Areia e baterias de calor

Em dias de vento e sol, muitas redes europeias têm agora mais electricidade do que a que podem utilizar, e o preço cai perto de zero ou mesmo abaixo dele. Algumas horas depois, a mesma rede paga um prêmio. Uma bateria de calor é a maneira mais simples de pegar as horas baratas: um aquecedor elétrico aquece uma grande massa de areia, pedra triturada ou tijolo para centenas de graus, isolamento grosso mantém o calor dentro, e um ventilador ou trocador de calor tira-lo quando for necessário, dias ou semanas depois.

Cerca de metade do consumo final mundial de energia é calor, não eletricidade (IEA, Renováveis 2019). A maior parte ainda vem da queima de gás, petróleo, carvão ou madeira. Isso torna este um grande prêmio, e é por isso que esta página dá uma olhada no que as baterias de calor podem e não podem fazer. A versão curta: armazenada como calor e usada como calor, a eletricidade retorna em 85 a 95%; transformada de volta em eletricidade, ela retorna em 30 a 41%, na melhor das hipóteses. Esse fato único decide onde a tecnologia ganha.

O que é

Uma bateria de calor, também chamada de bateria térmica ou armazenamento de energia térmica eletrificada, armazena eletricidade como calor em um sólido barato. A empresa finlandesa Polar Night Energy utiliza um silo de aço preenchido com areia de construção ou pedra sabão esmagada e conecta-o a uma rede de aquecimento urbano. A Rondo Energy, na Califórnia, aquece tijolos refratários a mais de 1.000 °C para produzir vapor para fábricas. A Antora Energy aquece blocos de carbono até que eles brilhem e possam retornar calor ou, através de painéis especiais como células solares, eletricidade. A Siemens Gamesa realizou um projeto piloto em Hamburgo que armazenava calor em rochas vulcânicas a 750 °C e o transformava novamente em eletricidade com uma turbina a vapor.

Estas são todas a mesma ideia com temperaturas diferentes e clientes diferentes. As únicas questões que importam são: quão quente, por quanto tempo, como barato e para que serve o calor.

Como funciona?

Carregando. A eletricidade passa por aquecedores de resistência, o mesmo princípio que uma chaleira ou uma torradeira. Esta conversão é essencialmente 100% eficiente: cada quilowatt-hora de eletricidade se torna um quilowatt-hora de calor. Os silos de Polar Night aquecem o ar com resistores e sopram-no através de canos enterrados na areia; os aquecedores de Rondo irradiam diretamente sobre tijolos.

Armazenamento. A energia armazenada em um sólido é E = m × c × ΔT: sua massa, vezes seu calor específico, vezes a variação de temperatura. Areia seca e a maioria das rochas têm um calor específico c de cerca de 0,8 a 1,0 kJ por kg por grau. Uma tonelada de areia aquecida de 150 °C a 400 °C (um balanço de 250 graus) contém, portanto, 1,000 kg × 0.8 kJ/kg·K × 250 K = 200 MJ, ou cerca de 56 kWh. A loja de Pornainen funciona em 100 MWh em 2.000 toneladas, 50 kWh por tonelada, o que corresponde. A água quente em um tanque de aquecimento urbano, circulando entre 90 °C e 50 °C, contém cerca de 47 kWh por tonelada; a areia ganha porque pode funcionar muito mais quente sem um vaso de pressão. Em comparação, as células de bateria de íons de lítio contêm cerca de 150 a 250 kWh de eletricidade por tonelada.

Mantendo-o dentro. O calor escapa através da superfície, a uma taxa Q = U × A × ΔT, onde U mede o quão bom é o isolamento, A é a área de superfície e ΔT a diferença de temperatura para o exterior. A energia armazenada cresce com o volume (o cubo do tamanho) e as perdas com a superfície (o quadrado), então lojas maiores perdem uma fração menor. Nossa estimativa aproximada para um silo do tamanho da Pornainen (15 m de largura e 13 m de altura, cerca de 970 m² de superfície) com isolamento que deixa passar 0,1 W por m² por grau e uma diferença de 300 graus: cerca de 29 kW, ou 0,7% de uma loja cheia por dia. Uma pequena loja do tamanho de um galpão de jardim perderia várias vezes essa fração, razão pela qual as baterias de areia são construídas para cidades e fábricas, não para casas individuais.

