该 沙电池已进入能源辩论领域。 乍看之下，这个想法似乎很简单，但它可能会彻底改变大规模可再生能源存储的格局。如今，西班牙和许多其他国家都在不断刷新太阳能和风能发电量的纪录，但主要的瓶颈依然存在：当太阳落山或风停时，我们该如何处理这些能源？
近年来，在以下方面发挥了领导作用： 芬兰、美国和欧洲 他们已经证明，像沙子或碎石这样不起眼的东西，也能变成巨大的“蓄热器”，能够以接近90-99%的热效率储存热量长达数月。这并非魔法或科幻小说，而是精心设计的热工程。让我们详细了解一下这些电池是什么，它们的工作原理，它们的优势和局限性，以及为什么越来越多的专家认为它们可能是解决能源难题的关键一环。
为什么储能是可再生能源面临的最大挑战
在过去 圣周期间，西班牙成功满足了其100%的需求。 每天利用可再生能源发电已成为一个里程碑，而这在几年前似乎还是一个遥不可及的目标。问题在于，这种理想的景象并非一年中的每一天都能实现：风能和太阳能发电具有间歇性，受天气影响，而且发电时间并不总是与用电高峰期重合。
为了拼凑出这个谜题，他们已经部署了 大型锂电池、氧化还原液流系统抽水蓄能水电站、压缩空气储能和无处不在的绿色氢能都是有帮助的解决方案，但没有一种是能够单独解决季节性和长期储能问题的“灵丹妙药”。
如果没有一个健全的系统 每个可再生能源项目都集成了储能装置充分利用太阳能和风能发电场并非易事：要么在发电过剩时期造成能源浪费，要么在发电不足时需要使用化石燃料。因此，人们正在探索与现有技术互补而非竞争的替代方案。
什么是沙电池？
电话 沙电池是一种热能存储系统 热能储存系统（TES）利用沙子或其他致密颗粒状材料（例如碎滑石）来储存热量。它们并非像锂电池那样的化学电池：没有电极或电解质，而是一个装满固体材料的隔热筒仓，通过电能（最好是可再生能源）加热。
这个想法很简单：它用于 廉价电力（通常是非高峰时段的太阳能或风能） 加热电阻器。这些电阻器会提高筒仓内循环空气的温度，并将热量传递给沙子。物料温度可达到约 500°C，在某些实验设计中甚至可达 600°C 或更高，并能保持数周或数月之久。
从物理角度来看，沙子起到了……的作用 由于其高 热容 其低导热性减少了热损耗。当需要热能时，空气或其他流体通过筒仓，储存的热量被收集起来，用于向区域供热网络、工业锅炉或需要蒸汽、热水或高温空气的工艺流程供热。
就性能而言，这些电池可以达到 热存储效率为90-99%换句话说，几乎所有以热能形式输入的能量都可以回收再利用。但当尝试将这些热能转化为电能时，效率就会下降：目前的设计发电效率在40%到70%之间，试点项目的典型值甚至低于50%。
充放电循环的详细工作原理
这些电池的生产过程基于…… 隔离筒仓内的电阻加热在充电阶段，绿色电力驱动加热元件，提高空气温度。然后，升温后的空气通过通常由钢制成的内部管道网络循环，这些管道穿过沙土或碎石层，将热量传递给沙土或碎石层。
一旦 沙堆已达到工作温度 （在许多商业项目中，温度约为 500°C，而在像 Polar Night Energy 这样的尖端项目中，温度可高达 600°C），沙子几乎处于“静止”状态。好消息是，如果筒仓隔热良好，沙子散热非常缓慢，因此可以将其大部分能量保留数月之久。
在排气阶段，系统会强制冷空气或其他导热流体通过高温材料。 空气被加热后，用于驱动热交换器。 它们为供热网络加热水，为汽轮机产生蒸汽，或直接用作工业生产过程中的热空气。本质上，这是一个高度可控的热力循环系统。
当目标是发电时，过程就变得更加复杂：利用热空气产生蒸汽，蒸汽驱动涡轮机再次发电。这一步骤会引入显著的热损失和机械损失，因此…… 电效率明显低于热效率即便如此，像 ENDURING（来自美国国家可再生能源实验室）这样的项目正在探索如何微调这些周期，使其在大国中具有竞争力。
使用沙子作为储存介质的主要优势
