Песок и тепловые батареи

В ветреные, солнечные дни многие европейские сети имеют больше электроэнергии, чем они могут использовать, и цена падает близко к нулю или даже ниже. Через несколько часов та же сеть платит премию. Тепловая батарея – самый простой способ поймать дешевые часы: электрический нагреватель нагреет большую массу песка, щебня или кирпича до сотен градусов, толстая изоляция удерживает тепло внутри, а вентилятор или теплообменник выводит его, когда это необходимо, через несколько дней или недель.

Около половины конечного потребления энергии в мире приходится на тепло, а не электричество (IEA, Renewables 2019). Большая часть этого газа по-прежнему выделяется при сжигании газа, нефти, угля или древесины. Это делает это большой приз, и именно поэтому эта страница принимает жесткий взгляд на то, что тепловые батареи могут и не могут сделать. Короткая версия: накопленное в виде тепла и используемое в качестве тепла, электричество возвращается на 85-95%; превращенное обратно в электроэнергию, оно возвращается в лучшем случае на 30-41%. Этот один факт решает, где технология выигрывает.

Что это такое

Тепловая батарея, также называемая термической батареей или электрифицированным накопителем тепловой энергии, хранит электроэнергию в виде тепла в дешёвом твердом состоянии. Финская компания Polar Night Energy использует стальной силос, заполненный строительным песком или измельченным мазутом и подключенный к сети центрального отопления. Rondo Energy в Калифорнии нагревает огнеупорные кирпичи до более чем 1000 °C, чтобы производить пар для заводов. Компания Antora Energy нагревает блоки углерода до тех пор, пока они не загорятся и не смогут возвращать либо тепло, либо электричество через специальные панели, похожие на солнечные батареи. Компания Siemens Gamesa провела в Гамбурге эксперимент, в ходе которого тепло было накоплено в вулканической породе при температуре 750°C и преобразовано обратно в электричество с помощью паровой турбины.

Это все одна и та же идея с разными температурами и различных клиентов. Единственные вопросы, которые имеют значение: как горячо, на сколько времени, как дешево и что тепло для.

Как это работает

Зарядка. Электричество проходит через нагреватели сопротивления, тот же принцип, что и чайник или тостер. Это преобразование является по сути 100% эффективным: каждый киловатт-час электричества превращается в киловатт-час тепла. Силосы Polar Night нагревают воздух с помощью резисторов и дуют его через трубы, закопанные в песке; обогреватели Rondo излучают напрямую на кирпич.

Хранение. Энергия, накопленная в твердом теле, равна E = m × c × ΔT: его масса умножена на его удельное тепло, умножено на колебания температуры. Сухой песок и большинство пород имеют удельную теплоту c около 0,8-1,0 кДж на кг на градус. Одна тонна песка, нагретого от 150 °C до 400 °C (с поворотом на 250 градусов), содержит 1,000 kg × 0.8 kJ/kg·K × 250 K = 200 MJ, или около 56 кВт.ч. В магазине Pornainen это 100 МВт/ч на 2000 тонн, 50 кВт/ч на тонну, что совпадает. Горячая вода в резервуаре для централизованного теплоснабжения, температура которой меняется между 90°C и 50°C, содержит около 47 кВт·ч на тонну; песок выигрывает, поскольку он может работать при гораздо более высокой температуре без сосуда под давлением. Для сравнения, литий-ионные батареи содержат примерно 150-250 кВтч электроэнергии на тонну.

Удерживать его внутри. Тепло уходит через поверхность, со скоростью Q = U × A × ΔT, где U измеряет насколько хороша изоляция, A - это площадь поверхности и ΔT разница температур с внешней стороны. Накопленная энергия растет с объемом (куб размера) и потери с площадью (квадрат), так что большие магазины теряют меньшую часть. Наша приблизительная оценка для силосного хранилища размером Порнайнен (15 м шириной и 13 м высотой, около 970 м² поверхности) с изоляцией, которая пропускает через 0,1 Вт на м² за градус и разницу в 300 градусов: около 29 кВт, или 0,7% от полного магазина в день. Небольшой магазин размером с садовый навес потерял бы в несколько раз больше, поэтому песочные батареи строятся для городов и фабрик, а не для одиночных домов.

