Kum ve ısı bataryaları

Rüzgarlı, güneşli günlerde pek çok Avrupa şebekesinin kullanabileceklerinden daha fazla elektriği var ve fiyat sıfıra yakın veya hatta altında düşüyor. Birkaç saat sonra aynı şebeke bir prim ödeyecek. Bir ısı bataryası ucuz saatleri yakalamanın en basit yoludur: bir elektrikli ısıtıcı büyük bir kum kütlesi, kırılmış taş veya tuğla yüzlerce dereceye kadar ısıtır, kalın yalıtım ısıyı içeride tutar ve bir fan veya ısı değişimci ihtiyaç olduğunda, günler veya haftalar sonra onu dışarı çıkarır.

Dünyanın nihai enerji kullanımının yaklaşık yarısı elektrik değil ısı (IEA, Yenilenebilir Enerji Kaynakları 2019). Bunun çoğu hala gaz, petrol, kömür veya odun yakmaktan geliyor. Bu da bunu büyük bir ödül haline getiriyor ve bu yüzden de bu sayfa ısı bataryalarının neler yapabileceğine ve neler yapamayacağını çok iyi inceledi. Kısaca: ısı olarak depolandığında ve ısı olarak kullanıldığında, elektrik %85 ila %95 oranında geri gelir; geri elektriğe dönüştürüldüğünde en iyi durumda %30 ila %41 oranında geri gelir. Bu tek gerçek teknolojinin nerede kazanacağına karar verir.

Nedir bu?

Bir ısı bataryası, ayrıca termal batarya veya elektrikli termal enerji depolama olarak da adlandırılır, ucuz bir katı maddede ısı olarak elektrik depolar. Fin şirketi Polar Night Energy, inşaat kumuyla veya kırılmış sabun taşıyla doldurulmuş bir çelik silo kullanıyor ve bunu bölgesel ısıtma ağına bağlayor. Kaliforniya’daki Rondo Energy, fabrikalar için buhar yapmak için ateşsiz tuğlaları 1000 °C’den fazla ısıtır. Antora Energy, karbon bloklarını ışıklandırana kadar ısıtır ve ya ısı veya özel güneş hücreleri gibi paneller aracılığıyla elektrik geri verebilir. Siemens Gamesa, Hamburg’da 750 ° C’de volkanik kayalarda ısı depolayan ve bir buhar türbini ile geri elektrik haline dönüştüren bir pilot çalıştırdı.

Bunların hepsi aynı fikir, farklı sıcaklıklar ve farklı müşteriler. Önemli olan tek sorular: ne kadar sıcak, ne kadar uzun, ne kadar ucuz ve Sıcaklığın ne işe yaradığını.

Nasıl çalışıyor?

Şarj ediliyor. Elektrik dirençli ısıtıcılardan geçer, aynı prensip bir kaynağın veya ekmek kızartma makinesinin. Bu dönüşüm esasen %100 verimlidir: her kilovat-saat elektrik bir kilovat-saat ısıya dönüşür. Polar Night’ın siloları havayı dirençlerle ısıtır ve kumda gömülü borulardan üfler; Rondo’nun ısıtıcıları tuğla üzerine doğrudan radyasyon yayar.

Depolama. Bir katı maddede depolanan enerji E = m × c × ΔT: kütlesi, kendine özgü ısısı, sıcaklık dalgalanması sayıdır. Kuru kum ve çoğu kayacın belli bir ısısı vardır. c Derece başına kilo başına 0.8 ila 1.0 kJ arasındadır. Bir ton kum 150 °C’den 400 °C’ye (250 derecelik bir dalgalanma) ısıtıldığında 1,000 kg × 0.8 kJ/kg·K × 250 K = 200 MJ veya yaklaşık 56 kWh tutar. Pornainen mağazası 2000 tonluk 100 MWh’da çalışır, ton başına 50 kWh, bu da eşleşir. Bölgesel ısıtma tankındaki sıcak su, 90 ° C ve 50 ° C arasında döner, ton başına yaklaşık 47 kWh tutar; kum kazanır çünkü basınçlı bir kap olmadan çok daha sıcak çalışabilir. Karşılaştırma için, lityum-iyon pil hücreleri ton başına yaklaşık 150 ila 250 kWh elektrik tutar.

