Sandbatterier: En utmanare till litiumets herravälde

Kan sand göra batterier föråldrade? Inte överallt – men på fler platser än du kanske tror.

I decennier har litiumjonceller dominerat diskussionen om energilagring. De driver telefoner, bilar och en växande andel av elnätet. Nu håller en familj av tekniker som lagrar energi som värme i billiga, inerta fasta partiklar – ofta beskrivna som "sandbatterier" – på att flytta från labbdemonstrationer till kommersiella projekt. Förespråkare hävdar att dessa system skulle kunna ersätta kemiska batterier för långtidslagring och industriell uppvärmning, och en rad nyligen genomförda demonstrationer har förvandlat den möjligheten till ett konkret affärscase.

Hur ett sandbatteri fungerar

I sin enklaste form är ett sandbatteri en isolerad behållare fylld med ett flödesbart fast material – kvartssand, krossad täljsten eller liknande granulära material – som värms upp med el från vind eller sol. De laddade partiklarna lagras i silor vid hög temperatur (modeller och prototyper har utforskat temperaturer upp till cirka 1 100–1 200 °C). När energin behövs leds hetluft eller ett annat arbetsmedium genom partiklarna för att utvinna värme och antingen leverera den direkt till fjärrvärme och industriella processer eller driva en kraftcykel för att producera elektricitet.

Systemet bygger på ett antal mekaniska innovationer: effektiva elektriska värmare för laddning, ett sätt att flytta och lagra heta partiklar med låga förluster, och en partikel-till-gas-värmeväxlare som kan överföra värme snabbt utan att förstöra kornen. Forskargrupper har tagit fram prototyper av komponenter i laboratorieskala och utvecklat beräkningsmodeller för att visa hur dessa element kan konstrueras för att fungera tillsammans i kommersiell storlek.

Där sandbatterier överträffar kemiska celler

• Materialkostnad: Sand eller krossad sten kostar några tiotals dollar per ton – storleksordningar billigare än de mineraliska råvaror som används i litiumjonceller.
• Varaktighet och skala: Termiska lager briljerar när man behöver lagra energi i många timmar eller dagar. Litiumjonsystem är vanligtvis optimerade för korttidsreglering (två till fyra timmar), medan sandbaserade system utformas för långtidslagring av energi (LDES) – vanligtvis 10–100 timmar. Detta matchar behoven vid säsongsbundna efterfrågevariationer och industriell processvärme.
• Material och försörjningskedjor: Dessa system undviker de koncentrerade geopolitiska och miljömässiga påfrestningar som är kopplade till kobolt, nickel och andra batterimineraler.
• Industriell värme: Eftersom sandbatterier lagrar värme direkt vid höga temperaturer kan de ersätta fossilbränslebrännare i fabriker eller fjärrvärmenät utan ett mellanliggande elkonverteringssteg, vilket förbättrar den totala nyttan i strategier för dekarbonisering.

Dessa fördelar är anledningen till att vissa forskare beskriver partikelbaserad termisk energilagring som en ny generation av lagring bortom begränsningarna för smälta saltsystem och korttidsbatterier. Modeller och tidiga prototyper tyder på attraktiv ekonomi för applikationer som kräver stor kapacitet över långa perioder.

Verkliga framsteg: demonstrationer och de första anläggningarna i kommersiell skala

U.S. Department of Energy’s flaggskeppslaboratorium för förnybar energi har varit en drivande motor i detta arbete. Ett team där har tagit fram prototyper för partikelsystem, publicerat referentgranskade analyser och planerat en demonstrationsanläggning vid deras Flatirons-campus, avsedd att visa 10 till 100 timmars drift och validera komponenter i skala. Laboratoriets offentliga rapportering belyser teknikens potential och den planerade tidsplanen för en banbrytande demonstration under 2025.

Samtidigt har kommersiella installationer fokuserade på värme snarare än el redan nått stadsskala. I Finland har ett företag byggt ett industriellt sandbaserat termiskt lager som nu levererar fjärrvärme till en kommun; installationen har en rapporterad lagringskapacitet i storleksordningen 100 MWh termisk energi och togs i bruk i mitten av 2025. Den anläggningen visar hur konceptet kan användas idag för att minska fossilbränsleförbrukningen i värmenät.

