白話科技｜沙電池是什麼？沙子如何儲存熱能？和鋰電池差在哪？運作原理一次看

全球應對氣候變遷，建造太陽能、風力發電等再生能源相當常見，不過只能在有陽光或有風時才能發電的間歇性限制，「看天吃飯」導致電力生產與消耗速度難以銜接。
那麼，該如何有效儲存的太陽能與風能？為了解決這個全球性的儲能難題，由芬蘭新創公司 Polar Night Energy 開發的創新技術「沙電池（Sand Battery）」儲能系統，正提供一個務實且永續的解決方案。

沙電池是什麼？為什麼選沙子當材料？

沙電池是一種新型能源儲存系統，為熱電池（thermal battrey）的一種，要做為沙電池的儲熱介質，理想的材料特性應具備以下4點：

• 高熱容量與高密度： 決定了儲能系統的能量密度，亦即在有限的體積內能儲存多少熱能。
  
• 高溫穩定性： 材料必須能承受數百甚至上千度的高溫，並在無數次加熱、冷卻循環後，性質依然穩定，不會分解或降解。
  
• 成本低廉且來源廣泛： 材料便宜、易於取得，才能在成本上與其他儲能技術競爭。
  
• 安全無毒且對環境友善： 材料本身須不可燃、無毒、無腐蝕性，且在開採和棄置時對環境的衝擊小。
  

最經典的材料就是沙子，由於沙子普遍易取得、成本低廉，加上穩定性、耐熱度高，可加熱至600度甚至1200度，且能在無數次的加熱和冷卻循環下耗損率低，以及無毒、不可燃等特性，安全性高，是沙電池技術的常見基礎材料。

雖然名為沙電池，但材料不限於沙子，例如建築廢棄物產生的碎石或混凝土、工業副產品（爐渣、碎皂石）等都是絕佳的儲熱介質。

沙電池的運作原理！充、存、放三步驟

沙電池運作方式是將電力轉換為熱能，並儲存在一個以沙子或碎石為介質的巨大絕熱鋼製筒倉中，可想像成一個「超巨大保溫瓶」。

第一步〉儲能充電

主要在電價便宜或再生能源發電過剩時，利用這些電力透過「電阻加熱」的方式，將儲存介質如沙石加熱至攝氏500度儲存為熱能。

第二步〉保溫存放

再來，藉由保溫隔熱效果極佳的巨大鋼製筒倉，被加熱的沙石所蘊含的高溫熱能被牢牢鎖住保存，由於熱量流失率極低，這些能源可以安然存放數天、數月之久。

第三步〉取用放電

在需要供暖時（尤其在寒冷的季節），系統便會將儲存的熱氣導出，經由「熱交換器」來加熱管線中的水流。這些熱水隨後被配送至小鎮區域供暖管線網，最終送進家戶，提供穩定且環保的熱能。

而Polar Night Energy近期啟用了世界上最大規模的沙電池系統，在芬蘭南部小鎮波爾奈寧 (Pornainen) 打造一座高13公尺、寬15公尺的巨大筒倉， 總儲熱容量高達100兆瓦時 (MWh)，足以滿足小鎮夏季一個月或冬季一週的供暖需求 。

Polar Night Energy使用的是碎皂石（crushed soapstone），取自芬蘭當地壁爐製造商 Tulikivi 的工業廢料， 相較沙子擁有更好的導熱性與儲熱能力，能夠更快速、更均勻地吸收和釋放熱能，提升充放電效率，也達到循環經濟的理念 。

這項計畫預計將使該鎮供暖系統的碳排放量減少近70%，並大幅降低對石油與木屑的依賴，成為邁向2035年碳中和目標的關鍵一步。

沙電池成本遠勝鋰電池！5大優勢成為儲能界的潛力股

沙電池被視為新興的儲能方案，在於經濟效益高、使用壽命長、安全性高等5大優勢。

1. 經濟效益高： 使用沙石、工業廢料等地球上最常見且便宜的材料，每度電（kWh）的長期儲存成本遠低於鋰電池。

根據 Polar Night Energy 早期的沙電池原型估算，儲存成本約為每千瓦時25美元（約新台幣819元），而鋰電池的成本則高達每千瓦時115美元（約新台幣3,769元）。

2. 使用壽命長： 儲能過程僅涉及物理性的加熱與冷卻，幾乎沒有化學衰退問題。設施一旦建成，材料壽命可長達數十年，性能幾乎不減，大幅降低了長期的維護與更換成本。

3. 安全性高： 相較於主流的鋰離子電池，可能出現洩漏、燃燒等風險，沙電池本身無毒、不可燃、無腐蝕性且無爆炸風險，在運作上安全可靠。

4. 長期儲存熱能： 保溫絕熱設計能大幅降低熱量損失，可儲存長達數月，從儲存到回收的熱損失率也僅約10%至15%，具備高效能與低成本的雙重優勢。

5. 循環經濟： 材料可直接利用工業副產品或建築廢料，避免了開採鋰、鈷等稀有金屬所帶來的環境與人道爭議。

▶一起來測驗你是否了解沙電池原理！

能源儲存新浪潮，各國新創爭相發展熱儲能技術

除了 Polar Night Energy，蘇格蘭的 Sunamp、美國的 Electrified Thermal Solutions 與 Fourth Power 等多家新創公司，也正積極開發以鹽、磚塊、石墨塊等不同材料為基礎的熱儲存技術。

Polar Night Energy表示，他們的目標是將這項技術推向全球，並已在積極與國際夥伴洽談，同時也正在探索將儲存的熱能轉化回電力的可行性，為全球能源儲存開創新的可能性。

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資料來源：euro news、TechCrunch、Polar Night Energy

本文初稿為AI編撰，整理．編輯/ 蘇柔瑋

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