İçinde tutmak. Sıcaklık yüzeyden, bir hızla Q = U × A × ΔT ile sızar, burada U yalıtımın ne kadar iyi olduğunu ölçer, A yüzey alanı ve ΔT dışarıya sıcaklık farkı. Depolanan enerji hacmi (boyut küpü) ve kayıpları yüzeyle (kare) büyür, bu yüzden daha büyük depoların daha küçük bir kısmı kaybeder. Pornainen’in boyutu için (15 m genişliğinde ve 13 m yüksekliğinde, yaklaşık 970 m² yüzeyi) yalıtım ile kaba tahminimiz derece başına m² başına 0,1 W ve 300 derece farkla geçer: günde yaklaşık 29 kW veya tam bir deponun %0,7’si. Bir bahçe kulübesi büyüklüğünde küçük bir mağaza bu oranın birkaç katı kadar enerji kaybedecektir, bu yüzden kum bataryaları tek evler için değil, kasabalar ve fabrikalar için inşa edilir.

Deşarj. Isı için, bir fan sıcak kumdan hava üfler ve bir ısı değişimci ısıyı ağ için suya iletir. Bu konuda egzotik bir şey yok. Elektrik için, ısı bir motoru çalıştırmalı ve burada fizik sert bir sınır koyar. Herhangi bir ısı motorunun yapabileceği en iyi şey olan Carnot verimliliği, kelvin sıcaklıkları ile η = 1 − T_cold / T_hot’dur. 400 °C (673 K) sıcaklıkta 30 °C (303 K)‘de reddedilen ısı 1 − 303/673 = 55% verir. 750 °C’de tavan %70’tir. Gerçek buhar türbinleri, pompalar ve ısı değişimcileri Carnot rakamının neredeyse yarısına ulaşırlar. Yani bir depo şu şekilde geri döner: %25 ila %40 satın aldığı elektriğin. Danimarka’nın Sorø kentinde bir taş depo için yayınlanan bir tasarım, %30-41 geri elektrik olarak veya %41-58 ısı olarak bekleniyor (Wikipedia, Isı enerjisi depolama).

Pratik sonuç: bir ısı bataryası, Isı satın al En ucuz saatlerde elektrik ağı ile bağlantı kurarak, elektrik depolama Daha sonra, ısı motoru çok daha iyi ya da şarj gücü neredeyse ücretsiz değilse.

Sınırlar

• Teoretik. Özel ısı ve sıcaklık dalgalanması ton başına enerjiyi belirler; Carnot denklemi ne kadarının tekrar elektrik haline dönüşebileceğini belirler. Hiçbir akıllı tasarım da kaçamaz.
• Sıcaklık kullanıma göre. Bölgesel ısıtma 60 ila 120 °C, gıda ve kağıt fabrikaları 150 ila 250 °C, kimyasal ve çimento 400 ila 1.500 °C arasında buharın ihtiyacını karşılar. Yüksek sıcaklıklar ton başına daha fazla depolamakla birlikte, çelik, ateş dayanıklı tuğla ve daha pahalı ve daha zor kullanılan yalıtımlar gerektirir.
• Güç karşısında enerji. Sıcaklık ve ısı değişimi (güç tarafı) genellikle kumdan (enerji tarafı) daha pahalıdır. Sadece birkaç ucuz saatte şarj edilen bir mağaza, çoğu zaman boşta kalan büyük ısıtıcılara ihtiyaç duyar.
• Yılda bir kez düzenlenir. Her bir avroluk ekipmanın bedeli, ısıyı değişimiyle geri ödenmek zorunda. Yılda 200 kez dönen bir mağaza, 20 kez dönen bir mağazadan maliyetini çok daha ince yayar. Polar Night, depolarının yılda 20 ile 200 döngü arasında en iyi çalıştığını söylüyor (Solarthermalworld, 2024).
• Ucuz elektrik olmalı. İşin mantığı, saatlerce sürecek düşük fiyatlara dayanıyor. Finlandiya, Danimarka ve Kaliforniya gibi çok miktarda rüzgar ve güneş enerjisi kullanan şebekelerde bunlar var; az değişken güce sahip olan şebekelerde yok.

