任何曾經在陽光明媚的日子里赤腳走過海灘的人都會更加了解沙子能保留多少熱量。隨著加熱沙技術成為滿足能源儲存需求的一部分，這種能力預計將在未來發揮至關重要的作用。

大多數人想到的可能是儲存能量以備後用的電池，但也存在其他技術。抽水蓄能水力發電是一種常見的方法，儘管這種方法需要不同海拔的水庫並且受到地理的限制。另一種方法則是依賴所謂的熱能儲存，或TES，它使用熔鹽甚至過熱的岩石。

TES有望作為現有儲存技術的低成本替代方案，並將能量儲存在沙子等固體顆粒中，提供了現成的答案，不受地質限制。

畢竟，沙子就像空氣和水一樣，無所不在。

「沙子很容易取得。它很環保。它在很寬的溫度範圍內都很穩定，非常穩定。而且成本也很低，」實驗室熱能係統組的機械工程師馬志文說。

長期儲存的需要

NREL 開發和原型設計的專利技術揭示了加熱器如何由再生能源像風能和太陽能一樣可以將沙粒的溫度提高到所需的溫度。然後將沙子放入筒倉中進行儲存和使用，用於發電或在工業應用中用於製程加熱。實驗室規模的原型驗證了該技術，並允許研究人員創建一個電腦模型，該模型顯示商業規模的設備將保留 95% 以上的熱量至少五天。

「鋰離子電池確實以兩到四個小時的儲存時間壟斷了市場，但如果我們想實現碳減排目標，我們將需要長期儲能設備——可以儲存能量數天的設備，」他說。弗里·吉福德(Jeffrey Gifford) 是NREL 的博士後研究員。

吉福德已經與馬雲共享兩項專利熱交換器將儲存的熱能轉化為電能的公司表示，使用沙子或其他顆粒來儲存熱能比電池還有另一個優勢。「粒子熱能儲存不依賴稀土材料或具有複雜且不可持續供應鏈的材料。例如，在鋰離子電池，有很多關於更道德地開採鈷所面臨的挑戰的故事。

除了 TES 之外，Gifford 的專長還在於計算流體動力學。這些知識很重要，因為沙子需要流經儲存設備。其他 TES 介質包括混凝土和岩石，它們可以輕鬆保留熱量，但仍牢固地固定在適當的位置。「你的傳熱如果你移動你的媒體，速度會更高、更快、更有效，」吉福德說。

TES 還有另一個關鍵優勢：成本。馬雲計算出，與壓縮空氣儲能（CAES）、抽水蓄能和兩種電池等四種競爭對手技術相比，沙子是最便宜的儲能選擇。CAES和抽水力發電只能儲存數十小時的能源。

CAES 每千瓦時的成本從 150 美元到 300 美元不等，而抽水發電的成本約為 60 美元。鋰離子電池的成本為每千瓦時 300 美元，並且只能儲存一到四個小時的能量。如果使用沙子作為儲存介質，其持續時間長達數百小時，每千瓦時的成本為 4 至 10 美元。為了確保低成本，將使用非高峰期的低價電力來產生熱量。

Ma 擁有多項該技術專利，此前曾擔任 ARPA-E 資助的 ENDURING 專案的首席研究員，該專案透過使用低成本熱能儲存和高效電力循環實現經濟的長期電力儲存。原型來自這個專案。

接下來是 2025 年在科羅拉多州博爾德郊外 NREL 的 Flatirons 園區破土動工的電熱能儲存 (ETES) 系統，該系統將設計用於儲存 10 到 100 小時的能量。此獨立系統不受任何選址限制，不會限制 CAES 或抽水蓄能水力發電的建設地點。

馬說，能源部資助的示範計畫旨在展示沙子用於 TES 的商業潛力。

熔鹽已被用於臨時儲存能量，但它們在約 220°C (428°F) 時凍結，並在 600°C 時開始分解。Ma 打算使用的沙子來自美國中西部的地下，不需要保持“凍結”，並且可以保留相當多的熱量，溫度範圍為 1,100°C (2,012°F) ）可以儲存熱量發電或替代燃燒化石燃料作為工業熱。

「這代表了新一代的儲存技術熔鹽，」媽媽說。

決定用什麼來儲存熱量

但任何舊沙子都可以嗎？根據 NREL 研究人員的說法，事實並非如此，他們研究了各種固體顆粒因為它們具有流動和保留熱量的能力。在一張紙去年秋天發表於太陽能、Ma 和其他人對八種候選固體粒子進行了實驗。考慮的顆粒包括人造顆粒陶瓷材料用於水力壓裂、煅燒燧石黏土、棕剛玉和矽砂。黏土和電熔氧化鋁因在 1,200°C (2,192°F) 的目標溫度下熱不穩定而被拒絕。

陶瓷材料在所有類別中都優於沙子，但邊際性能收益被認為不足以證明較高成本的合理性。雖然沙子的價格從每噸 30 美元到 80 美元不等，但陶瓷材料的價格大約高出兩個數量級。這些沙子是超純的阿爾法石英，在中西部很容易取得。

NREL 熱能科學與技術研究小組經理 Craig Turchi 表示，擴大沙子中可儲存的能量就像添加更多沙子一樣簡單。

「這是增加額外儲存容量的邊際成本，」他說。「我們需要的儲存時間從幾分鐘到幾個月不等。就其擴展性而言，電池在幾分鐘到幾小時的空間內工作得非常好。當你進入數月的儲存空間時，你通常會考慮製造像氫這樣的燃料來提供這種燃料但在幾個小時到兩週的時間內，氫電池太貴了。

將過熱沙子轉化回電力所需的組件確實需要前期成本。“但是一旦你付了錢，”圖爾奇說，“如果你只是想讓你的力量有更長的持續時間，那麼增加更多的費用會便宜得多。”沙而不是另一種選擇，那就是不斷添加電池。更多資訊：