沙子和热电池

在阳光充沛、风大时，许多欧洲电网的电量超过了使用能力，价格接近于零甚至低于零。 几个小时后,同一电网支付溢价。 热电池是捕捉廉价小时的最简单方法:一个电加热器将大量沙子、碎石或砖块加热到数百度,厚厚的绝缘层保持热量,当需要时,风扇或热交换器会在几天或几周后把它们带走。

世界上大约一半的最终能源使用是热能,而不是电力(IEA, 可再生能源2019 ) 。 大部分仍然来自燃烧天然气、石油、煤炭或木材。 这使得这是一个大奖,这就是为什么这个页面需要一个硬看热电池能做什么和不能做。 简短的版本: 储存为热量并用作热量,电力回来的85%到95 % ; 转化成电力,它回来的30%到41 % 。 这一事实决定了技术的胜利。

什么是

热电池,也称为热电池或电化热能储存器,以热的形式将电力储存在廉价的固体中。 芬兰公司Polar Night Energy使用一个钢制筒仓,里面装满了建筑用砂或压碎的肥皂石,并将其连接到区域供热网络。 加利福尼亚州的Rondo Energy将耐火砖加热到1000°C以上,为工厂生产蒸汽。 Antora Energy 将碳块加热到发光,并且可以回收热量或通过特殊的太阳能电池板产生电力。 西门子在汉堡进行了一个试点项目,将热量储存在750°C的火山岩中,并通过蒸汽涡轮机将其转化为电力。

这些都是同样的想法,不同的温度和不同的客户。 唯一重要的问题是:多热,多久,多便宜,以及 什么是热量。

它是如何工作的

充电。 电流通过电阻加热器,与水壶或烤面包机的原理相同。 这种转换效率基本上是100 % : 每一千瓦小时的电能就变成一千瓦小时的热量。 极夜的筒仓用电阻加热空气,并通过埋在沙中的管道吹送;Rondo的加热器直接辐射到砖上。

储存。 固体中储存的能量是 E = m × c × ΔT:其质量乘以比热乘以温度波动。 干燥的沙子和大多数岩石的比热c约为每千克每度0.8至1.0千焦耳。 一吨沙子在150°C至400°C的温度下(250度的转动)可以储存1,000 kg × 0.8 kJ/kg·K × 250 K = 200 MJ,或约56千瓦时。 波纳宁仓库的工作量为100兆瓦时,2000吨, 每吨50千瓦时, 这是匹配。 区域供热水箱中的热水在90°C和50°C之间循环,每吨约有47千瓦时;沙子胜出,因为它可以在没有压力容器的情况下运行得更加热。 相比之下,锂离子电池每吨大约能够储存150到250千瓦时的电力。

把它留在里面。 热量通过表面以一定的速度泄漏出去 Q = U × A × ΔT其中 U 测量绝缘有多好, A 是表面积和 ΔT 温度差到外面。 储存的能量随体积(大小的立方)和损失与面积(平方)增长,所以 更大的商店损失的比例较小。 我们对一个Pornainen的仓库大小(15米宽、13米高,约970平方米表面积)的筒仓进行了粗略估算,其绝缘层每度每平方米能够通过0.1瓦特,温差为300度:每天约29千瓦,占满仓库容量的0.7 % 。 一个花园棚子大小的小商店会失去几倍于这一比例,这就是为什么沙电池是建造的城镇和工厂,而不是单独的房屋。

放电 对于热量,风扇通过热沙吹气,热交换器将热量传递给网络的水。 这一点并不奇怪。 对于电力,热量必须驱动发动机,而物理学在这里设置了一个严格的限制。 卡诺效率,任何热机能够做到的最好,是η = 1 − T_cold / T_hot,温度以开尔文为单位。 400°C(673 K)的热量在30°C(303 K)时被排除,得到1 − 303/673 = 55%。 在750°C时,上限为70 % 。 真正的蒸汽涡轮机、泵和热交换器大约达到卡诺数的一半,所以一个储存器返回的东西像 25%至40% 的电力。 丹麦索罗市的一家石材商店的设计预计能够将30%到41%的电力或41%到58%的热量回收(Wikipedia, Thermal energy storage ) 。