Разгрузка. Для тепла вентилятор дует воздух через горячий песок, а теплообменник передает тепло к воде для сети. В этом нет ничего экзотического. Для электричества тепло должно приводить в движение двигатель, и здесь физика устанавливает жесткий предел. КПД Карно, лучший из всех тепловых двигателей, когда-либо созданных, равен η = 1 − T_cold / T_hot, при температурах в кельвинах. Тепло при 400 °C (673 K), отбрасываемое при 30 °C (303 K), даёт 1 − 303/673 = 55%. При 750 °C потолок составляет 70%. Реальные паровые турбины, насосы и теплообменники достигают примерно половины цифры Карно, так что магазин возвращает что-то вроде 25-40% электроэнергии, которую она покупает. Опубликованный проект каменного магазина в Соро, Дания, ожидаемая отдача составляет 30-41% в виде электричества или 41-58% в виде тепла (Wikipedia, Thermal energy storage).

Практический вывод: тепловой аккумулятор является отличным способом купить тепло из электросети в самые дешевые часы, и плохим способом хранения электричества на более поздний срок, если только тепловая машина не становится гораздо лучше или зарядная мощность практически бесплатна.

Пределы

• Теоретически. Удельный тепловой и температурный перепад определяет количество энергии на тонну; уравнение Карно определяет, какое количество может когда-либо стать электричеством. Ни один умный дизайн не уходит от этого.
• Температура соответствует использованию. Для централизованного отопления требуется температура от 60 до 120 °C, для производства продуктов питания и бумаги - пара при температуре 150-250 °C, а для производства химикатов и цемента - 400-1500 °C. При более высоких температурах на тонну хранится больше, но требуется сталь, огнеупорный кирпич и изоляция, которые стоят дороже и износятся сильнее.
• Мощность против энергии. Нагреватели и теплообменники (сторона мощности) обычно дороже, чем песок (энергоемкая сторона). Магазин, заряженный только в несколько дешевых часов, нуждается в больших нагревателях, которые сидят без действия большую часть времени.
• Циклы в год. Каждый евро оборудования должен быть возмещен за счет тепла, которое оно передаёт. Магазин, который циклирует 200 раз в год, распределяет свои затраты гораздо более тонко, чем тот, который циклирует 20 раз. Polar Night говорит, что его магазины работают лучше всего между 20 и 200 циклами в год (Solarthermalworld, 2024).
• Детская электричество должно существовать. Бизнес-счет опирается на много часов низких цен. В сетях с большим количеством ветровой и солнечной энергии, таких как в Финляндии, Дании и Калифорнии, они есть; в сетях с малой переменной мощностью их нет.

Реальные проекты, измеренные

Проект	Где, когда	Среда хранения и температура	Размер	Что сообщается
Полярная ночная энергия	Тампере, Финляндия, 2020	Песок	3 МВт/ч	Первый экспериментальный проект, осуществляемый компанией
Энергия полярной ночи для Ватаянкоски	Канкаанпя, Финляндия, июль 2022	100 т строительного песка в стальном силосе размером 4 × 7 м; нагревается до около 500 °C, работает при температуре от 150 до 400 °C	8 МВт/ч	85% годовой КПД на трехдневных циклах; 95% целевой для хранилищ свыше 100 МВт/ч (Solarthermalworld)
Полярная ночь для Loviisan Lämpö	Порнайнен, Финляндия, 2025	2000 т измельченного мазута, побочного продукта производства каминов; до 400 °C	100 МВт/ч, 1 МВт	70% меньше выбросов для сети, около 160 т CO2 в год, сжигание древесной щепы на 60%, прекращение использования нефти (ESS News, 2025; Polar Night Energy)
Пилотный проект ETES компании ” Сименс Гемса ”	Гамбург-Альтенвердер, Германия, 2019	Около 1000 т вулканической породы при температуре 750 °C, паровая турбина для возврата электроэнергии	130 МВт/ч тепла	Накопление тепла в течение периода до одной недели; предназначено для накопления гигаватт-часов (ГВт-ч)Сименс Гемса, 2019)
Рондо Тепло батареи	Несколько промышленных объектов; закладка фундамента на предприятии Covestro, Брунсбюттель, Германия	Refractory brick at 1,100 to 1,500 °C	от 2 до более 100 МВт тепловой мощности на единицу	Компания заявляет о более чем 98% эффективности переработки электроэнергии в тепло и более чем 400 МВт/ч объявленных проектов (Rondo); не опубликован независимо
Энергия Антора	Калифорния, США	Твердые углеродные блоки, горячие	Промышленный масштаб	Тепло или электричество через термофотоэлектрические элементы (Antora). Лучший лабораторный термофотоэлектрический элемент достиг 40% эффективности (LaPotin et al., 2022)

