Engenheiros do MIT e do National Renewable Energy Laboratory (NREL) projetaram um motor térmico sem partes móveis. Suas novas demonstrações mostram que ele converte calor em eletricidade com mais de 40% de eficiência – um desempenho melhor do que o das turbinas a vapor tradicionais.
O motor térmico é uma célula termofotovoltaica (TPV), semelhante às células fotovoltaicas de um painel solar, que captura passivamente fótons de alta energia de uma fonte de calor incandescente e os converte em eletricidade. O projeto da equipe pode gerar eletricidade a partir de uma fonte de calor entre 1.900 e 2.400 graus Celsius, ou até cerca de 4.300 graus Fahrenheit.
Os pesquisadores planejam incorporar a célula TPV em uma bateria térmica em escala de grade. O sistema absorveria o excesso de energia de fontes renováveis, como o sol, e armazenaria essa energia em bancos fortemente isolados de grafite quente. Quando a energia é necessária, como em dias nublados, as células TPV converteriam o calor em eletricidade e despachariam a energia para uma rede elétrica.
Com a nova célula TPV, a equipe agora demonstrou com sucesso as principais partes do sistema em experimentos separados e em pequena escala. Eles estão trabalhando para integrar as peças para demonstrar um sistema totalmente operacional. A partir daí, eles esperam ampliar o sistema para substituir usinas movidas a combustíveis fósseis e permitir uma rede elétrica totalmente descarbonizada, fornecida inteiramente por energia renovável.
“As células termofotovoltaicas foram o último passo importante para demonstrar que as baterias térmicas são um conceito viável”, diz Asegun Henry, Professor de Desenvolvimento de Carreira Robert N. Noyce no Departamento de Engenharia Mecânica do MIT. “Este é um passo absolutamente crítico no caminho para proliferar a energia renovável e chegar a uma rede totalmente descarbonizada.”
Henry e seus colaboradores publicaram seus resultados hoje na revista Nature. Os coautores do MIT incluem Alina LaPotin, Kyle Buznitsky, Colin Kelsall, Andrew Rohskopf e Evelyn Wang, professor de engenharia da Ford e chefe do departamento de engenharia mecânica, juntamente com Kevin Schulte e colaboradores do NREL em Golden, Colorado.
Saltando a lacuna
Mais de 90% da eletricidade do mundo vem de fontes de calor como carvão, gás natural, energia nuclear e energia solar concentrada. Por um século, as turbinas a vapor têm sido o padrão industrial para converter essas fontes de calor em eletricidade.
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Em média, as turbinas a vapor convertem de forma confiável cerca de 35% de uma fonte de calor em eletricidade, com cerca de 60% representando a maior eficiência de qualquer motor térmico até o momento. Mas o maquinário depende de peças móveis que têm temperatura limitada. Fontes de calor acima de 2.000 graus Celsius, como o sistema de bateria térmica proposto por Henry, seriam muito quentes para turbinas.
Nos últimos anos, os cientistas analisaram alternativas de estado sólido – motores térmicos sem partes móveis, que poderiam funcionar com eficiência em temperaturas mais altas.
“Uma das vantagens dos conversores de energia de estado sólido é que eles podem operar em temperaturas mais altas com menores custos de manutenção porque não possuem partes móveis”, diz Henry. “Eles apenas ficam lá e geram eletricidade de forma confiável.”
As células termofotovoltaicas ofereceram uma rota exploratória para os motores térmicos de estado sólido. Assim como as células solares, as células TPV podem ser feitas de materiais semicondutores com um bandgap específico – o intervalo entre a banda de valência de um material e sua banda de condução. Se um fóton com energia alta o suficiente for absorvido pelo material, ele pode chutar um elétron através do bandgap, onde o elétron pode então conduzir e, assim, gerar eletricidade – fazendo isso sem mover rotores ou lâminas.
Até o momento, a maioria das células TPV atingiu apenas eficiências de cerca de 20%, com o recorde de 32%, pois foram feitas de materiais de banda relativamente baixa que convertem fótons de baixa temperatura e baixa energia e, portanto, convertem energia com menos eficiência.
Capturando a luz
Em seu novo projeto TPV, Henry e seus colegas procuraram capturar fótons de energia mais alta de uma fonte de calor de temperatura mais alta, convertendo energia com mais eficiência. A nova célula da equipe faz isso com materiais de banda larga e junções múltiplas, ou camadas de material, em comparação com os projetos de TPV existentes.
A célula é fabricada a partir de três regiões principais: uma liga de alta banda, que fica sobre uma liga de banda ligeiramente inferior, sob a qual há uma camada espelhada de ouro. A primeira camada captura os fótons de energia mais alta de uma fonte de calor e os converte em eletricidade, enquanto os fótons de energia mais baixa que passam pela primeira camada são capturados pela segunda e convertidos para aumentar a tensão gerada. Quaisquer fótons que passam por essa segunda camada são refletidos pelo espelho, de volta à fonte de calor, em vez de serem absorvidos como calor desperdiçado.
A equipe testou a eficiência da célula colocando-a sobre um sensor de fluxo de calor – um dispositivo que mede diretamente o calor absorvido pela célula. Eles expuseram a célula a uma lâmpada de alta temperatura e concentraram a luz na célula. Eles então variaram a intensidade da lâmpada, ou temperatura, e observaram como a eficiência energética da célula – a quantidade de energia que ela produzia, comparada com o calor que absorvia – mudava com a temperatura. Em uma faixa de 1.900 a 2.400 graus Celsius, a nova célula TPV manteve uma eficiência de cerca de 40%.
“Podemos obter uma alta eficiência em uma ampla faixa de temperaturas relevantes para baterias térmicas”, diz Henry.
A célula nos experimentos tem cerca de um centímetro quadrado. Para um sistema de bateria térmica em escala de grade, Henry prevê que as células TPV teriam que crescer até cerca de 10.000 pés quadrados (cerca de um quarto de um campo de futebol) e operariam em armazéns climatizados para extrair energia de enormes bancos de armazenamento de energia solar. Ele destaca que existe uma infraestrutura para a fabricação de células fotovoltaicas de grande porte, que também poderia ser adaptada para a fabricação de TPVs.
“Há definitivamente uma enorme rede positiva aqui em termos de sustentabilidade”, diz Henry. “A tecnologia é segura, ambientalmente benigna em seu ciclo de vida e pode ter um tremendo impacto na redução das emissões de dióxido de carbono da produção de eletricidade”.
Esta pesquisa foi apoiada, em parte, pelo Departamento de Energia dos EUA.
*O artigo original pode ser visto aqui.