Descarregando. Para o calor, um ventilador sopra ar através da areia quente e um trocador de calor passa o calor para a água para a rede. Nada disso é exótico. Para a eletricidade, o calor tem que mover um motor, e aqui a física estabelece um limite rígido. A eficiência de Carnot, a melhor que qualquer motor térmico pode fazer, é η = 1 − T_cold / T_hot, com temperaturas em kelvin. Calor a 400 °C (673 K) rejeitado a 30 °C (303 K) dá 1 − 303/673 = 55%. A 750 °C o limite máximo é de 70%. Turbinas a vapor reais, bombas e trocadores de calor atingem aproximadamente metade do valor de Carnot, então uma loja retorna algo como 25% a 40% da eletricidade que comprou. Um projeto publicado para uma loja de pedra em Sorø, Dinamarca, esperava 30 a 41% como eletricidade ou 41 a 58% como calor (Wikipedia, Armazenamento de energia térmica).

A conclusão prática: uma bateria de calor é uma excelente maneira de comprar calor da rede elétrica nas horas mais baratas, e uma má maneira de armazenar eletricidade para mais tarde, a menos que o motor de calor fique muito melhor ou a energia de carga seja quase gratuita.

Os limites

• Teoricamente. O calor específico e a oscilação de temperatura fixam a energia por tonelada; a equação de Carnot fixa quanto pode se tornar eletricidade novamente. Nenhum design inteligente escapa também.
• A temperatura combina o uso. O aquecimento urbano precisa de 60 a 120 °C, as fábricas de alimentos e papel precisam de vapor a 150 a 250 °C, os produtos químicos e o cimento precisam de 400 a 1.500 °C. Temperaturas mais altas armazenam mais por tonelada, mas precisam de aço, tijolo refratário e isolamento que custam mais e se desgastam mais.
• Potência versus energia. Os aquecedores e trocadores de calor (o lado da potência) são geralmente mais caros do que a areia (o lado da energia). Uma loja carregada apenas em algumas horas baratas precisa de grandes aquecedores que ficam ociosos na maioria das vezes.
• Ciclos por ano. Cada euro de equipamento tem que ser pago pelo calor que ele transfere. Uma loja que faz ciclos 200 vezes por ano espalha seu custo muito mais do que uma que faz ciclos 20 vezes. A Polar Night diz que suas lojas funcionam melhor entre 20 e 200 ciclos por ano (Solarthermalworld, 2024).
• Eletricidade barata tem que existir. O caso de negócios depende de muitas horas de preços baixos. As redes com muita energia eólica e solar, como as da Finlândia, Dinamarca e Califórnia, têm-nas; as redes com pouca potência variável não.

Projetos reais, medidos

Projeto	Onde, quando e como	Meio de armazenamento e temperatura	Tamanho	O que é relatado
Piloto Polar Night Energy	Tampere, Finlândia, 2020	Areia	3 MWh	Primeiro piloto, executado pela empresa
Energia noturna polar para Vatajankoski	Kankaanpää, Finlândia, julho de 2022	100 t de areia de construção em um silo de aço de 4 × 7 m; aquecido até cerca de 500 °C, operado entre 150 e 400 °C	8 MWh	85% de eficiência anual em ciclos de três dias; 95% para armazéns acima de 100 MWh (Solarthermalworld)
Energia noturna polar para Loviisan Lämpö	Pornainen, Finlândia, 2025	2.000 t de pedra-sabão triturada, um subproduto da fabricação de lareiras; até 400 °C	100 MWh, 1 MW	70% menos emissões para a rede, cerca de 160 t de CO2 por ano, queima de cavacos de madeira reduzida em 60%, uso de óleo terminado (ESS News, 2025; Polar Night Energy)
Piloto Siemens Gamesa ETES	Hamburgo-Altenwerder, Alemanha, 2019	Cerca de 1.000 t de rocha vulcânica a 750 °C, turbina a vapor para retornar eletricidade	130 MWh de calor	Armazenamento de calor por até uma semana; visando armazenamento de gigawatt-hora (Siemens Gamesa, 2019)
Rondo Heat Battery	Vários locais industriais; inauguração da Covestro, Brunsbüttel, Alemanha	Tijolo refratário a 1.100 a 1.500 °C	2 a mais de 100 MW de calor por unidade	A empresa afirma ter mais de 98% de eficiência de eletricidade para aquecimento e mais de 400 MWh de projetos anunciados (Rondo); não publicado independentemente
Antora Energy	Califórnia, EUA	Blocos de carbono sólidos, brilhando quente	Escala industrial	Calor ou eletricidade através de células termofotovoltaicas (Antora). A melhor célula termofotovoltaica de laboratório atingiu uma eficiência de 40% (LaPotin et al., 2022)

