TECNOLOGÍA. Celdas termofotovoltaicas que convierten calor en electricidad con más eficiencia que una turbina de vapor

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Más del 90% de la electricidad del mundo proviene de centrales eléctricas generadoras de calor que utilizan carbón, gas natural, energía nuclear y energía solar concentrada. Las turbinas de vapor siempre han sido el estándar para convertir ese calor en electricidad. En promedio, solo tienen un 35% de eficiencia, con partes móviles que no pueden soportar temperaturas superiores a los 2000 grados centígrados.

En sustitución de las turbinas de vapor, las células termofotovoltaicas (similares a las células fotovoltaicas de un panel solar) pueden generar electricidad con una eficiencia del 40 %Sin partes móviles, los costes de mantenimiento serían mínimos. Para una descarbonización completa, el calor fósil se reemplazaría con baterías térmicas, cargadas con el exceso de energía de fuentes intermitentes como la solar, que se descargan a través de las células termofotovoltaicas cuando la red lo necesita.

Ingenieros del MIT y del Laboratorio Nacional de Energía Renovable (NREL) han diseñado un motor térmico sin partes móviles . Sus nuevas demostraciones muestran que convierte el calor en electricidad con una eficiencia de más del 40 por ciento, un rendimiento mejor que el de las turbinas de vapor tradicionales .

El motor térmico es una celda termofotovoltaica (TPV), similar a las celdas fotovoltaicas de un panel solar , que captura pasivamente fotones de alta energía de una fuente de calor al rojo vivo y los convierte en electricidad . El diseño del equipo puede generar electricidad a partir de una fuente de calor de entre 1.900 y 2.400 grados centígrados, o hasta unos 4.300 grados Fahrenheit.

Las baterías térmicas a escala de red pueden reemplazar las plantas de energía fósil

Los investigadores planean incorporar la celda TPV en una batería térmica a escala de red . El sistema absorbería el exceso de energía de fuentes renovables como el sol y almacenaría esa energía en bancos fuertemente aislados de grafito calienteCuando se necesita energía, como en días nublados, las células TPV convertirían el calor en electricidad y enviarían la energía a una red eléctrica.

Con la nueva celda TPV, el equipo ahora ha demostrado con éxito las partes principales del sistema en experimentos separados a pequeña escala. Están trabajando para integrar las partes para demostrar un sistema completamente operativo. A partir de ahí, esperan ampliar el sistema para reemplazar las centrales eléctricas impulsadas por combustibles fósiles y habilitar una red eléctrica totalmente descarbonizada, abastecida en su totalidad por energía renovable.

Los investigadores han publicado sus resultados  en la revista Nature . 

Una celda termofotovoltaica (TPV) (tamaño 1 cm x 1 cm) montada en un disipador de calor diseñado para medir la eficiencia de la celda TPV. Para medir la eficiencia, la celda se expone a un emisor y se toman medidas simultáneas de energía eléctrica y flujo de calor a través del dispositivo / IMAGEN: Felice Frankel


Mejor que una turbina de vapor

Más del 90 por ciento de la electricidad del mundo proviene de fuentes de calor como el carbón, el gas natural, la energía nuclear y la energía solar concentrada. Durante un siglo, las turbinas de vapor han sido el estándar industrial para convertir tales fuentes de calor en electricidad.

En promedio, las turbinas de vapor convierten de manera confiable alrededor del 35 por ciento de una fuente de calor en electricidad , y alrededor del 60 por ciento representa la mayor eficiencia de cualquier motor térmico hasta la fecha. Pero la maquinaria depende de partes móviles que tienen temperatura limitada. Las fuentes de calor superiores a los 2.000 grados centígrados, como el sistema de batería térmica propuesto por Henry, serían demasiado calientes para las turbinas.

En los últimos años, los científicos han buscado alternativas de estado sólido: motores térmicos sin partes móviles, que podrían funcionar de manera eficiente a temperaturas más altas.

Sin partes móviles = temperaturas más altas, menor mantenimiento

Una de las ventajas de los convertidores de energía de estado sólido es que pueden operar a temperaturas más altas con menores costos de mantenimiento porque no tienen partes móviles

Las celdas termofotovoltaicas ofrecieron una ruta exploratoria hacia los motores térmicos de estado sólido. Al igual que las células solares, las células TPV podrían estar hechas de materiales semiconductores con una banda prohibida particular: la brecha entre la banda de valencia de un material y su banda de conducción. Si el material absorbe un fotón con una energía lo suficientemente alta, puede expulsar un electrón a través de la banda prohibida , donde el electrón puede conducir y, por lo tanto, generar electricidad, sin mover rotores ni palas.

Hasta la fecha, la mayoría de las células TPV solo han alcanzado eficiencias de alrededor del 20 por ciento, con un récord del 32 por ciento, ya que se han fabricado con materiales de banda prohibida relativamente baja que convierten fotones de baja temperatura y baja energía y, por lo tanto, convierten la energía de manera menos eficiente..

Captura de fotones de mayor energía

La celda se fabrica a partir de tres regiones principales: una aleación de banda prohibida alta, que se asienta sobre una aleación de banda prohibida ligeramente más baja, debajo de la cual hay una capa de oro similar a un espejo. 

La primera capa captura los fotones de mayor energía de una fuente de calor y los convierte en electricidad , mientras que los fotones de menor energía que pasan a través de la primera capa son capturados por la segunda y convertidos para sumarse al voltaje generado. 

Todos los fotones que pasan a través de esta segunda capa se reflejan en el espejo y regresan a la fuente de calor , en lugar de ser absorbidos como calor desperdiciado.

IMAGEN : NREL/MIT


El equipo probó la eficiencia de la celda colocándola sobre un sensor de flujo de calor, un dispositivo que mide directamente el calor absorbido por la celda. Expusieron la celda a una lámpara de alta temperatura y concentraron la luz en la celda. Luego variaron la intensidad de la bombilla, o la temperatura, y observaron cómo la eficiencia energética de la celda (la cantidad de energía que producía, en comparación con el calor que absorbía) cambiaba con la temperatura. En un rango de 1900 a 2400 grados centígrados, la nueva celda TPV mantuvo una eficiencia de alrededor del 40 por ciento .

La celda en los experimentos es de aproximadamente un centímetro cuadrado. Para un sistema de baterías térmicas a escala de red,  las celdas TPV tendrían que escalar hasta unos 10.000 pies cuadrados (alrededor de una cuarta parte de un campo de fútbol) y operarían en almacenes climatizados para extraer energía de enormes bancos de energía solar almacenada. Ya existe una infraestructura para fabricar células fotovoltaicas a gran escala, que también podría adaptarse para fabricar TPV .

Fuente: Jennifer Chu ( MIT News )

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