这项技术的优势之一在于材料本身： 沙子储量丰富、价格低廉且无毒。我们说的不是锂、钴或稀土，而是一种广泛存在的资源，根据美国国家可再生能源实验室 (NREL) 的数据，低质量沙子的成本约为每吨 30-50 美元。
此外，还使用了沙子和碎滑石。 侵入性更小的拔除和治疗过程 与电化学电池相比，其对环境的影响要小得多，无论是在制造阶段还是在其使用寿命结束时：大部分相关排放来自筒仓钢材、隔热材料和运输的生产过程。
另一个非常有趣的观点是…… 预计使用寿命超过30年与锂电池性能会随着充放电循环而下降不同，沙子不会以同样的方式“老化”。磨损主要集中在机械部件（管道、风扇、加热元件）上，这些部件可以相对容易且成本有限地更换。
由于这些是静态系统，没有复杂的化学反应， 维护要求极低，且不会产生有害废物。不存在电解液泄漏、电池自燃或稀有材料大规模回收利用方面的问题，而随着锂电池数量的增加，这些问题正变得越来越令人担忧。
此外，该技术在材料方面非常灵活： 使用建筑用砂并非必要条件。任何具有良好热性能的高密度颗粒材料都可以使用：例如滑石等碎石、陶瓷工业副产品等。这为利用当地废弃物作为储存介质的循环经济模式打开了大门。
局限性、初始成本和市场挑战
当然，这并非全是优点。主要的缺点是： 作为一种热能存储它们自然输出的是热量，而不是电能。这使得它们不如锂电池用途广泛，锂电池可以直接为从家庭到车辆的任何用电设备供电。
当试图完成完整的电-热-电循环时， 整体效率显著下降即使在最乐观的设计中，效率也只能维持在 40% 到 70% 之间。实际上，目前的商业项目主要集中在热能应用领域（区域供热、工业流程），这些领域的效率几乎可以达到 90% 到 99%，这项技术也因此真正具有竞争力。
另一个障碍是初始投资：建设…… 大型保温筒仓，并入区域供热网络 虽然先进控制技术的实施会带来相当大的成本，但对于长续航时间而言，其每千瓦时存储成本明显低于锂电池。
在监管层面，能源市场规则也至关重要。 这些电池需要能够充分补偿其灵活性的框架。 它们通过参与备用市场、平衡服务或高峰需求等方式做出贡献。如果没有明确的机制，投资回报期可能会延长，从而阻碍其广泛应用。
最后，可行性取决于 地理和气候背景在区域供热网络完善且气候寒冷的地区（例如芬兰），沙池供暖系统非常适用。而在气候温暖的地区或缺乏集中供暖经验的地区，这种模式需要进行调整，或者更适合工业生产而非家庭供暖。
芬兰：沙电池的真实世界实验室
如果说哪个国家强烈接受了这种理念，那就是那个国家了。 芬兰，其中 Polar Night Energy 公司处于领先地位两位工程师 Markku Ylönen 和 Tommi Eronen 于 2018 年开始构思这一概念，短短几年内，他们就将朋友之间的项目发展成为几个已经投入运营并吸引国际关注的商业设施。
第一台功能齐全的沙电池安装在…… 坎卡安帕市这是一个装满约100吨低品质沙子的钢制筒仓，与区域供热管网相连，并由剩余可再生能源供电。该装置是与能源公司Vatajankoski合作开发的。
在 Kankaanpää，廉价电力来自 太阳能和风能发电场将沙子加热到约 500 摄氏度热量可以储存数月，并在能源价格上涨或热需求增加时（例如芬兰冬季较冷的月份）释放出来。
极夜能源公司的工程师声称，这种电池可以让沙子靠近那些 在 500°C 下持续三个月或更长时间损耗相对较低。产生的热量用于加热区域供热管网中的水，进而为住宅、办公楼和公共设施（包括市政游泳池）提供供暖。
该试点项目在早期阶段得到了坦佩雷地方当局的资助和支持，他们提供了场地和资金，以便在一家纸浆厂测试该技术。 良好的性能促使我们扩大系统规模。 并将其永久整合到 Kankaanpää 中，以证明它可以是一个真正的作品，而不仅仅是一个实验室原型。
波尔奈宁的大型电池：100兆瓦时，采用碎石制成