Duas advertências sobre esta tabela. Primeiro, a maioria dos números vem das empresas ou de seus clientes, não de medições independentes. Em segundo lugar, o Kankaanpää 85% é calor de volta por unidade de eletricidade em; ninguém na tabela publicou um ano de viagens de ida e volta elétricas medidas em escala comercial.

Os laboratórios de pesquisa estão aumentando a temperatura. O Laboratório Nacional de Energias Renováveis dos EUA projetou uma loja que aquece partículas de areia de sílica acima de 1.000 °C e as deixa cair através de um trocador de calor para impulsionar um ciclo de energia (Ma, Davenport e Zhang, 2020). O Malta, derivado do X da Alphabet em 2018, busca uma “bateria Carnot” que armazena calor em sal fundido e frio em um líquido resfriado para elevar a viagem de ida e volta. Estes são plausíveis, não comprovados em escala.

O que custa

As baterias de calor não produzem eletricidade, então seu ponto de referência honesto não é um painel solar, mas o calor que eles substituem. Nosso benchmark em todo o site para nova eletricidade em um edifício permanece em cerca de $0,19 por kWh em nosso aberto Modelo de parede do fã, dentro da faixa de junho de 2026 da Lazard para solar comercial em telhados de $0.09 to $0,20 por kWh (Lazard LCOE+ 2026). Para o calor, o concorrente é uma caldeira a gás.

O que o calor do gás custa. Utilizando números arredondados próximos dos níveis europeus em 2025 e 2026 (gás grossista a €35 por MWh, um preço do carbono de €70 por tonelada, uma caldeira com 90% de eficiência), o aquecimento a gás custa cerca de 5 a 6 cêntimos de euro por kWh antes do custo de capital próprio da caldeira. Uma família no teto de preços do Reino Unido paga 7,97 pence por kWh para o gás a partir de outubro de 2026 (Ofgem), cerca de 8,9 pence por kWh de calor.

Quanto custa o calor armazenado. Duas partes: a eletricidade, dividida pela eficiência, e o equipamento, dividido por quanto calor ele entrega ao longo de sua vida útil. A eletricidade a 20 € por MWh (comum em horas de vento nórdicas) com 85% de eficiência custa cerca de 2,4 centavos por kWh de calor. A parte do equipamento depende do custo instalado por kWh de capacidade de armazenamento e do número de ciclos completos por ano. Nem a Polar Night nem seus clientes publicaram o preço da Pornainen, então mostramos a faixa em vez de inventar um número (20 anos, taxa de desconto real de 7%, 90% da capacidade usada por ciclo):

Custo instalado por kWh de capacidade	20 ciclos por ano	50 ciclos por ano	100 ciclos por ano	200 ciclos por ano
$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

Custo do equipamento por kWh de calor fornecido, antes da eletricidade. Nosso cálculo.

Contra o lítio-íon. Pacotes de bateria em média $115 por kWh em 2024, uma queda de 20% em um ano (BloombergNEF, 2024), e uma bateria de grade completa custa mais do que seu pacote. Uma bateria de íon de lítio retorna cerca de 85 a 90% de sua eletricidade como eletricidade. A areia em si não custa quase nada: a dezenas de dólares por tonelada e 50 kWh por tonelada, o meio é bem abaixo de um dólar por kWh. O silo, o isolamento, os aquecedores e os trocadores de calor são o custo real. Uma bateria de calor só faz sentido se todo o seu custo instalado por kWh for várias vezes menor do que uma bateria de lítio, porque o que ela dá de volta é calor, não eletricidade.

