Engenheiros do MIT e do National Renewable Energy Laboratory (NREL) projetaram um motor tanãrmico sem partes ma³veis. Suas novas demonstrações mostram que ele converte calor em eletricidade com mais de 40% de eficiência osum desempenho melhor do que o das turbinas a vapor tradicionais.

O motor tanãrmico éuma canãlula termofotovoltaica (TPV), semelhante a s células fotovoltaicas de um painel solar, que captura passivamente fa³tons 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 atécerca de 4.300 graus Fahrenheit.

Os pesquisadores planejam incorporar a canãlula TPV em uma bateria tanãrmica em escala de grade. O sistema absorveria o excesso de energia de fontes renova¡veis, como o sol, e armazenaria essa energia em bancos fortemente isolados de grafite quente. Quando a energia énecessa¡ria, como em dias nublados, as células TPV converteriam o calor em eletricidade e despachariam a energia para uma rede elanãtrica.

Com a nova canãlula TPV, a equipe agora demonstrou com sucesso as principais partes do sistema em experimentos separados e em pequena escala. Eles estãotrabalhando para integrar as pea§as para demonstrar um sistema totalmente operacional. A partir daa­, eles esperam ampliar o sistema para substituir usinas movidas a combusta­veis fa³sseis e permitir uma rede elanãtrica totalmente descarbonizada, fornecida inteiramente por energia renova¡vel.

“As células termofotovoltaicas foram o último passo importante para demonstrar que as baterias tanãrmicas são um conceito via¡vel”, diz Asegun Henry, Professor de Desenvolvimento de Carreira Robert N. Noyce no Departamento de Engenharia Meca¢nica do MIT. “Este éum passo absolutamente crítico no caminho para proliferar a energia renova¡vel 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 meca¢nica, juntamente com Kevin Schulte e colaboradores do NREL em Golden, Colorado.

Mais de 90% da eletricidade do mundo vem de fontes de calor como carva£o, gás natural, energia nuclear e energia solar concentrada. Por um século, as turbinas a vapor tem sido o padrãoindustrial para converter essas fontes de calor em eletricidade.

Em média, as turbinas a vapor convertem de forma confia¡vel cerca de 35% de uma fonte de calor em eletricidade, com cerca de 60% representando a maior eficiência de qualquer motor tanãrmico atéo momento. Mas o maquina¡rio depende de pea§as ma³veis que tem temperatura limitada. Fontes de calor acima de 2.000 graus Celsius, como o sistema de bateria tanãrmica proposto por Henry, seriam muito quentes para turbinas.

Nos últimos anos, os cientistas analisaram alternativas de estado sãolido osmotores tanãrmicos sem partes ma³veis, que poderiam funcionar com eficiência em temperaturas mais altas.

“Uma das vantagens dos conversores de energia de estado sãolido éque eles podem operar em temperaturas mais altas com menores custos de manutenção porque não possuem partes ma³veis”, diz Henry. “Eles apenas ficam la¡ e geram eletricidade de forma confia¡vel.”

As células termofotovoltaicas ofereceram uma rota explorata³ria para os motores tanãrmicos de estado sãolido. Assim como as células solares, as células TPV podem ser feitas de materiais semicondutores com um bandgap especa­fico oso intervalo entre a banda de valaªncia de um material e sua banda de condução. Se um fa³ton com energia alta o suficiente for absorvido pelo material, ele pode chutar um elanãtron atravanãs do bandgap, onde o elanãtron pode então conduzir e, assim, gerar eletricidade osfazendo isso sem mover rotores ou lâminas.

Atéo 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 fa³tons de baixa temperatura e baixa energia e, portanto, convertem energia com menos eficiência .

Em seu novo projeto TPV, Henry e seus colegas procuraram capturar fa³tons de energia mais alta de uma fonte de calor de temperatura mais alta, convertendo energia com mais eficiência. A nova canãlula da equipe faz isso com materiais de banda larga e junções maºltiplas, ou camadas de material, em comparação com os projetos de TPV existentes.

A canãlula éfabricada a partir de três regiaµes principais: uma liga de alta banda, que fica sobre uma liga de banda ligeiramente inferior, sob a qual háuma camada espelhada de ouro. A primeira camada captura os fa³tons de energia mais alta de uma fonte de calor e os converte em eletricidade, enquanto os fa³tons de energia mais baixa que passam pela primeira camada são capturados pela segunda e convertidos para aumentar a tensão gerada. Quaisquer fa³tons que passam por essa segunda camada são refletidos pelo espelho, de volta a  fonte de calor, em vez de serem absorvidos como calor desperdia§ado.

A equipe testou a eficiência da canãlula colocando-a sobre um sensor de fluxo de calor osum dispositivo que mede diretamente o calor absorvido pela canãlula. Eles expuseram a canãlula a uma la¢mpada de alta temperatura e concentraram a luz na canãlula. Eles então variaram a intensidade da la¢mpada, ou temperatura, e observaram como a eficiência energanãtica da canãlula osa quantidade de energia que ela produzia, comparada com o calor que absorvia osmudava com a temperatura. Em uma faixa de 1.900 a 2.400 graus Celsius, a nova canãlula TPV manteve uma eficiência de cerca de 40%.

“Podemos obter uma alta eficiência em uma ampla faixa de temperaturas relevantes para baterias tanãrmicas”, diz Henry.

A canãlula nos experimentos tem cerca de um centa­metro quadrado. Para um sistema de bateria tanãrmica em escala de grade, Henry prevaª que as células TPV teriam que crescer atécerca de 10.000 panãs quadrados (cerca de um quarto de um campo de futebol) e operariam em armazanãns climatizados para extrair energia de enormes bancos de armazenamento. 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.

“Ha¡ definitivamente uma enorme rede positiva aqui em termos de sustentabilidade”, diz Henry. “A tecnologia ésegura, ambientalmente benigna em seu ciclo de vida e pode ter um tremendo impacto na redução das emissaµes de dia³xido de carbono da produção de eletricidade”.

Esta pesquisa foi apoiada, em parte, pelo Departamento de Energia dos EUA.