Ingenieros del Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT) y del Laboratorio Nacional de Energía Renovable (NREL) en Estados Unidos han diseñado una celda termofotovoltaica (TPV) que convierte el calor en electricidad con una eficiencia de más del 40%, similar a la de las turbinas de vapor. La celda captura pasivamente fotones de alta energía de una fuente de calor al rojo vivo, entre 1.900 ºC y 2.400 ºC, y los transforma en energía eléctrica.
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 la almacenaría en bancos de grafito caliente fuertemente aislados. Cuando se necesita energía, como en días nublados, las células TPV convertirían el calor en electricidad y la enviarían a una red eléctrica.
Hasta ahora, los científicos han llevado a cabo experimentos aislados a pequeña escala con la nueva celda TPV y han conseguido demostrar con éxito las principales partes del sistema. En este momento ya se encuentran trabajando en la integración de todos los elementos 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 afirman que las celdas termofotovoltaicas fueron el último paso clave para demostrar que las baterías térmicas son un concepto viable. Se trata de un paso que consideran crucial en el camino hacia la proliferación de energías renovables y llegar a una red eléctrica totalmente descarbonizada.
Fuentes de calor que producen electricidad
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 dichas fuentes de calor en electricidad.
En promedio, las turbinas de vapor convierten de manera confiable alrededor del 35% de una fuente de calor en electricidad, y alrededor del 60% 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 ºC 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.
Nuevas vías de investigación
Las celdas termofotovoltaicas ofrecieron una nueva ruta de investigación hacia los motores térmicos de estado sólido, ya que estos pueden operar a temperaturas más altas y con menores costes de mantenimiento, al carecer de partes móviles.
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%, con un récord del 32%. En su nuevo diseño TPV, los científicos han logrado eficiencias del 40% en un rango de temperaturas de 1.900 a 2.400 ºC.
Celda termofotovoltaica
La celda en los experimentos es de aproximadamente un centímetro cuadrado. Para un sistema de baterías térmicas a escala de red, el equipo prevé que 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. Infraestructuras para fabricar células fotovoltaicas a gran escala podrían adaptarse para fabricar celdas TPV.
Los investigadores afirman que la tecnología es segura, ambientalmente benigna en su ciclo de vida y puede tener un gran impacto en la reducción de las emisiones de dióxido de carbono de la producción de electricidad.