沙电池不用锂，而用廉价材料来储存热能。
随着太阳能电池板和风力涡轮机发出更多电力，有一个挑战越来越难以忽视：当可再生能源有电、但当下却没有人需要时，该怎么办？与其让多余电力闲置不用，越来越多热能储存系统正在探索一种异常简单的方案——加热沙子。
这些系统被称为沙电池。它们将电力转化为热量，并储存在装满沙子或类似固体材料、具有高度隔热层的大型容器中。随后，这些热量可以在数小时、数天，甚至可能数月后释放，为区域供热网络和工业流程提供能源。然而，与传统电池不同，它们主要设计用于储存和提供热量，而不是电力。
将多余电力转化为储存的热能
沙电池背后的原理相对简单。当电力充足或价格低廉时，来自电网或风能、太阳能等可再生来源的电力被用来运行电加热元件。这些元件加热空气或其他传热介质，使其在装满沙子的容器内部的管道或通道中循环。
当热空气穿过储存材料时，会把热能传递给周围的沙子。根据设计不同，一些系统可以将材料加热到约600摄氏度（1112华氏度）。
容器周围设有厚实的隔热层，以减缓热量散失。沙子尤其有用，因为它价格低廉、来源广泛、在高温下化学性质稳定，并且能够储存大量热能。它还避免了对锂、钴以及其他某些电化学电池相关材料的需求。
储存的能量多少取决于材料的质量以及其温度升高了多少。简单来说，更多沙子被加热到更高温度，就能储存更多能量。
系统如何释放能量？
当需要热量时，过程反向运行。较冷的空气在炽热的储存材料中循环，吸收其热能，然后通过热交换器。
回收的热量可以传递给水，用于区域供热网络；可用于为工业设备生产蒸汽；也可作为热空气供应给制造和干燥工艺。沙子仍留在隔热容器内，使系统可以在电力可用时重新充能。
这使得沙电池对需要大量、稳定热量供应的行业尤其有吸引力。食品加工、纺织、化工、造纸和其他制造活动往往依赖化石燃料来产生工艺热。热能储存系统可以帮助用可再生来源产生的电力替代其中一部分需求。
它还解决了可再生能源生产中的错配问题。风能和太阳能输出可能全天波动，而工厂和供热网络需要可靠的能源供应。沙电池可以在供应充足时吸收电力，并在需求上升时释放热量。
从芬兰到更大规模的储能
最知名的例子之一来自芬兰公司极夜能源（Polar Night Energy），该公司为芬兰坎坎佩的能源公用事业公司Vatajankoski开发了一套商业沙电池。该设施于2022年开始运行，在一个约7米（约23英尺）高的钢制容器内使用约100吨（约110美吨）沙子。其储热容量为8兆瓦时，向当地区域供热网络供热。
此后，该公司在芬兰波尔奈宁开发了一套规模大得多的设施。该系统不使用普通沙子，而是使用约2000吨（约2200美吨）碎皂石，这种材料也能储存热能。其容量为100兆瓦时，旨在向该镇的区域供热网络供热，并减少对化石燃料和木屑的依赖。
这些项目表明，固体材料储热可以扩展到市政和工业供热。研究人员也在探索能够利用储存热量发电的系统。例如，美国国家可再生能源实验室的ENDURING概念使用电加热的二氧化硅颗粒，并将其储存在隔热的筒仓中。当需要电力时，热颗粒将热量传递给工作气体，驱动与发电机相连的机械。
有哪些局限？
沙电池不能直接替代锂离子电池储能。其主要优势是能够使用相对廉价的材料储存大量热能。但要将储存的热量再转化回电力，需要额外设备，如热交换器、涡轮机或其他发电系统，并会带来能量损失。
还存在工程挑战。沙子的导热性相对较低，意味着热量在其中移动得并不特别快。系统必须经过设计，以有效分配热量、维持有用的输出温度，并限制通过隔热层的损失。其经济性还取决于能否获得廉价电力，以及附近是否存在热量需求。
沙电池最强的应用场景，并不是直接用电力为手机、汽车或家庭供电，而是以供热网络和工厂可用的形式储存可再生能源。随着更多风能和太阳能进入电网，将偶尔过剩的电力转化为可靠的热量，可能成为让可再生能源全天候发挥作用的重要组成部分。
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