Ingen universallösning – de realistiska begränsningarna

Det är viktigt att vara precis med var dessa system är meningsfulla. Om målet är en mobil enhet, en smartphone eller en elbil, dominerar kemiska batterier fortfarande eftersom de levererar el direkt med hög energidensitet och kompakta formfaktorer. Sand- och partikellagring är skrymmande och stationära; deras styrka är kostnadseffektiv kapacitet för lång varaktighet och högtemperaturvärme, inte volymetrisk energidensitet.

När frågan gäller el-till-el, står partikelsystem inför konverteringsförluster. Laboratorie- och modelleringsarbete från forskargrupper uppskattar att även om den termiska energin i lagringssilon kan ligga kvar över 95 % under flera dagar, modelleras verkningsgraden för el-till-el tur-och-retur – när man väl har värmt partiklarna och senare omvandlar värmen tillbaka till el via en turbin eller Brayton-cykel – vanligtvis i intervallet 50–55 % för hela systemet, efter att hänsyn tagits till interna förluster. Det är lägre än ett litiumjonbatteris elektriska verkningsgrad, men avvägningen är lägre kapitalkostnad per megawattimme lagrad kapacitet och möjligheten att ekonomiskt lagra energi under mycket längre perioder.

Andra tekniska utmaningar kvarstår. Partikelavskavning, upprätthållande av fluidisering och värmeväxlarens hållbarhet vid höga temperaturer är aktiva forskningsområden. Tekniken kräver ny industriell infrastruktur, driftsrutiner och tillståndsprocesser, vilket innebär att det kommer att ta tid och investeringar att skala upp den på många marknader.

Vad detta innebär för elnätet och industrin

Sett i sitt sammanhang med dekarbonisering förändrar termisk lagring i sand och partiklar diskussionen om var och hur samhället bör använda lagring. För att balansera säsongsmässiga eller flerdagarsvariationer och för att ersätta fossil värme i industrin, utgör dessa system en väg med lägre kostnad än att helt enkelt bygga enorma flottor av kemiska batterier. För kortvariga uppgifter med hög effekt – frekvensreglering, snabbladdningstoppar för elbilar eller mobila applikationer – kommer batterier att förbli det rimliga valet.

I praktiken kommer ett koldioxidfritt system att förlita sig på en portfölj av lagringstekniker: snabba elektrokemiska batterier för responstider på sekunder till timmar, pumpkraft eller tryckluft där geografin tillåter, och långvariga termiska system eller flödesbatterier där varaktighet och kostnad är avgörande. Den senaste forskningen från NREL och de finländska kommersiella projekten gör inte batterier föråldrade, men de utökar uppsättningen ekonomiskt livskraftiga verktyg som nätoperatörer och industriplanerare kan använda.

Nästa steg och vad man bör hålla koll på

Förvänta dig aktivitet på tre områden inom den närmaste framtiden: för det första, tekniska demonstrationer som validerar elektrisk verkningsgrad för långtidslagring i megawattskala; för det andra, industriella installationer som ersätter förbränning för processvärme och fjärrvärme; och för det tredje, marknads- och policypiloter som testar hur dessa tillgångar deltar på elmarknader och kapacitetstjänster. Offentligt finansierade demonstrationer schemalagda till 2025 och drifttagningen av kommersiella sandbatterier under 2025 ger redan det evidensunderlag som ingenjörer och investerare behöver för att gå från experiment till bredare utrullningar.

För nätplanerare och energistrateger är detta en inbjudan att tänka bortom cellen. Kemiska batterier kommer att förbli oumbärliga för många användningsområden, men termisk partikellagring tillför ett billigt alternativ för långtidslagring som väsentligt skulle kunna minska mängden sällsynta batterimetaller som krävs för att uppnå en genomgripande dekarbonisering.

James Lawson är vetenskaps- och teknikreporter på Dark Matter med inriktning på energi, rymd och framväxande datorteknik. Denna artikel sammanställer laboratorierapporter, rapporter från nationella laboratorier och tidiga kommersiella installationer för att förklara hur termisk partikellagring kompletterar – och i vissa fall ersätter – konventionella batterier.