Gerçek projeler, ölçülmüş

Proje	Nerede, ne zaman	Depolama ortamı ve sıcaklığı	Boyut	Ne bildirildi?
Polar Night Energy pilotu	Tampere, Finlandiya, 2020	Kum	3 MWh	İlk pilot, şirket tarafından işletiliyor.
Vatajankoski için Kutup Gecesi Enerjisi	Kankaanpää, Finlandiya, Temmuz 2022	4 × 7 m’lik bir çelik siloda 100 ton inşaat kum; yaklaşık 500 °C’ye kadar ısıtılmış, 150 ila 400 °C arasında çalıştırılmış	8 MWh	Üç günlük döngülerde yıllık %85 verimlilik; 100 MWh’ın üzerindeki depolarda %95 hedeflenmiştir (Solarthermalworld)
Isı enerjisi Isı kaynağı	Pornainen, Finlandiya, 2025	2000 ton kırılmış sabun taşı, ateş yapmanın bir yan ürünü; 400 °C’ye kadar	100 MWh, 1 MW	Ağı için %70 daha az emisyon, yılda yaklaşık 160 ton CO2, odun çipi yakımı 60% azaldı, petrol kullanımı sona erdi (ESS News, 2025; Polar Night Energy)
Siemens Gamesa ETES pilotu	Hamburg-Altenwerder, Almanya, 2019	Yaklaşık 1000 ton volkanik kaya, 750 °C’de, elektrik üretmek için buhar türbini	130 MWh ısı	Bir haftaya kadar ısı depolama; gigawatt-saat depoları hedeflenmiştir (Siemens Gamesa, 2019)
Rondo Isı Bataryası	Çok sayıda sanayi sitesi; Covestro, Brunsbüttel, Almanya’da temel atma töreni	Ateş dayanıklı tuğla 1.100 ile 1.500 °C arasında	Birim başına 2 ila 100 MW’ın üzerinde ısı	Şirket %98’den fazla elektrik-ısı verimliliği ve 400 MWh’dan fazla ilan edilen projeleri (Rondo) belirtir; bağımsız olarak yayınlanmadı
Enerji	Kaliforniya, ABD	Katı karbon blokları, parlak sıcak	Endüstriyel ölçekte	Termodinamik, termofotovoltaik hücreler aracılığıyla ısı veya elektrik (Antora). En iyi laboratuvar termofotovoltaik hücresi %40 verimliliğe ulaşmıştır (LaPotin et al., 2022)

Bu masayla ilgili iki uyarı. İlk olarak, rakamların çoğu bağımsız ölçümlerden değil, şirketlerden veya müşterilerinden geliyor. İkinci olarak, Kankaanpää’nin %85’i elektrik birimi başına geri ısıtma; tablodaki kimse ticari ölçekte bir yıl boyunca ölçülen elektrik-elektrik dönüş yolculuklarını yayınlamadı.

Araştırma laboratuvarları sıcaklığı yükseltiyor. ABD Ulusal Yenilenebilir Enerji Laboratuvarı, silisyum kum parçacıklarını 1000 ° C’nin üzerinde ısıtan ve bir güç döngüsüne sürüklemek için bir ısı değişimcisinden geçiren bir depo tasarladı (Ma, Davenport ve Zhang, 2020). 2018 yılında Alphabet’in X’inden çıkan Malta, ısıyı eritilmiş tuz ve soğuk sıvıda depolayan bir “Carnot pil” takip ederek gidiş-dönüş yolculuğu kaldırıyor. Bunlar makul, ölçeklenmiş değil.

Ne kadara mal oluyor?

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). Isı için, rekabetçi bir gaz borusudur.

