Un nuevo motor térmico sin piezas móviles es tan eficiente como una turbina de vapor

Ingenieros del MIT y del NREL han diseñado un motor térmico sin piezas móviles. Sus nuevas pruebas demuestran que convierte el calor en electricidad con una eficiencia superior al 40%, un rendimiento mejor que el de las turbinas de vapor tradicionales.

El motor térmico es una célula termofotovoltaica, similar a las células fotovoltaicas de los paneles solares, que captura pasivamente los 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 2.400ºC.

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

Con la nueva célula TPV, el equipo ha demostrado con éxito las principales partes del sistema en experimentos separados a pequeña escala. Están trabajando para integrar las partes y demostrar un sistema totalmente operativo. A partir de ahí, esperan ampliar el sistema para sustituir a las centrales eléctricas alimentadas por combustibles fósiles y hacer posible una red eléctrica totalmente descarbonizada, suministrada en su totalidad por energías renovables.

El reto.

Por término medio, las turbinas de vapor convierten de forma fiable alrededor del 35% de una fuente de calor en electricidad, con un 60% que representa la mayor eficiencia de cualquier motor térmico hasta la fecha. Pero la maquinaria depende de piezas móviles que están limitadas por la temperatura. Las fuentes de calor de más de 2.000ºC, como el sistema de baterías térmicas propuesto, serían demasiado calientes para las turbinas.

En los últimos años, los científicos han estudiado alternativas de estado sólido, motores térmicos sin piezas móviles, que podrían funcionar eficazmente a temperaturas más altas.

Las células termofotovoltaicas ofrecen una vía de exploración hacia los motores térmicos de estado sólido. Al igual que las células solares, las células TPV podrían fabricarse a partir de materiales semiconductores con una determinada banda prohibida. Si el material absorbe un fotón con una energía lo suficientemente alta, puede lanzar un electrón a través de la banda prohibida, donde el electrón puede conducirse y, por lo tanto, generar electricidad, sin necesidad de mover rotores o aspas.

Hasta la fecha, la mayoría de las células TPV sólo han alcanzado una eficiencia de alrededor del 20%, con un récord del 32%, ya que se han fabricado con materiales de baja banda prohibida que convierten fotones de baja temperatura y energía y, por tanto, convierten la energía de forma menos eficiente.

Atrapar la luz

En su nuevo diseño de TPV, Henry y sus colegas trataron de capturar fotones de mayor energía a partir de una fuente de calor de mayor temperatura, convirtiendo así la energía de forma más eficiente. La nueva célula del equipo lo hace con materiales de mayor banda prohibida y múltiples uniones, o capas de material, en comparación con los diseños de TPV existentes.

La célula se fabrica a partir de tres regiones principales: una aleación de alto bando, que se asienta sobre una aleación de bando ligeramente inferior, debajo de la cual hay una capa de oro en forma de espejo. La primera capa capta los fotones de mayor energía de una fuente de calor y los convierte en electricidad, mientras que los fotones de menor energía que atraviesan la primera capa son captados por la segunda y convertidos para aumentar la tensión generada. Los fotones que atraviesan esta segunda capa son reflejados por el espejo y devueltos a la fuente de calor, en lugar de ser absorbidos como calor desperdiciado.

El equipo comprobó la eficacia de la célula colocándola sobre un sensor de flujo térmico, un dispositivo que mide directamente el calor absorbido por la célula. Expusieron la célula a una lámpara de alta temperatura y concentraron la luz sobre ella. A continuación, variaron la intensidad de la bombilla, o la temperatura, y observaron cómo la eficiencia energética de la célula, la cantidad de energía que produce, comparada con el calor que absorbe, cambiaba con la temperatura. En un rango de 1.900 a 2.400ºC, la nueva célula TPV mantuvo una eficiencia de alrededor del 40%.

Pueden obtener una alta eficiencia en un amplio rango de temperaturas relevantes para las baterías térmicas.

La célula de los experimentos mide aproximadamente un centímetro cuadrado. Para un sistema de baterías térmicas a escala de red, se prevé que las células TPV tendrían que ampliarse a unos 3.000 m², y funcionarían en almacenes con clima controlado para obtener energía de enormes bancos de energía solar almacenada. Señala que existe una infraestructura para fabricar células fotovoltaicas a gran escala, que también podría adaptarse para fabricar TPV.

Más información: www.nature.com (texto en inglés).