世界上最小的电池有多小（世界上第一个沙子电池）

沙子如何转换为清洁能源

芬兰西部一条蜿蜒曲折、绿树成荫的乡间小路尽头，四位年轻的工程师相信他们有可能解决绿色能源面临的最大挑战之一。

挑战在于如何在季节变化和多变的天气条件下通过可再生能源提供全年稳定的电力供应。位于芬兰首都赫尔辛基西北270公里（168英里）的瓦塔扬科斯基发电厂的答案非常简单、丰富且便宜：沙子。

瓦塔扬科斯基发电厂是世界上第一个商业规模的砂电池的所在地。电池完全封闭在一个7米（23英尺）高的钢制集装箱中，由100吨低品位建筑商的沙子，两根区域供暖管和一个风扇组成。沙子使用发电厂所有者瓦塔扬科斯基带来的芬兰风力涡轮机和太阳能电池板产生的电力加热到600°C后成为电池。

可再生能源为电阻加热器提供动力，该加热器加热沙子内的空气。在电池内部，这种热空气通过热交换管由沙子周围的风扇循环。

厚厚的绝缘层包围着沙子，将电池内部的温度保持在 600C （1，112F），即使外面结冰。“我们不想失去任何热量;Kankanpää的冬季平均温度低于0C（32F），“Polar Night Energy的首席科学家Ville Kivioja说，他在线监测电池的性能。

电池充满时可存储 8 MWh 的热能。当能源需求增加时，电池通过热交换管释放约200千瓦的电力：这足以为Kankaanpää的约100个家庭和一个公共游泳池提供供暖和热水，补充电网电力。当电价较低时，电池在一夜之间充电。

这是一个低维护的系统，Kivioja说。该公司使用被建筑商拒绝的廉价，低质量的沙子，而不是大量用于建筑的高质量河砂，导致全球短缺.

“[热交换]管道和沙子没有磨损。风扇是唯一的移动部件，如有必要，很容易更换，“Kivioja说。

沙子是一种非常有效的介质，可以长时间保持热量，一次储存数月的电力。还有其他好处。“沙子的使用寿命很长：它可以加热和冷却多次，”Kivioja说。一段时间后它会变得更密集，因此需要更少的空间。到那时，我们可以添加更多的沙子。

Image caption Tommi Eronen（右）和Ville Kivioja（左）

发明这种沙子电池的四位年轻的芬兰工程师可以追溯到很久以前。Tommi Eronen，Markku Ylönen，Liisa Naskali和Ville Kivioja小时候因对田径运动的共同热情而联系在一起。这位短跑运动员、自行车运动员、三级跳远运动员和掷铁饼运动员属于芬兰南部坦佩雷的同一个俱乐部，在青少年时期在田径比赛中互相加油。

在阅读一篇关于用石头和沙子制成的传统芬兰壁炉的文章时，埃罗宁有一个灯泡时刻

当他们进入二十多岁时，他们的兴趣从体育转向科学。芬兰南部较短、更温暖的冬季激发了应对气候变化的共同动力。

“在过去几年中，我们小时候经常滑冰的Näsijärvi湖的冰盖天数急剧减少。气候变化正在我们眼前发生，“埃罗宁说。

您可能还喜欢：

由重力供电的电池

如果我们有无限的绿色能源会怎样

用泥土建造的可持续城市

2016年，在为他的工程硕士学位做研究时，Eronen正在研究可再生能源的水基存储系统。但是，在阅读一篇关于用石头和沙子制成的传统芬兰壁炉的文章时，埃罗宁有一个灯泡时刻。

这让我想到：固体材料，而不是水，更适合储存太阳能和风能吗？”埃罗宁说。他与Ylönen一起开始开发沙子电池原型。在坦佩雷附近的Eronen祖父的花园里成功测试了他们的飞行员电池后，这对夫妇从田径俱乐部招募了他们儿时的朋友来启动Polar Night Energy。7月，他们在坎坎帕的瓦塔扬科斯基发电厂安装了第一个商用砂电池。

储存绿色能源

这项创新在全球范围内引起了一阵兴奋。“我的手机一直在响，我有数千封未读电子邮件，”Eronen 说。

新能源存储系统的小型商业应用很少成为热门话题，但沙子电池因其平衡可再生能源供电的潜力而受到关注（见寻找稳定供应框）。

太阳能和风能的可行储存对于北欧国家尤其重要，这些国家在冬季长时间黑暗，对热量的需求增加，但在夏季延长了阳光时间。

乌克兰战争后，芬兰敦促欧盟增加可再生能源产量。“摆脱能源危机的唯一出路是大力投资可再生能源和零排放的能源生产，”芬兰总理桑娜·马林（Sanna Marin）在9月表示。.