What gas heat costs. Using round numbers close to European levels in 2025 and 2026 (wholesale gas at €35 per MWh, a carbon price of €70 per tonne, a 90% efficient boiler), heat from gas costs about 5 to 6 euro cents per kWh before the boiler’s own capital cost. Birleşik Krallık’ta fiyat sınırı olan bir ev Ekim 2026’dan itibaren kWh başına 7.97 pence gaz ödemektedir (Kaydet), yaklaşık 8.9 pence/kWh ısı.

Depolanan ısı maliyeti. İki parça: elektrik, verimlilikle bölünmüş ve ekipman, ömrü boyunca ne kadar ısı sağladığı ile bölünmüş. MWh başına 20 €‘luk elektrik (rüzgarlı İskandinav saatlerinde yaygın) %85 verimlilikle kWh başına yaklaşık 2,4 sentlik bir ısıya mal olur. Ekipman kısmı, depolama kapasitesinin kWh başına kurulu maliyetine ve yıldaki tam döngü sayısına bağlıdır. Ne Polar Night ne de müşterileri Pornainen’in fiyatını yayınladı, bu yüzden bir rakam icat etmek yerine aralığı gösteriyoruz (20 yıl, %7 gerçek indirim oranı, döngü başına kullanılan kapasitenin %90’ı):

Kapasite başına kWh kurulum maliyeti	Yılda 20 seans.	Yılda 50 döngü	Yılda 100 döngü	Yılda 200 döngü
$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

• Elektrik öncesi, dağıtılan ısının kWh başına donanım maliyeti. Bizim hesaplamamız.

Lityum-iyon karşısında. Batarya paketleri 2024 yılında ortalama kWh başına $ 115, bir yılda %20 düşüş (BloombergNEF, 2024) ve tam bir grid bataryası paketinden daha pahalıdır. Bir lityum-iyon pil elektriğinin yaklaşık %85 ila %90’ını elektrik olarak geri verir. Kumun kendisi neredeyse hiçbir şeye mal olmuyor: ton başına onlarca dolar ve ton başına 50 kWh ile, araç kWh başına bir doların çok altında. Silo, yalıtkan, ısıtıcılar ve ısı değişimcileri gerçek maliyettir. Bir ısı bataryası sadece kWh başına kurulu toplam maliyeti lityum pillerden birkaç kat daha düşükse anlamlı olur, çünkü geri verdiği şey elektrik değil ısıdır.

Kazanabileceği ve kazanamayacağının yeri.

Kazanabilir:

• Rüzgarlı veya güneşli şebekelerde bölgesel ısıtma. İskandinav ve Baltık kentlerinde ısıtma ağları, çok sayıda ucuz saat ve yerine geçecek odun ya da gaz borusu var. Burası, bugüne kadar her ticari kum bataryasının gittiği yer.
• Endüstriyel buhar ve işlem ısısı yaklaşık 500 °C’ye kadar gıda, içecek, kağıt ve kimyasal üretiminde. Fabrikalar şu anda saatlerce gaz yakar.
• Yağ ve odun yerine Pornainen gibi küçük ağlarda, mağazanın aynı zamanda yakıt tedariklerinde ve yerel hava kirliliğinde tasarruf ettiğinde.
• Rüzgar ve güneş enerjisinin azalması Aksi takdirde kapatılacak olan bir şebeke problemini ısı ürününe çeviriyor.
• Büyük ısı pompalarıyla eşleşme: ısı pompası saatlerin çoğunu verimli bir şekilde kapsar, mağaza fiyat zirvelerini kapsar.

Kazanamaz:

• Genel elektrik mağazası olarak. Geri kalan %25-40’ı ile günlük döngüler için lityum iyon ve jeolojinin izin verdiği yerde pompalanan hidroelektrikten çok kaybeder.
• Tek kişilik evlerdeYüzey kayıpları, yüzlerce derecede güvenlik ve küçük ısıtıcıların maliyeti bunun aleyhine çalışıyor. Bir sıcak su silindri veya bir tampon tankı ile bir ısı pompası işi daha iyi yapar.
• Elektrikin nadiren ucuz olduğu bir yer. Düşük fiyatlı saatler olmadan dükkanların alacağı bir şeyi kalmaz.
• Küçük ölçekte çok yüksek sıcaklıklar. 1000 °C’nin üzerinde, malzemeler, yalıtkan ve güvenlik ciddi bir mühendislik programı haline gelir, bir silo değil.