Onde pode ganhar, e onde não pode

Ele pode ganhar:

• Aquecimento urbano em redes de vento ou sol. Cidades nórdicas e bálticas com redes de aquecimento, muitas horas baratas e caldeiras de madeira ou gás para substituir. É aqui que todas as baterias de areia comerciais até agora foram.
• Vapor industrial e calor de processo até cerca de 500 °C em alimentos, bebidas, papel e produtos químicos, onde as fábricas atualmente queimam gás o tempo todo.
• Substituindo óleo e madeira em pequenas redes, como em Pornainen, onde a loja também economiza entregas de combustível e poluição do ar local.
• Absorver o vento e a energia solar que de outra forma seria desligado, transformando um problema de rede em um produto de calor.
• Emparelhamento com grandes bombas de calor: a bomba de calor cobre a maioria das horas de forma eficiente, a loja cobre os picos de preço.

Não pode vencer:

• Como armazenamento geral de eletricidade. Com 25 a 40% de volta, perde muito para o íon-lítio para ciclos diários e para hidrogênio bombeado onde a geologia permite.
• Em casas de solteiro, onde as perdas de superfície, a segurança em centenas de graus e o custo dos pequenos aquecedores trabalham contra ele. Um cilindro de água quente ou uma bomba de calor com um tanque de armazenamento faz o trabalho melhor.
• Onde a eletricidade raramente é barata. Sem muitas horas de baixo preço, a loja não tem nada para comprar.
• Temperaturas muito altas em pequena escala. Acima de 1.000 °C, materiais, isolamento e segurança tornam-se um programa sério de engenharia, não um silo.

O que é comprovado, plausível e especulativo

Provado: o aquecimento por resistência converte eletricidade em calor quase perfeitamente; E = m × c × ΔT e o limite de Carnot; lojas comerciais de areia fornecem aquecimento urbano na Finlândia, com 85% de eficiência anual relatada a 8 MWh; as perdas caem à medida que as lojas ficam maiores.

Plausivel: 95% de eficiência anual a partir de 100 MWh; lojas industriais de tijolos fornecendo vapor competitivamente onde o gás é caro e a energia barata é frequente; custos instalados de algumas dezenas de dólares por kWh de capacidade.

Especulativo: viagens de volta eletricidade-para-eletricidade acima de 50% em escala comercial (por termofotovoltaicos ou ciclos avançados de energia); décadas de ciclagem a mais de 1.000 ° C sem reparos dispendiosos; baterias de calor como uma alternativa mais barata ao íon de lítio para eletricidade da rede.

Perguntas de pesquisa abertas

• Dados de desempenho publicados e independentes. Um ano de calor medido, com perdas, para cada projeto comercial.
• O custo real instalado por kWh de capacidade e por kW de potência, a partir de concursos em vez de comunicados de imprensa.
• Permutadores de calor que movem o calor rapidamente de um sólido condutor lento sem grandes quedas de temperatura.
• Envelhecimento dos materiais: sinterização de areia, rachadura de tijolos, fluência de aço e isolamento após milhares de ciclos.
• Melhor calor-para-energia: células termofotovoltaicas, turbinas supercríticas de CO2 e “baterias de Carnot” do ciclo Brayton que poderiam elevar a eletricidade de ida e volta.
• Controle e mercados: como uma loja deve licitar por eletricidade, e como tarifas e taxas de rede podem recompensá-la por absorver energia excedente.

O que um protótipo funcional precisaria

Quem quiser testar uma nova ideia de bateria de calor deve começar pequeno e medir tudo. Um primeiro modelo útil fornece calor medido, não uma reivindicação.

