėnesiai
2. Dviračių sportas	100 ar daugiau įkrovimo ir iškrovimo ciklų, medžiagos tikrinamos prieš ir po	Patvarumas ir efektyvumas dreifas	$10k to $30k	6 mėnesiai
3. Pilotas	0,5–2 MWh vienetas realiam šilumos vartotojui (šiltnamyje, mokykloje, mažame tinkle), su duomenimis per metus	Kaina už kWh šilumos realiai eksploatuojant	$150k to $500k	12–18 mėnesių

, and about 660,000 Btu of stored heat, roughly 190 kWh, came back later as hot water. Nauja yra pigi vėjo ir saulės energija, skirta jiems įkrauti. Nuotrauka: JAV energetikos departamentas, viešasis domenas)

Ko mums reikia

• Šilumos inžinieriai šilumos perdavimo, izoliacijos ir šilumokaičių projektavimo srityje.
• Medžiagų mokslininkai smėlio, akmenų, plytų ir keramikos aukštoje temperatūroje per tūkstančius ciklų.
• Centralizuoto šilumos tiekimo operatoriai, norintys dalytis apkrovos duomenimis arba priimti bandomąjį projektą.
• Energijos rinkos analitikai modeliuoja įkrovimo strategijas ir pajamas.
• Pramoninės energijos valdytojams, kurie žino, kur naudojami technologiniai garai ir kiek jie kainuoja.
• Saugos ir sertifikavimo specialistai slėginiams įrenginiams, priešgaisriniams ir aukštos temperatūros paviršiams.

Turite geresnę idėją?

Kai kurie fondo nariai gali turėti kontaktų, kurie galėtų išgirsti stiprios energijos idėjos idėją. Kad būtų įgyvendinta, idėjai reikia veikiančio, realaus modelio, kuris iš tikrųjų gamina energiją; tokios saugojimo idėjos kaip ši, tai reiškia modelį, kuris grąžina saugomą energiją, o jos šiluma ar elektra matuojama prietaisu, o ne reikalaujama. Taip pat laukiame ir popierinių idėjų: jei fizikos ir skaičių pagrindai yra tvirti, galime jas paskelbti čia, svetainėje. Tačiau pritraukti kapitalą be veikiančio modelio yra labai sunku, ir niekas čia nėra finansavimo, grąžos ar įvedimo pažadas.

Jei turite idėją, atsiųskite ją per įnašo formą su problema, kurią ji išsprendžia, fizikos patikra, apytiksle kaina už kWh ir pigiausiu bandymu, kuris galėtų įrodyti, kad ji neteisinga. Jei turite veikiantį modelį, įtraukite jo išmatuotą rezultatą ir kaip jį išmatavote. energijos šaltinių puslapis palygina šią ir kitas alternatyvas idėjų radare.

Šaltiniai

1. IEA (2019 m.). Atsinaujinantys energijos šaltiniai 2019: šiluma sudaro apie pusę galutinės energijos suvartojimo.
2. Polar Night Energy (2025 m.) Pornainen sand battery reference ir Kankaanpää reference.
3. Solarthermalworld (2024 m.) Smėlio baterijos tiekia šilumą centralizuoto šildymo tinklams Suomijoje.
4. Hall, M. (2025). Suomijos 100 MWh smėlio baterija yra eksploatuojama. ESS naujienos.
5. A. Šimkus (2019 m.) Pirma pasaulyje: „Siemens Gamesa“ pradeda eksploatuoti novatorišką elektroterminės energijos kaupimo sistemą (archyvuota).
6. Vikipedijos. Šiluminės energijos kaupimas, įskaitant Sorø dizaino figūras.
7. Rondo energija. Rondo šilumos baterija (įmonės teiginiai).
8. Antanas Energija. Šiluminės baterijos (įmonės informacija).
9. LaPotin, A. ir kt. (2022). Termofotovoltinis efektyvumas 40%. Nature 604, 287-291.
10. Ma, Z., Davenport, P. ir Zhang, R. (2020). Saulės energijos arba elektros tinklo energijos kaupimo sistemos, kurios pagrindą sudaro dalelės, projektavimo analizė. Energijos saugojimo žurnalas 29, 101382.
11. BloombergNEF (2024). Ličio jonų akumuliatorių kainos mažėja nuo 2017 m., Sumažėjus iki 115 USD už kilovatvalandę.
12. Lazard (June 2026). Levelized Cost of Energy+, 19 versija.
13. Ofgem (2026). Energijos kainų viršutinės ribos vieneto įkainiai, 2026 m. spalio 1 d.–gruodžio 31 d..
14. Local Solar System Fondas. Ventiliatoriaus sienos atviras modelis: stogo saulės energijos lyginamasis rodiklis yra 0,19 USD už kWh.
15. Vikipedijos. Andasol Saulės jėgainė: išlydytos druskos saugojimas apie 7,5 valandos esant pilnai apkrovai vienam vienetui.
16. Vikipedijos. Sezoninis šilumos energijos kaupimas: Marstalo duobės saugykla, maitinama saulės kolektoriais.
17. JAV energetikos departamentas (1978 m.) Aukštos temperatūros šiluminės energijos kaupimo projektas: Therm-Bank elektrinis vandens šildytuvas, ekrano nuotrauka, JAV nacionaliniai archyvai.