实际结论:一个热电池是一个很好的方式 买热 一个人在这里,是不可能有什么好处的。 储存电力 除非热引擎变得更好,或充电功率几乎是免费的。

限制

• 理论上 特定热量和温度波动决定了每吨能量的数值;卡诺方程式决定了多少能量可以再次转化为电力。 没有聪明的设计也不会逃脱。
• 温度与使用相匹配。 区域供暖需要60至120°C,食品和造纸厂需要150至250°C的蒸汽,化学品和水泥需要400至1500°C。 温度较高的情况下,每吨储存量更多,但需要钢材、耐火砖和绝缘材料,这些材料成本更高且磨损更大。
• 电源与能量。 加热器和热交换器(电源侧)通常比沙子(能源侧)更昂贵。 一个只在几个便宜的小时内收费的商店需要大型加热器,这些加热器大部分时间都处于闲置状态。
• 每年的周期。 每一欧元的设备必须通过其转移的热量来偿还。 一个每年循环200次的商店,其成本分布远比一个循环20次的商店更为薄弱。 极夜公司表示,其储存库每年最好能够进行20到200次循环(Solarthermalworld, 2024 ) 。
• 廉价电力必须存在。 商业案例依赖于许多小时的低价格。 拥有大量风能和太阳能的电网,如芬兰、丹麦和加利福尼亚州的电网,都有这些;而没有多少可变功率的电网则没有。

实际项目，计量

项目	何时、何地	存储介质和温度	规模	报告内容
极夜能源试点	芬兰坦佩雷,2020年	沙	3兆瓦时	由公司运营的第一个试点项目
极夜能源为Vatajankoski	Kankaanpää, Finland, July 2022	100吨建筑用砂在一个4×7米的钢筒仓中;加热至约500°C,运行温度为150至400°C	8兆瓦时	85%的年效率在三天周期;95%目标是100兆瓦小时以上的储存 ( Solarthermalworld)
极地夜间能源	芬兰波尔奈宁,2025年	2000吨粉碎的肥皂石,壁炉制造的副产品;高达400°C	100兆瓦小时，1兆瓦	70% lower emissions for the network, about 160 t of CO2 a year, woodchip burning down 60%, oil use ended (ESS News, 2025; Polar Night Energy)
西门子集团ETES试点项目	德国汉堡-阿尔滕韦尔德,2019年	约1000吨750°C的火山岩,蒸汽涡轮机回收电力	130兆瓦时的热量	储存热量长达一周;针对千兆瓦时储存 ( Siemens Gamesa, 2019)
龙多热电池	几个工业基地;德国布伦斯比特尔科思创的开拓	1,100至1,500°C的耐火砖	每个单元的热量从2到100兆瓦以上	公司声称超过98%的电热效率和超过400兆瓦时的已公布项目(Rondo ) ; 未独立发表
安托拉能源	美国加利福尼亚州	固体碳块,发光热	工业规模	通过热光伏电池(Antora)产生热量或电力。 最好的实验室热光伏电池的效率达到40 % ( LaPotin et al., 2022)

关于这个表格有两点要注意。 首先，大部分数据来自公司或其客户，而不是独立测量。 第二,坎卡恩帕85%是 单位电力的热回收;表中没有人公布过一年的商业规模电力往返测量。

研究实验室正在推动温度上升。 美国国家可再生能源实验室设计了一个将硅砂颗粒加热到1000°C以上并通过热交换器释放的储存装置,以驱动电力循环(Ma, Davenport and Zhang, 2020 ) 。 马耳他,在2018年从Alphabet的X分离出来,追求”卡诺电池 ” , 在熔盐中储存热量和冷却液体中的冷却,以提升往返旅程。 这些都是可信的，但没有得到大规模证明。

什么是它的成本

热电池不会产生电力,所以他们诚实的基准不是太阳能电池板,而是 他们所替代的热量。 我们的全站新建筑物电力基准仍然是屋顶太阳能约 每千瓦时0.19美元 在我们的开放 风扇墙模型, 在拉扎德的六月 2026 范围内的商业屋顶太阳能 $0.09 to $每千瓦时0.20美元(拉扎尔LCOE+2026). 对于热量,竞争者是燃气锅炉。

