Ingenieros de la Universidad de Colorado desarrollan nueva tecnología que convierte el calor residual en electricidad desafiando los límites físicos

Gracias a un diseño compacto, el equipo superó la barrera impuesta por la ley de Planck, duplicando la densidad de potencia alcanzada por dispositivos TPV tradicionales.

• Nueva tecnología TPV convierte calor residual en electricidad, desafiando la ley de Planck.
• Calor residual: dos tercios de la energía usada se pierde como calor; este sistema lo reutiliza.
• Densidad de potencia duplicada respecto a TPV tradicionales.
• Separador de vidrio en lugar de vacío, transfiere calor sin pérdidas.
• Operación a 1.000 °C con rendimiento de sistemas que requieren 1.400 °C.
• Silicio amorfo y otros materiales podrían aumentar la potencia 20 veces.
• Aplicable a industrias como vidrio, acero, cemento; reduce emisiones.
• Generadores portátiles y almacenamiento de energía más eficiente.
• Escalable y viable con tecnología comercial existente; patente en trámite.

Dispositivo termofotovoltaico convierte calor residual en electricidad desafiando un límite físico

Un grupo de ingenieros y científicos de materiales del Departamento de Ingeniería Mecánica Paul M. Rady, en la Universidad de Colorado Boulder, ha desarrollado una innovadora tecnología capaz de transformar la radiación térmica en electricidad, desafiando uno de los principios fundamentales de la física térmica.

Este avance ha sido liderado por el Grupo de Investigación Cui, encabezado por el profesor asistente Longji Cui, en colaboración con el Laboratorio Nacional de Energía Renovable (NREL) y la Universidad de Wisconsin-Madison. Sus hallazgos fueron publicados recientemente en la revista Energy & Environmental Sciences.

La investigación tiene el potencial de revolucionar la industria manufacturera al incrementar la generación eléctrica sin necesidad de fuentes de calor a alta temperatura ni materiales costosos.

Este dispositivo podría almacenar energía limpia, reducir emisiones de carbono y aprovechar el calor residual procedente de plantas geotérmicas, nucleares y solares en todo el mundo.

Reaprovechar el calor, una fuente renovable olvidada

El calor es una fuente de energía renovable frecuentemente subestimada. Aproximadamente dos tercios de toda la energía utilizada se transforma en calor residual. Este desperdicio podría aprovecharse para generar electricidad limpia, sin recurrir a combustibles fósiles.

Rompiendo el límite físico en el vacío

Los procesos industriales a alta temperatura y algunas técnicas de aprovechamiento de energía renovable emplean métodos de conversión térmica denominados termofotovoltaicos (TPV). Estos dispositivos convierten la energía térmica procedente de fuentes de calor en electricidad.

Sin embargo, hasta ahora, los dispositivos TPV tenían una limitación: la ley de radiación térmica de Planck, un principio básico de la física térmica que establece un límite sobre la cantidad de energía térmica que puede aprovecharse a una temperatura dada.

El equipo de la Universidad de Colorado Boulder diseñó un dispositivo TPV compacto, del tamaño de una mano, que logró superar este límite físico. Gracias a esta innovación, duplicaron la densidad de potencia lograda por diseños TPV convencionales.

Solución de cero espacio de vacío utilizando vidrio

Para romper este límite, el equipo introdujo en el diseño de su dispositivo TPV una solución denominada «cero espacio de vacío». Mientras que los modelos TPV tradicionales utilizan un espacio lleno de vacío o gas entre la fuente de calor y la célula solar, este nuevo diseño incorpora un separador aislante de vidrio, de alto índice y transparente a infrarrojos.

Gracias a este material, se crea un canal de alta densidad de potencia que permite que las ondas de calor atraviesen el dispositivo sin pérdidas de energía, mejorando drásticamente la generación eléctrica. Además, el vidrio es un material barato y accesible, lo que convierte a este diseño en una opción económicamente viable.

Este diseño permite operar a temperaturas más bajas, compatibles con la mayoría de los procesos industriales. Por ejemplo, su dispositivo opera a 1.000 °C, generando una potencia equivalente a la de dispositivos TPV convencionales que requieren temperaturas de 1.400 °C.

Explorando nuevos materiales

Aunque el uso de vidrio representa un hito, los investigadores creen que esto es solo el principio. Otros materiales baratos con propiedades similares, como el silicio amorfo, podrían incrementar la densidad de potencia hasta 20 veces más, según proyecciones teóricas.

Impacto comercial y sostenibilidad

La aplicación más prometedora de este dispositivo TPV sería impulsar generadores portátiles de energía y descarbonizar industrias de alta emisión. Podría transformar procesos industriales como la producción de vidrio, acero y cemento, proporcionando electricidad más barata y limpia.

Este dispositivo emplea tecnología comercial existente, lo que facilitará su escalabilidad e implementación industrial. Además, su capacidad de recuperar calor residual permitiría almacenar energía de forma eficiente, reduciendo la dependencia de combustibles fósiles.

Actualmente, la tecnología cuenta con una patente en trámite y sus creadores se muestran optimistas sobre el potencial transformador de esta innovación en el campo de la generación de energía y la recuperación de calor. Este avance podría acelerar la transición hacia un futuro energéticamente sostenible, reduciendo la huella de carbono industrial y optimizando el aprovechamiento de las fuentes renovables.

Vía www.colorado.edu

Más información: Mohammad Habibi et al, Enhanced power density in zero-vacuum-gap thermophotovoltaic devices, Energy & Environmental Science (2024). DOI: 10.1039/D4EE04604H