Fase	Trabalho	Decisão que ele permite	Custo aproximado	Tempo
1. teste de bancada	50 a 200 kg do material de armazenamento em um tambor de aço isolado, um aquecedor de 2 a 5 kW, termopares em várias profundidades, um trocador de calor de ar ou água, um medidor de eletricidade e um medidor de calor	Energia por kg, taxas de carga e descarga, perda de calor por dia, calor medido por kWh em	$5k to $20k	2 a 4 meses
2. Ciclismo de montanha	100 ou mais ciclos de carga e descarga, materiais inspecionados antes e depois	Desvio de durabilidade e eficiência	$10k to $30k	6 meses
3. Pilot	Unidade de 0,5 a 2 MWh em um usuário real de calor (uma estufa, uma escola, uma pequena rede), com um ano de dados	Custo por kWh de calor em operação real	$150k to $500k	12 a 18 meses

Quem precisamos

• Engenheiros de energia térmica na transferência térmica, isolamento e projeto do permutador de calor.
• Cientistas de materiais para areias, pedras, tijolos e cerâmicas a alta temperatura durante milhares de ciclos.
• Operadores de aquecimento urbano dispostos a compartilhar dados de carga ou hospedar um piloto.
• Analistas do mercado de energia para modelar estratégias de cobrança e receitas.
• Gerentes de energia industrial que sabem onde o vapor de processo é usado e quanto custa.
• Especialistas em segurança e certificação para equipamentos de pressão, fogo e superfícies de alta temperatura.

Tem uma ideia melhor?

Alguns membros da Fundação podem ter contatos que poderiam ouvir um lance para uma ideia de energia forte. Para ser lançada, uma ideia precisa de um um modelo de trabalho, da vida real que realmente produz energia; para uma ideia de armazenamento como esta, isso significa um modelo que entrega energia armazenada de volta, com seu calor ou eletricidade medidos em um instrumento, não reivindicados. Ideias em papel também são bem-vindas: se a física e os números forem sólidos, podemos publicá-las aqui no site. Mas levantar capital sem um modelo de trabalho é muito difícil, e nada aqui é uma promessa de financiamento, retornos ou introduções.

Se você tem uma ideia, envie-a através do formulário de contribuição com o problema que resolve, a verificação física, um custo aproximado por kWh e o teste mais barato que poderia provar que está errado. Se você tiver um modelo de trabalho, inclua sua saída medida e como você a mediu. A página fontes de energia compara esta e as outras alternativas no radar de ideias.

Fontes

1. IEA (2019). Energias renováveis 2019: o calor é cerca de metade do consumo final de energia.
2. Energia da Noite Polar (2025). Referência da bateria de areia de Pornainen e Referência de Kankaanpää.
3. Solarthermalworld (2024). Baterias de areia fornecem calor para redes de aquecimento urbano na Finlândia.
4. SILVA, M. (2025). A bateria de areia finlandesa de 100 MWh está operacional. ESS News (em inglês).
5. 2019  «Siemens Gamesa» (em inglês). Primeira do mundo: Siemens Gamesa inicia operação de seu inovador sistema de armazenamento de energia eletrotérmica (arquivado).
6. Wikipédia. Armazenamento de energia térmica, incluindo as figuras de design Sorø.
7. Rondo Energy. Bateria de calor Rondo (afirmações da empresa).
8. A energia de Antora. Baterias térmicas (informações da empresa).
9. LaPotin, A. et al. (2022). Eficiência termofotovoltaica de 40%. Nature 604, 287-291.
10. Ma, Z., Davenport, P. e Zhang, R. (2020). Análise de projeto de um sistema de armazenamento de energia térmica baseado em partículas para concentração de energia solar ou armazenamento de energia em rede. Jornal de Armazenamento de Energia 29, 101382.
11. BloombergNEF (2024). Os preços das baterias de íons de lítio vêem a maior queda desde 2017, caindo para US $ 115 por quilowatt-hora.
12. Lazard (junho de 2026). Custo de Energia Nivelado+, versão 19.
13. Ofgem (2026). Taxas unitárias de preço máximo da energia, 1 de outubro a 31 de dezembro de 2026.
14. Local Solar System Fundação. O modelo aberto Fan Wall: o benchmark solar de telhado de US $ 0,19 por kWh.