沙子电池的发明者希望这就是他们的解决方案的用武之地。

“我的第一个想法是'我为什么没有想到这一点？'”芬兰北部奥卢大学水、能源和环境工程研究部门副主任伊娃·庞格拉茨（Eva Pongrácz）笑着说。“如此简单、清新和创新的想法。这是否是持续供应绿色能源的解决方案？我不认为会有一个单一的答案，但这是解决方案的一部分。

但是，与其他电池相比，电池的性能究竟如何，特别是其电化学对应物：锂离子电池？

Pongrácz说，我们用来为笔记本电脑、手机和电动汽车供电的锂离子电池的一个大问题是，即使不使用它们，它们也会不断退化。“沙子电池中没有化学反应，因此它们不会经历类似的老化过程，”Pongrácz说。

锂电池的缺点意味着它们“不适合大规模应用”，英国伯明翰储能中心主任Yulong Ding说，并补充说它们本质上也是易燃的。

然后是环境问题。“锂对环境的影响比沙子大得多，”Pongrácz说。每生产一吨精炼锂，就会排放大约三到九吨二氧化碳，具体取决于其提取方式。

但是，极夜能源团队面临着一些巨大的挑战：他们能否扩大他们的技术规模以真正发挥作用，他们能否用它来产生除热量之外的大量电力？

专家指出，当然有局限性。“沙子电池（每单位体积）储存的能量比传统化学电池少5到10倍，”英国谢菲尔德大学电子与电气工程系的Dan Gladwin说。

极夜能源团队承认这一点，但认为沙子电池是一种更具成本效益的解决方案。该团队计算出，他们的电池比存储相同能量的锂电池便宜8到10倍。Eronen说，使用Kankaanpää砂电池产生8兆瓦时的能量成本约为20万美元（174，000英镑）。他说，储存8兆瓦时能量的锂离子电池至少要花费1，600，000美元（1，391，000英镑）。

可再生能源储存对于北欧国家尤其重要，这些国家在冬季需要大量供暖，夏季需要长时间的日照

格拉德温说，沙子电池非常适合为气候寒冷的国家的房屋供暖，但警告说，当它用于将电力返回电网时，效率会下降。

“为了使它更广泛地使用，他们需要开发一种方法，以75-80%的效率将电池的热量转换回电能。这将使它改变游戏规则，“他说。

Eronen说，使用目前可用的技术，将热量转换回电能的过程只有30%的效率。但他并不认为这是一个主要问题。“在像芬兰这样的寒冷国家，我们将转换后剩余的70%的热量倾倒在几乎一直需要供热的区域供热网络上，”他说。

扩大电池发电规模的下一步是增加一个涡轮机，将热量转换回电网。“几年后，我们将有一个工作系统来做到这一点，”Eronen说。

Polar Night Energy正在签署合同，为芬兰的另一家区域供热公司建造第二块电池。

“这是一个更大的系统：2MW的加热功率和500MWh的存储容量。这比我们在Kankaanpää拥有的要大10倍，“Eronen说。

目前，沙子电池的核心仍然是北欧的解决方案，Pongrácz说。“这在芬兰非常有用，那里的冬天很冷，从9月到5月几乎需要供暖，[由于]年平均气温低于10摄氏度（50华氏度），”她说，并补充说芬兰550万人中有一半连接到区域供热网络。

但从理论上讲，储能解决方案可以在世界上任何有区域供热基础设施的地方复制，包括纽约、旧金山和哥本哈根。

“无论如何，除了供暖房屋之外，它还具有更大的潜力，”该公司的项目经理Liisa Naskali说。“当扩大规模时，它将可用于各种需要高温的工业过程：面包店，洗衣店[和]钢铁厂。

Eronen表示，到2023年，Polar Night Energy的目标是成为“一家真正的全球性公司，在世界各地建造沙子电池”。海上风电的巨大繁荣——到2025年，风能将覆盖芬兰25%的电力消耗——将有助于实现这一目标，但仍“有很多工作要做”。

“我们需要巨大的存储容量来平衡生产波动，”他说。

为了帮助国际扩张计划，Polar Night Energy正在考虑在沙子短缺的地方用其他颗粒状、不易燃的材料代替沙子。“我们的想法是环顾四周，在当地找到合适的材料：例如，我们可以测试工业过程的副产品，看看我们是否可以使用它们，”Eronen说。

到目前为止，扩张面临的最大挑战是公司和市政当局不愿意投资新技术。“在芬兰，区域供热公司有供热服务义务，如果他们不履行这些义务，他们必须支付罚款。这就是为什么他们宁愿在批准对新技术的大量投资之前谨慎行事，“纳斯卡利说。

芬兰能源公司瓦塔扬科斯基（Vatajankoski）是个例外。“我们希望找到应对气候变化的方法。我们正在寻找如何在不燃烧化石燃料的情况下产生热量的技术，并遇到了极夜能源......这是一项强大的技术，“Vatajankosi的董事总经理Pekka Passi说，他和Naskali一样，认为电池的最大潜力在于工业用途。

“例如，有些行业需要非常热的空气，300C（572F）来干燥某些东西。我们现在正在考虑与Kankaanpää地区的工业公司合作，这些公司使用电力来生产热量。拥有可以在一夜之间充电的沙子电池将为他们提供灵活性并保护他们免受价格波动的影响，“他说。

面对席卷世界的极端气温、干旱和野火，年轻的芬兰工程师说，我们没有等待转向新技术的奢侈。“我们现在需要做出勇敢的决定，以避免[气候]危机，”Kivioja说。

“我们科学家和工程师面临着很大的压力，需要对气候变化进行分类，”他说。“我把这种压力转化为灵感，就像我参加铁饼比赛时一样。当你在场上，为下一次投掷做准备时，你不能在压力下冻结。我把同样的态度带到我的工作中。

Eronen说：“创办一家公司有点像参加体育比赛：你想赢”。2018年，他和Ylönen一起选择从家乡坦佩雷骑自行车170公里（106英里）参加在赫尔辛基举行的能源会议。“所有其他参与者都是乘汽车或飞机到达的。这让我们想到：'我们真的必须产生影响'。

,