Два предупреждения относительно этой таблицы. Во-первых, большинство данных поступает от компаний или их клиентов, а не из независимых источников. Во-вторых, Канкаанпя 85% является откатным теплом на единицу электроэнергии в; никто из таблицы не опубликовал годовых измерений электричества-электричество обратно поездок в коммерческом масштабе.

Исследовательские лаборатории поднимают температуру. Национальная лаборатория возобновляемых источников энергии США разработала хранилище, которое нагревает частицы кремнезема до температуры выше 1000 °C и пропускает их через теплообменник для приведения в действие энергетического цикла (Ma, Davenport and Zhang, 2020). Мальта, вышедшая из X Alphabet в 2018 году, преследует «аккумулятор Карно», который хранит тепло в расплавленной соли и холод в охлажденной жидкости, чтобы поднять поездку туда и обратно. Они являются правдоподобными, но не доказанными в масштабе.

Что это стоит

Heat batteries do not make electricity, so their honest benchmark is not a solar panel but the heat they replace. Our site-wide benchmark for new electricity on a building remains rooftop solar at about $0.19 per kWh in our open Fan Wall model, inside Lazard’s June 2026 range for commercial rooftop solar of $0.09 to $0.20 per kWh (Lazard LCOE+ 2026). Для отопления конкурентом является газовый котел.

Что стоит газовое отопление. При округленных цифрах, близких к европейским уровням в 2025 и 2026 годах (оптовая цена газа составляет 35 евро за МВт·ч, цена на углерод - 70 евро за тонну, котел с КПД 90%), тепло от газа будет стоить около 5-6 евроцентов за кВт·ч до собственной капитальной стоимости котла. Домашнее хозяйство на ценовом потолке Великобритании платит 7,97 пенсов за кВт·ч газа с октября 2026 года (Ofgem), около 8,9 пенсов за кВт·ч тепла.

Какие накопленные тепловые затраты. Две части: электричество, разделенное на эффективность, и оборудование, разделенное на то, сколько тепла оно поставляет в течение своего срока службы. Электричество по цене 20 евро за МВт·ч (обычно в ветреные северные часы) с КПД 85% стоит около 2,4 цента за кВт·ч тепла. Стоимость оборудования зависит от установленной стоимости в расчете на кВтч мощности аккумулятора и числа полных циклов в год. Ни Polar Night, ни его клиенты не опубликовали цену Pornainen, поэтому мы показываем диапазон вместо того, чтобы придумывать число (20 лет, 7% реальная ставка дисконтирования, 90% используемой мощности за цикл):

Установленные затраты на кВт·ч мощности	20 циклов в год	50 циклов в год	100 циклов в год	200 циклов в год
$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

• Стоимость оборудования в расчете на кВт·ч теплоты до уплаты электроэнергии. Наш расчет*

Против ионов лития. Аккумуляторные батареи в среднем составляют $ 115 за кВт / ч в 2024 году, что на 20% меньше за год (BloombergNEF, 2024), а полная сетевая батарея стоит больше, чем ее пакет. Литиево-ионный аккумулятор возвращает около 85-90% своей электроэнергии в виде электричества. Сам песок стоит почти ничего: при десятках долларов за тонну и 50 кВт/ч на тонну, средняя стоимость значительно ниже одного доллара за кВт/ч. Реальные затраты составляют силос, изоляция, нагреватели и теплообменники. Теплоаккумулятор имеет смысл только в том случае, если его общая установленная стоимость за кВт/ч в несколько раз ниже, чем у литиевого аккумулятора, поскольку он отдает обратно тепло, а не электричество.

