任何曾经在阳光明媚的日子里赤脚走过海滩的人都会更加了解沙子能保留多少热量。随着加热沙技术成为满足能源存储需求的一部分，这种能力预计将在未来发挥至关重要的作用。
大多数人想到的可能是储存能量以备后用的电池，但也存在其他技术。抽水蓄能水电是一种常见的方法，尽管这种方法需要不同海拔的水库并且受到地理的限制。另一种方法依赖于所谓的热能储存(TES)，它使用熔盐甚至过热的岩石。
TES有望作为现有存储技术的低成本替代方案，并将能量存储在沙子等固体颗粒中，提供了现成的答案，不受地质限制。
毕竟，沙子就像空气和水一样，无处不在。
“沙子很容易获得。它很环保。它在很宽的温度范围内都很稳定，非常稳定。而且成本也很低，”实验室热能系统组的机械工程师马志文说。
长期储存的需要
NREL开发和原型设计的专利技术揭示了由风能和太阳能等可再生能源供电的加热器如何将沙粒的温度提高到所需的温度。然后将沙子放入筒仓中进行存储和使用，用于发电或在工业应用中用于工艺加热。实验室规模的原型验证了该技术，并允许研究人员创建一个计算机模型，该模型显示商业规模的设备将保留95%以上的热量至少五天。
Jeffrey表示：“锂离子电池在存储时间为两到四个小时的情况下确实垄断了市场，但如果我们想实现碳减排目标，我们将需要长期储能设备，即可以存储能量数天的设备。”吉福德是NREL的博士后研究员。
吉福德已经与马云分享了两项关于将储存的热能转化为电能的热交换器的专利，他表示，使用沙子或其他颗粒来储存热能比电池还有另一个优势。“粒子热能储存不依赖稀土材料或具有复杂且不可持续供应链的材料。例如，在锂离子电池中，有很多关于更道德地开采钴的挑战的故事。”
除了TES之外，Gifford的专长还在于计算流体动力学。这些知识很重要，因为沙子需要流经存储设备。其他TES介质包括混凝土和岩石，它们可以轻松保留热量，但仍牢固地固定在适当的位置。“如果你移动你的介质，你的传热会更高、更快、更有效，”吉福德说。
TES还有另一个关键优势：成本。马云计算出，与压缩空气储能(CAES)、抽水蓄能和两种电池等四种竞争对手技术相比，沙子是最便宜的储能选择。CAES和抽水力发电只能储存数十小时的能量。
CAES每千瓦时的成本从150美元到300美元不等，而抽水发电的成本约为60美元。锂离子电池的成本为每千瓦时300美元，并且只能储存一到四个小时的能量。如果使用沙子作为存储介质，其持续时间长达数百小时，每千瓦时的成本为4至10美元。为了确保低成本，将使用非高峰期的低价电力来产生热量。
Ma拥有多项该技术专利，此前曾担任ARPA-E资助的ENDURING项目的首席研究员，该项目通过使用低成本热能存储和高效电力循环实现经济的长期电力存储。原型来自这个项目。
接下来是2025年在科罗拉多州博尔德郊外NREL的Flatirons园区破土动工的电热能存储(ETES)系统，该系统将设计用于存储10到100小时的能量。该独立系统不受任何选址限制，不会限制CAES或抽水蓄能水力发电的建设地点。
马说，能源部资助的示范项目旨在展示沙子用于TES的商业潜力。
熔盐已被用于临时储存能量，但它们在约220°C(428°F)时冻结，并在600°C时开始分解。Ma打算使用的沙子来自美国中西部的地下，不需要保持“冻结”，并且可以保留相当多的热量，在1,100°C(2,012°F)的范围内，可以储存热量用于发电或代替燃烧化石燃料作为工业热量。
“这代表了熔盐之外的新一代存储，”马说。
决定用什么来储存热量
但是任何旧沙子都可以吗?NREL研究人员表示并非如此，他们检查了各种固体颗粒的流动和保留热量的能力。在去年秋天发表在《太阳能》杂志上的一篇论文中，马云和其他人对八种候选固体粒子进行了实验。考虑的颗粒包括用于水力压裂的人造陶瓷材料、煅烧燧石粘土、棕刚玉和硅砂。由于在1,200°C(2,192°F)的目标温度下热不稳定，粘土和电熔氧化铝被拒绝。
陶瓷材料在所有类别中都优于沙子，但边际性能收益被认为不足以证明较高成本的合理性。虽然沙子的价格从每吨30美元到80美元不等，但陶瓷材料的价格大约高出两个数量级。这些沙子是超纯的阿尔法石英，在中西部很容易获得。
NREL热能科学与技术研究小组经理克雷格·图尔奇(CraigTurchi)表示，扩大沙子中可储存的能量就像添加更多沙子一样简单。
“这是增加额外存储容量的边际成本，”他说。“我们需要的存储时间从几分钟到几个月不等。就其扩展性而言，电池在几分钟到几小时的空间内工作得非常好。当你进入数月的存储空间时，你通常会考虑制造像氢这样的燃料来提供这种燃料“长期储存。但在几个小时到两周的时间内，目前还不太合适。氢气对此来说太贵了。电池对此也太贵了。”
将过热沙子转化回电力所需的组件确实需要前期成本。“但是一旦你付了钱，”图尔奇说，“如果你只是想让你的电力有更长的持续时间，那么添加更多的沙子比不断添加电池的替代方案要便宜得多。”