极夜能源公司的下一个飞跃已经实现。 波尔奈宁 (芬兰的一个市镇) 这里建起了据说是世界上最大的沙堆。实际上，这里的主要材料并非海滩沙，而是碎滑石，一种烟囱制造的工业副产品。
波尔奈宁电池的圆柱形结构大约有 高13米，直径15米筒仓内装有约2.000公吨这种碎石。所有这些都存放在一个隔热良好的筒仓内，该筒仓与Loviisan Lämpö公司运营的区域供热厂相连。
通过这种配置，系统可以实现 储热容量为100兆瓦时，输出功率最高可达1兆瓦根据提供的数据，它可以满足该市在隆冬时节大约一周的供暖需求，甚至在淡季可以满足整整一个月的供暖需求。
运营效率大约 纯热应用效率为 85-90%其运行原理与 Kankaanpää 相同：利用可再生电力加热电阻器，热空气将能量传递给碎石，并在需要时回收热量以供应供热网络。
该设施的目标之一是大幅减少 使用木屑和其他燃料 在区域供热方面，预计可减少60%的能源消耗，并每年减少高达160吨的二氧化碳排放。此外，选用碎滑石粉利用了当地的废弃物，避免了使用建筑用砂，这非常符合循环经济战略。
从电气系统的角度来看，波尔奈宁电池也发挥着作用。 能源储备市场当可再生能源发电量较高时，它可以吸收多余的电力；当系统需要时，它可以释放热量。极夜能源公司目前正在开展一个试点项目，将部分热量转化为电能，这将进一步提高该设施的灵活性。
地缘政治影响和芬兰能源背景
芬兰大力推广这些电池也具有很强的地缘政治因素。 该国严重依赖俄罗斯天然气。 为了供暖和发电，以及入侵乌克兰，加上申请加入北约，导致莫斯科切断了天然气和电力供应。
在一个冬季漫长而极其寒冷的国家， 对缺乏热量和光照的担忧 这完全合情合理。沙电池提供了一种相对快捷且经济高效的方式，可以将夏秋两季的可再生能源储存起来，并在严冬时节使用，从而降低受外部供应中断和天然气价格波动的影响。
极夜能源公司估计，就波尔奈宁的案例而言，电池可能 减少高达70%的碳排放 与区域供热相关的。这类数据对那些既想实现气候目标又不想牺牲供热安全的市政当局和政府来说极具吸引力。
许多分析师认为这一点并非巧合。 芬兰已成为首个拥有商业化运营的沙电池的国家。 该工厂已全面投入运营。除了引人注目的新闻报道之外，它还是评估这项技术的稳健性、实际成本和具体效益的理想试验场。
这些工厂的负责人坚称，他们成功的关键在于将……结合起来。 这是一个技术上很简单的想法，但它与能源领域息息相关。瓦塔扬科斯基工厂厂长佩卡·帕西本人承认，起初用沙子填充筒仓来为城市供暖的想法“有点疯狂”，但结果表明，这一冒险之举是正确的。
美国沙电池项目：ENDURING案例
芬兰正在推出与区域供热相连的商业系统，而在大西洋彼岸， 美国国家可再生能源实验室（NREL） 它正在开发一个更雄心勃勃的概念，专注于大规模储能和发电：ENDURING 项目。
ENDURING 遵循使用颗粒材料作为热介质的基本原理，但添加了一种关键成分： 利用重力和机械运输系统沙子不是静止不动，而是通过传送带提升到加热区，在那里沙子会经过电阻器，温度高达 1.200°C。
这个比喻非常形象：就像 把沙子撒到烤面包机的加热元件上。加热后的沙子储存在上部筒仓中，当需要能量时，沙子依靠重力向下流经热交换器，产生蒸汽驱动汽轮机。产生的蒸汽驱动发电机，将电力输送回电网。
根据这种方法，NREL 估计 储能容量高达26.000兆瓦时这一数据将沙电池的概念提升到了一个全新的高度。尽管该系统的能量密度低于其他技术，但计算表明，其储能成本可低至每千瓦时2美元，远低于长寿命锂离子电池的成本。
与芬兰的项目一样，NREL指出沙子是 一种稳定、低成本且对环境影响相对较小的材料 无论是在提取阶段还是在使用结束时，ENDURING 都能提供可靠的性能。其目标并非在短期应用领域与锂竞争，而是为季节性和工业存储提供稳健的解决方案。
沙电池的主要用途