Где она может победить, а где нет

Он может выиграть:

• Центральное отопление в ветреных или солнечных сетях. Скандинавские и балтийские города с теплоснабжением, много дешевых часов и дровяные или газовые котлы для замены. Это место, куда до сих пор уходили все коммерческие песочные батареи.
• Промышленный пар и технологическое тепло до 500 °C в пищевой промышленности, производстве напитков, бумаги и химических веществ, где предприятия в настоящее время круглосуточно сжигают газ.
• Замена нефти и древесины в небольших сетях, например, в Порнайнене, где магазин также экономит на поставках топлива и загрязнении воздуха.
• Поглощение сокращенной энергии ветра и солнца которые в противном случае были бы отключены, превращая проблему сети в тепловыделение.
• Парирование с большими тепловыми насосами: тепловой насос покрывает большинство часов эффективно, магазин покрывает пиковые цены.

Он не может выиграть:

• Как общее хранилище электроэнергии. С 25 до 40% назад, он плохо теряет литий-ионный для ежедневных циклов и насосной гидро, где геология позволяет.
• В одиночных домах, где поверхностные потери, безопасность при сотнях градусов и стоимость небольших нагревателей работают против него. Более эффективно работает водонагреватель или тепловыделяющий насос с буферным резервуаром.
• Где электричество редко дешевле. Без многих часов низкой цены магазину нечего покупать.
• Очень высокие температуры в небольших масштабах. При температурах выше 1000°C материалы, изоляция и безопасность становятся серьезной инженерной программой, а не простой задачей.

Что доказано, правдоподобно и спекулятивно

Доказано: сопротивление отопления преобразует электричество в тепло почти идеально; E = m × c × ΔT и предел Карно; коммерческие песчаные хранилища обеспечивают централизованное теплоснабжение в Финляндии с годовым КПД, составляющим 85% при 8 МВт/ч; потери уменьшаются по мере увеличения размеров хранилищ.

Вероятно: 95% годовой КПД при 100 МВт/ч и выше; промышленные кирпичные склады, поставляющие пар на конкурентоспособной основе в тех случаях, когда газ дорог и дешевая электроэнергия является распространенным явлением; установленные затраты составляют несколько десятков долларов за кВт/ч мощности.

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.

Открытые исследовательские вопросы

• Независимые, опубликованные данные о производительности. Год измерения тепла в и вне, с потерями, для каждой коммерческой конструкции.
• Реальные затраты на установку на кВт·ч мощности и на кВт энергии, полученных из тендеров, а не пресс-релизов.
• Теплообменники которые быстро выводят тепло из медленно проводящего твердого вещества без больших температурных потерь.
• Старение материалов: спекание песка, трещины кирпича, ползучесть стали и оседание изоляции после тысяч циклов.
• Лучшее тепло-энергия: термофотоэлектрические элементы, сверхкритические турбины CO2 и “аккумуляторы Карно” цикла Брайтона, которые могут поднять электричество в обе стороны.
• Контроль и рынки: каким образом магазин должен выставлять свои предложения на покупку электроэнергии и каким образом тарифы и сетевые сборы могут поощрять его за поглощение избыточной энергии.

Что нужно для рабочего прототипа

Любой, кто хочет протестировать новую идею тепловой батареи, должен начать с малого и измерить все. Полезная первая модель дает измеренное тепло, а не претензию.