什么燃气热成本。 按照2025年和2026年接近欧洲水平的圆形数字(批发天然气价格为每兆瓦时35欧元,碳排放价格为每吨70欧元,效率达90%的锅炉 ) , 天然气供热成本约为 每千瓦时5至6欧分 锅炉的自身资本成本之前。 A household on the UK price cap pays 7.97 pence per kWh for gas from October 2026 (Ofgem), about 8.9 pence per kWh of heat.

什么存储热成本。 两个部分:电力,除以效率,和设备,除以它在其寿命期间提供了多少热量。 电力成本为每兆瓦时20欧元(在北欧风大时常见)效率为85 % , 每千瓦时热量约为2.4美分。 设备部分取决于每千瓦时储能的安装成本和一年内的完整循环次数。 Polar Night 及其客户均未公布 Pornainen 的价格,因此我们将显示范围而非发明数字(20 年,7% 实际折扣率,每周期使用容量的 90 % ) :

每千瓦时发电能力的安装成本	每年20个周期	每年50个周期	每年100个周期	每年200个周期
$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

*每千瓦时供热的设备成本,电费前。 我们的计算 * 。

对抗锂离子 电池组平均数 每千瓦时115美元 2024年,一年内下降20 % (彭博社，2024年) , 而一个完整的电网电池成本比其包。 锂离子电池将大约85%到90%的电量作为电力回收。 沙子本身几乎不需要花费任何成本:每吨数十美元,每吨50千瓦时,而介质的成本远低于每千瓦时一美元。 筒仓、绝缘材料、加热器和换热器是真正的成本。 只有当其每千瓦时的整体安装成本比锂电池低几倍时,热电池才有意义,因为它所提供的是热量而不是电力。

哪里可以赢,哪里不能

它可以赢得:

• 在风或阳光充足的电网区域供暖。 北欧和波罗的海城市与热能网络,许多廉价的小时和木材或燃气锅炉替换。 这就是到目前为止每个商业沙电池的去向。
• 工业蒸汽和过程热量高达约500 °C 食品、饮料、造纸和化学品等行业,目前工厂全天候燃烧气体。
• 取代石油和木材 在小型网络中,如在波纳宁,这家商店还节省了燃料运输和当地空气污染。
• 吸收被限制的风能和太阳能,否则会关闭,将电网问题转化为热产品。
• 与大型热泵配对:热泵覆盖大部分小时高效,商店覆盖价格峰值。

它不能赢得:

• 作为一个一般的电力商店。 25%到40%的回报率,它在日常循环中和地质条件允许的地方输给了锂离子电池和抽水式水力发电。
• 在单独的家庭, 表面损失, 在数百度的安全和小加热器的成本工作对它. 热水瓶或带缓冲槽的热泵能够更好地完成这项工作。
• 在那里电很少便宜。 没有很多低价小时,商店什么也买不了。
• 小规模的非常高温。 超过1000°C时,材料、绝缘和安全成为严肃的工程项目,而不是孤岛。

什么是证明,合理和推测

Proven: resistance heating converts electricity to heat almost perfectly; E = m × c × ΔT and the Carnot limit; commercial sand stores deliver district heat in Finland, with 85% reported annual efficiency at 8 MWh; losses fall as stores get larger.