Kanıtlanmış, muhtemel ve spekülatif olan nedir?

Kanıtlanmıştır: direnç ısıtma elektrik enerjisini neredeyse mükemmel bir şekilde ısıya dönüştürür; E = m × c × ΔT ve Carnot limiti; Finlandiya’da ticari kum depoları bölgesel ısı sağlar, yıllık verimlilik %85 ile 8 MWh; depolar büyüdükçe kayıplar düşer.

Makul: 100 MWh ve üzeri yıllık %95 verimlilik; gazın pahalı olduğu ve ucuz gücün sıkça kullanıldığı rekabetçi bir şekilde buhar sağlayan sanayi tuğla depoları; kapasitenin kWh başına birkaç on dolarlık kurulum maliyeti.

Spekülatif: elektrik-elektrik dönüşümleri ticari ölçekte %50’nin üzerinde (termofotovoltaik veya gelişmiş güç döngüleri tarafından); on yıllar boyunca 1.000 °C’den fazlada pahalı onarım olmadan döngüsel; ısı bataryaları, ağı için lityum iyonlara daha ucuz bir alternatif olarak.

Açık araştırma soruları

• Bağımsız, yayınlanan performans verileri. Her ticari tasarıma göre bir yıllık ölçülen ısı girişi ve çıkışı, kayıplarla birlikte.
• Gerçek kurulum maliyeti kapasite başına kWh ve güç başına kW, basın açıklamaları yerine ihalelerden.
• Isı değişimcileri ısıyı büyük sıcaklık düşmeleri olmadan yavaş iletken bir katı maddeden hızlıca dışarıya taşırlar.
• Maddelerin yaşlanması: kum sinterlenmesi, tuğla çatlaması, çelik sürüklenme ve binlerce döngüden sonra yalıtımın yerleşmesi.
• Daha iyi ısı-gücü: termofotovoltaik hücreler, süper kritik CO2 türbinleri ve Brayton-döngü “Carnot pilleri” elektrik dönüş yolculuğunu kaldırabilir.
• Kontrol ve pazarlar: bir mağazanın elektrik için nasıl teklif vermesi gerektiği, tarifelerin ve ağ ücretlerinin fazla enerjiyi emmesi için nasıl ödüllendirebileceği.

Çalışan bir prototipin neye ihtiyacı olur?

Yeni bir ısı batarya fikrini test etmek isteyen herkes küçükten başlamalı ve her şeyi ölçmelidir. Bir yararlı ilk model ölçülmüş ısı sağlar, bir iddia değil.

Faz	İş	Bu karar,	Tahmini maliyet	Zaman
1. Banka testi	50 ila 200 kg depolama malzemesi yalıtılmış bir çelik davulda, 2 ila 5 kW’lık bir ısıtıcı, birkaç derinlikte termoelektrikler, bir hava veya su ısı değişimi, bir elektrik ve ısı ölçüm cihazı	Kilo başına enerji, şarj ve boşaltma oranları, gündeki ısı kaybı, kWh başına ölçülen ısı	$5k to $20k	2 ila 4 ay
2. Cycling	100 veya daha fazla şarj ve boşaltma döngüsü, malzemeler önce ve sonra kontrol edildi	Dayanıklılık ve verimlilik kayması	$10k to $30k	6 ay.
3. Pilot	Gerçek bir ısı kullanıcısı (sera, okul, küçük ağ) üzerinde 0.5 ila 2 MWh birim, bir yıllık veri ile	Gerçek işletimde ısıtma için kWh başına maliyet	$150k to $500k	12 ila 18 ay

Kime ihtiyacımız var?