至少就目前而言，最热门的应用是…… 并入区域供热网络在 Kankaanpää 或 Pornainen 等地，沙电池直接连接到现有系统，使可再生能源的剩余部分能够被吸收，并在气温下降时以稳定且廉价的热能形式释放出来。
除了家用供暖之外，这些电池还具有巨大的应用潜力。 需要温度在 60 至 400 °C 之间的工业过程我们指的是食品、纺织、轻化工或制药等行业，这些行业目前都在燃烧天然气或煤炭来产生工艺热。
通过提供来自可再生电力的热空气、过热水或蒸汽，沙电池可以 直接替代化石燃料这样既能降低成本，又能减少二氧化碳排放。对于许多工厂来说，这种替换可以逐步进行，将蓄热装置作为现有锅炉的备用方案。
另一个仍在开发中的应用程序是 将储存的热能转化为电能Polar Night Energy和其他公司已经在研发针对此类系统优化的原型涡轮机。目前，这种转换的预期效率低于40%，但涡轮机械、热力循环和隔热技术的改进有望提高这一数值。
一个非常有趣的观点是…… 旅游区或需求高峰区的季节性存储在西班牙沿海等地区，由于旅游业和空调的使用，夏季电力消耗量会飙升，将大型蓄热罐连接到太阳能发电厂可以帮助避免在关键时刻出现电网过载和供电中断。
不同气候条件下储存热量的持续时间和行为
由于其热性能，沙子可以 长时间保持 500°C 以上的温度 只要筒仓隔热良好，热量损失就比较小。高比热容和低导热系数的结合意味着热量“留在筒仓内部”并缓慢释放。
在像芬兰这样寒冷的气候下，这允许 整个夏季储存热量在可再生能源产量通常较高的地区，能源可以储存起来供冬季使用。在温带或温暖气候地区，原理相同，只是充放电模式有所不同：可以在晴天储存能源，供寒冷的夜晚使用，或用于需要全年稳定供热的工艺流程。
由于沙电池系统对外部温度非常不敏感（例如，与更容易受冷热影响的化学电池相比），因此沙电池具有良好的稳定性。 它们在北欧和地中海环境下都能可靠运行。关键因素在于隔热材料的合理设计及其与当地热需求的结合。
就芬兰而言，这项技术正是为此而设计的。 熬过严酷漫长的冬季这表明，在西班牙等国家，由于气温波动较小，如果系统规模合适，损失可能会更低，因此该系统具有一定的潜力。
从实际角度来看，可提取的有效热量的持续时间取决于…… 筒仓尺寸、隔热质量和消耗情况持续低功率放电的储能设施与仅在高峰用电时段放电的储能设施截然不同。无论哪种情况，我们都在讨论数周甚至数月的持续时间，而目前很少有储能技术能够以合理的成本提供如此长的持续时间。
它们可以安装在哪些地方？这对西班牙等国家有何影响？
尽管第一座商用砂电池安装在芬兰， 这项技术很容易在其他地区复制。从本质上讲，只需要一个靠近发电厂（太阳能、风能、生物质能等）的场地，足够的空间来建造隔热筒仓，以及明确的热需求即可。
模块化设计允许 根据当地需求调整存储容量从为工业园区供电的小型电池到能够为整个城市供电的大型设施，这些材料（沙子、碎石、副产品）的灵活性也使其能够适应不同的环境，充分利用各个地区的可用资源。
在西班牙，可再生能源发电正以良好的速度增长，并且已经出现过电网紧张的情况，例如…… 2025年4月底发生大停电拥有大量低成本的储能资源将特别有利，不仅可以防止可再生能源外流，还可以缓解高峰需求并稳定价格。
沿海旅游区、供暖网络尚处于起步阶段的大都市区或高耗能产业集中的地区可能 这类设施能带来显著益处。然而，一个能够认识到热灵活性的价值并促进其与能源系统其他部分融合的监管框架将是关键。
在结合锂电池、氢能工厂、抽水蓄能和沙中储热的方案中， 每项技术都发挥了其最擅长的作用。锂电池可满足快速响应和短期需求管理的需求；抽水蓄能和氢能可解决部分季节性需求；而沙电池则被定位为大规模供热的可靠且廉价的解决方案。
极夜能源、ENDURING 等项目以及其他类似计划的发展历程清楚地表明： 未来的存储将不再仅仅依赖于稀有材料或复杂的解决方案。有时，关键在于重新学习如何利用沙子等日常资源，并将它们巧妙地融入日益可再生、分布式和需求更高的能源系统中。