可行: 100兆瓦时及以上的年效率为95 % ; 在天然气昂贵、电力便宜的地方,工业砖厂能够有竞争力地提供蒸汽;每千瓦时产能安装成本为几十美元。

投机性： 商业规模的电-电回路超过50%(通过热光伏或先进的电力循环 ) ; 数十年在1,000°C以上循环而不需要昂贵的维修;加热电池作为锂离子电网电力的更便宜替代品。

开放式研究问题

• 独立的,发布性能数据。 一年计量热量进出,损失,每个商业设计。
• 实际安装成本 电力供应商的报价,而不是新闻稿。
• 热交换器 能够在不产生大幅温度下降的情况下,快速地将热量从导电性较低的固体中移出。
• 材料老化:沙烧结,砖裂开裂,钢蠕变和绝缘沉降后的数千个周期。
• Better heat-to-power: thermophotovoltaic cells, supercritical CO2 turbines and Brayton-cycle “Carnot batteries” that could lift the electricity round trip.
• 控制和市场: 商店应该如何竞标电力,以及关税和网络费用如何奖励它吸收剩余电力。

一个工作原型需要什么

任何想要测试新的热电池理念的人都应该从小开始,并对一切进行测量。 一个有用的第一个模型提供了测量热量,而不是声称。

阶段	工作	决定它能够	粗成本	时间
1. 实验室测试	50到200公斤的储存物料,装在绝缘钢桶中,2到5千瓦加热器,几个深度的热电偶,空气或水交换器,电表和热量计	每千克能量,充放电率,每天热损失,测得的热量每千瓦时	$5k to $20k	2至4个月
2. 自行车	100次或以上的充放电周期,在充放电前后检查材料	耐久性和效率漂移	$10k to $30k 开奖记录	6个月
3. 试点	0.5至2兆瓦时单位的真实热量用户(温室、学校、小型网络)数据,一年	实际运行中每千瓦时热量的成本	$150k to $500k	12至18个月

我们需要谁

• 熱力學工程師 热传导、绝缘和换热器设计。
• 材料科學家 用于在高温下经过数千次循环处理沙子、石头、砖块和陶瓷。
• 区域供热运营商 愿意分享负载数据或主办试点。
• 电力市场分析师 为充电战略和收入建模。
• 工业能源经理 他们知道工艺蒸汽在哪里使用,以及它的成本。
• 安全和认证专家 用于压力设备、防火和高温表面。

还有更好的主意吗?

基金会的一些成员可能有联系人,可以听到一个强大的能源想法。 要想被投掷,一个想法需要一个 一个工作的,真实的模型,它能够产生电力对于像这样的储存理念,这意味着一个能够将储存的能量提供回来的模型,其热量或电力在仪器上测量,而不是声称。 我们也欢迎您的论文想法:如果物理和数字是坚实的,我们可以在这里发布它们。 但没有一个工作模式,筹集资金是非常困难的,这里没有什么是融资、回报或介绍的承诺。

如果你有一个想法,请通过贡献表格发送它,并附上它解决的问题、物理检查、每千瓦时的大致成本以及可以证明它错误的最便宜的测试。 如果你有一个工作模型,请包括它的测量输出以及你如何测量它。 能源来源页面比较了这个和其他的想法雷达上的替代方案。

来源

1. 国际能源机构(2019年)。 可再生能源2019:热量约占最终能源消耗的一半。
2. 极夜能源(2025年)。 Pornainen沙电池参考 和 Kankaanpää参考。
3. 太阳能热力世界(2024年)。 沙电池为芬兰的区域供热网络提供热量。
4. 霍尔，M. (2025). 芬兰100兆瓦的沙电池已经投入运行。 新闻.
5. 西门子集团(2019年) 世界首创:西门子热电系统开始运行 (存档 ) 。
6. 维基百科。 热能储存,包括索勒设计图。
7. 能源效率。 Rondo热电池 (公司声称 ) 。
8. 安托拉能源 热电池 (公司信息 ) 。
9. 拉波丁等人 (2022). 热光伏效率为40 % 。 Nature 604, 287-291.
10. 马,Z.,达文波特,P. 和张,R. (2020). 集中太阳能或电网能源储存的粒子热能储存系统设计分析。 能源储存学报 29, 101382.
11. 彭博社NEF(2024年)。 锂离子电池组价格自2017年以来下跌幅度最大,跌至每千瓦时115美元。
12. Lazard (June 2026). 能源成本的平衡,版本19.
13. Ofgem (2026). Energy price cap unit rates, 1 October to 31 December 2026.
14. Local Solar System 基金会。 风扇墙开放模式:每千瓦时$ 0.19的屋顶太阳能基准。