Фаза	Работа	Решение, которое оно позволяет	Приблизительная стоимость	Время
1. Стендовое испытание	50-200 кг материала для хранения в изолированном стальном барабане, нагреватель от 2 до 5 кВт, термопары на нескольких глубинах, воздушный или водяной теплообменник, счетчик электроэнергии и счетчик тепла	Энергия на кг, скорость зарядки и разрядки, теплопотери в сутки, измеренная тепловая мощность на кВт·ч в	$5k to $20к	2-4 месяца
2. Велоспорт	100 или более циклов зарядки и разрядки, материалы проверяются до и после	Дрейф долговечности и эффективности	$10k to $30к	6 месяцев
3. Пилотный проект	0,5-2 МВт·ч на реального потребителя тепла (теплица, школа, небольшая сеть) с годовыми данными	Стоимость тепла в расчете на кВт·ч при реальной эксплуатации	$150k to $500к	12-18 месяцев

Кто нам нужен

• Инженеры-теплотехники в теплопередаче, изоляции и конструкции теплообменников.
• Материаловеды для песков, камней, кирпича и керамики при высокой температуре в течение тысяч циклов.
• Операторы центрального отопления, желающие поделиться данными о нагрузке или провести эксперимент.
• Аналитики рынка электроэнергии моделирование стратегий взимания платы и доходов.
• Менеджеры по промышленной энергетике кто знает, где используется технологический пар и сколько он стоит.
• Специалисты по безопасности и сертификации для оборудования под давлением, огнестойких и высокотемпературных поверхностей.

Есть идея получше?

Некоторые члены Фонда могут иметь контакты, которые могли бы услышать идею о сильной энергии. Для того чтобы быть выдвинуты, идея нуждается в работающей, реальной модели, которая фактически производит энергию; для идеи хранения, как это, это означает модель, которая поставляет накопленную энергию обратно, с ее тепло или электричество измеряется на инструменте, не требуется. Идеи на бумаге также приветствуются: если физика и числа тверды, мы можем опубликовать их здесь на сайте. Но привлечение капитала без рабочей модели очень трудно, и здесь нет никаких обещаний финансирования, доходов или введений.

Если у вас есть идея, присылайте ее через форма взноса с проблемой, которую она решает, проверкой физики, приблизительной стоимостью за кВт·ч и самым дешевым тестом, который мог бы доказать ее неверность. Если у вас есть рабочая модель, включите ее измеренный выход и как вы его измерили. На странице источников энергии сравнивается эта и другие альтернативы на идейном радар.

Источники

1. МЭА (2019). Возобновляемые источники энергии 2019: тепло составляет около половины конечного потребления энергии.
2. Полярная ночная энергия (2025). Порнаинская песчаная батарея и Канкаанпяская песчаная батарея.
3. Солнечный термальный мир (2024). Песчаные батареи обеспечивают теплом сети центрального отопления в Финляндии.
4. Холл, М. (2025). Введена в эксплуатацию финская песчаная батарея мощностью 100 МВт. СС Новости.
5. «Симферополь» (2019). Впервые в мире: Siemens Gamesa начинает эксплуатацию своей инновационной системы хранения электротермальной энергии (архивировано).
6. Википедия. Аккумуляторы тепловой энергии, включая цифры проекта Sorø.
7. Энергия Рондо. Рондо Тепловая батарея (претензии компании).
8. Энергия Анторы. Термические батареи (информация о компании).
9. Лапотин, А. и др. (2022). Термофотоэлектрический КПД 40%. Природа 604, 287-291.
10. Ма, З., Дэвенпорт, П. и Чжан, Р. (2020). Анализ конструкции системы накопления тепловой энергии на основе частиц для концентрирования солнечной энергии или хранения энергии в сетях. Журнал хранения энергии 29, 101382.
11. БлумбергНЭФ (2024). Цены на литий-ионные батареи видят самое большое падение с 2017 года, упав до $115 за киловатт-час.
12. Lazard (June 2026). Уровненная стоимость энергии+, версия 19.
13. Ofgem (2026). Удельные ставки ценового потолка на энергоносители, с 1 октября по 31 декабря 2026 года.
14. Local Solar System Фонд. Открытая модель Fan Wall: эталонная солнечная батарея на крыше стоимостью $ 0,19 за кВт.ч.