Учёные из Университета Аалто (Финляндия) разработали прототип накопителя энергии, в котором вместо литий-ионных аккумуляторов используется обычный кварцевый песок. Устройство относится к так называемым батареям Карно: электричество преобразуется в тепло, а затем накопленное тепло вновь используется для генерации энергии.
В основе конструкции – теплоизолированный бак объёмом 0,2 кубического метра, заполненный кварцевым песком с фракцией от 0,6 до 2 мм. Песок нагревается с помощью стандартных ТЭНов, аналогичных тем, что используются в саунах. Накопленное тепло затем передаётся двигателю Стирлинга, который преобразует разницу температур в электричество. В экспериментах использовался коммерческий двигатель Стирлинга производства компании Microgen.
В ходе тестов песок нагревали до 300–350 °C. При температуре 300 °C устройство вырабатывало электроэнергию около 9 часов, при 350 °C – до 14 часов. Пиковая мощность установки достигала 690 Вт при номинальной мощности около 1 кВт.
Общий коэффициент полезного действия системы пока невысок: учёным удалось преобразовать в электричество лишь 4,4–8,3% затраченной энергии. Для сравнения: современные литий-ионные аккумуляторы возвращают более 90% запасённой энергии. Однако, как отмечают исследователи, проблема кроется не в песке, а в тепловых потерях. Значительная часть энергии уходила через стенки бака и систему охлаждения двигателя. В одном из циклов при затратах 53 кВт·ч система вернула лишь 2,33 кВт·ч, ещё 16,5 кВт·ч ушло на охлаждение двигателя, а более 34 кВт·ч рассеялось в окружающую среду.
Дополнительной сложностью оказалась низкая теплопроводность песка: тепло распространяется в нём медленно, из-за чего двигатель периодически испытывал нехватку теплового потока и временно отключался. Для решения этой проблемы учёные предлагают добавлять в песок металлические элементы или специальные теплопроводящие структуры, ускоряющие передачу тепла к двигателю.
Несмотря на текущие недостатки, концепция песочной батареи Карно подтвердила свою работоспособность. Исследователи считают, что при дальнейшей доработке конструкции её эффективность может значительно возрасти. Песок показал себя как удачный материал для теплового накопления: он дешевый, широко доступный, нетоксичый и способен выдерживать температуру свыше 1700 °C без деградации. Кроме того, срок службы таких систем потенциально может быть гораздо больше, чем у химических аккумуляторов.