• Termal mühendisler ısı transferi, yalıtımı ve ısı değişimci tasarımı.
• Materyal bilimciler Kum, taş, tuğla ve seramik için binlerce döngü boyunca yüksek sıcaklıkta.
• Bölgesel ısıtma operatörleri yük verilerini paylaşmak ya da bir pilotu ağırlamak isteyecekler.
• Güç pazarı analistler şarj stratejileri ve gelirleri modellemek için.
• Endüstriyel enerji yöneticileri Buharın nerede kullanıldığını ve ne kadara mal olduğunu bilenler.
• Güvenlik ve sertifika uzmanları Basınçlı ekipmanlar, yangın ve yüksek sıcaklıktaki yüzeyler için.

Daha iyi bir fikrin var mı?

Vakfın bazı üyelerinin güçlü bir enerji fikri için bir teklif duyabilecek kişilerle temasları olabilir. Bir fikrin ortaya konması için, gerçek hayatta çalışan, aslında güç üreten bir modelBu gibi bir depolama fikri için, bu depolanmış enerjiyi geri veren bir model demektir, ısı veya elektrik bir alet üzerinde ölçülür, iddia edilmez. Kağıt üzerindeki fikirler de memnuniyetle karşılanıyor: fizik ve sayılar sağlam ise, onları burada web sitemizde yayınlayabiliriz. Fakat işleyen bir model olmadan sermaye toplamak çok zor ve burada hiçbir şey finansman, kazanç veya tanıtım sözü vermez.

Eğer bir fikriniz varsa, çözümlediği problem, fizik kontrolü, kWh başına yaklaşık maliyet ve yanlış olduğunu kanıtlayabilecek en ucuz test ile katkı formunu kullanarak gönderin. Eğer çalışma modeliniz varsa, ölçülen çıktısını ve nasıl ölçtüğünüzü de ekleyin. enerji kaynakları sayfası bu ve diğer alternatifleri fikir radarında karşılaştırmaktadır.

Kaynaklar

1. (2019) (İngilizce). Yenilenebilir Enerji 2019: ısı, nihai enerji tüketiminin yaklaşık yarısı.
2. Polar Night Energy (2025) (İngilizce). Örneğin, Aydın ve İzmir.
3. Solarthermalworld (2024) (İngilizce). Kum pilleri Finlandiya’daki bölgesel ısıtma ağlarına ısı sağlar.
4. (İngilizce) Hall, M. (2025). Finlandiya’nın 100 MWh kum pilleri faaliyete geçmiştir. ESS Haber.
5. NGC 2019 (İngilizce). Dünyada ilk: Siemens Gamesa yenilikçi elektrotermal enerji depolama sisteminin işletmeye başlamasını açıkladı (Arşivlendi).
6. Wikipedia. Thermal energy storage, Sorø tasarımı da dahil olmak üzere.
7. Rondo Enerji. Rondo Heat Battery (şirketin iddiaları).
8. Enerji. Termal piller (Şirket bilgisi).
9. (İngilizce) ^ LaPotin, A. et al. (2022). Termofotovoltaik verimlilik %40. Nature 604, 287-291.
10. Ma, Z., Davenport, P. ve Zhang, R. (2020). Güneş enerjisi veya grid enerji depolama için yoğunlaştırılmış parçacık tabanlı termal enerji depolama sisteminin tasarım analizi. Journal of Energy Storage 29, 101382.
11. NGC 2024 (İngilizce). Lityum-iyon pil paketi fiyatları 2017 yılından bu yana en büyük düşüş görüyor, kilovat saat başına 115 dolara düştü.
12. Lazard (Haziran 2026). Levelized Cost of Energy+, sürüm 19.
13. NGC 2026 (İngilizce). Enerji fiyatının üst sınırı birim oranları, 1 Ekim - 31 Aralık 2026.
14. Local Solar System Kuruluş. Fan Duvar açık modeli: kWh başına $ 0.19’luk çatıdaki güneş referansı.
15. Wikipedia. Andasol Güneş Enerji Santrali: birim başına tam yükte yaklaşık 7,5 saatlik eritilmiş tuz depolama.
16. Wikipedia. Mevsimsel termal enerji depolama: Marstal çukur deposu güneş kollektörleri tarafından beslenir.
17. ABD Enerji Bakanlığı (1978). High Temperature Thermal Energy Storage Project: Therm-Bank electric water heater, görüntü fotoğrafı, ABD Ulusal Arşivleri.