¿Cómo se embotella la energía renovable para cuando el sol no brilla y el viento no sopla? Esa es una de las preguntas más desconcertantes que se interponen en el camino de una red eléctrica más ecológica. Los bancos de baterías masivos son una respuesta. Pero son caros y son mejores para almacenar energía durante unas pocas horas, no para largos períodos de tiempo nublado o calma. Otra estrategia es utilizar el excedente de energía para calentar una gran masa de material a temperaturas ultra altas y luego aprovechar la energía según sea necesario. Esta semana, los investigadores informan una mejora importante en una parte clave de ese esquema: un dispositivo para convertir el calor almacenado en electricidad.
Un equipo del Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT) y el Laboratorio Nacional de Energía Renovable lograron un aumento de casi el 30 % en la eficiencia de un termofotovoltaico (TPV), una estructura semiconductora que convierte los fotones emitidos por una fuente de calor en electricidad, al igual que un La célula solar transforma la luz solar en energía. “Esto es algo muy emocionante”, dice Andrej Lenert, ingeniero de materiales de la Universidad de Michigan, Ann Arbor. «Esta es la primera vez [TPVs have] metido en rangos de eficiencia realmente prometedores, que en última instancia es lo que importa para muchas aplicaciones”. Junto con los avances relacionados, él y otros dicen que el nuevo trabajo da un gran impulso a los esfuerzos para implementar baterías térmicas a gran escala, como respaldo económico para los sistemas de energía renovable.
La idea es alimentar el excedente de electricidad eólica o solar a un elemento calefactor, que eleva la temperatura de un baño de metal líquido o un bloque de grafito a varios miles de grados. El calor se puede convertir de nuevo en electricidad al generar vapor que impulsa una turbina, pero existen compensaciones. Las altas temperaturas elevan la eficiencia de conversión, pero los materiales de la turbina comienzan a descomponerse alrededor de los 1500°C. Los TPV ofrecen una alternativa: canalizar el calor almacenado a una película o filamento de metal, haciéndolo brillar como el alambre de tungsteno en una bombilla incandescente, luego usar TPV para absorber la luz emitida y convertirla en electricidad.
Cuando se inventaron los primeros TPV en la década de 1960, solo convertían un pequeño porcentaje de la energía térmica en electricidad. Esa eficiencia saltó a alrededor del 30% en 1980, donde se ha estancado en gran medida desde entonces. Una razón es que el tungsteno y otros metales tienden a irradiar fotones en un amplio espectro, desde el ultravioleta de alta energía hasta el infrarrojo lejano de baja energía. Pero todos los fotovoltaicos, incluidos los TPV, están optimizados para absorber fotones en un rango estrecho, lo que significa que la luz con frecuencias más altas y más bajas tiende a desperdiciarse.
Para el nuevo dispositivo, Asegun Henry, un ingeniero mecánico del MIT, jugó con el emisor y el propio TPV. Las configuraciones anteriores de TPV calentaron los emisores a aproximadamente 1400 °C, lo que maximizó su brillo en el rango de longitud de onda para el que se optimizaron los TPV. Henry pretendía aumentar la temperatura 1000°C, donde el tungsteno emite más fotones a energías más altas, lo que podría mejorar la conversión de energía. Pero eso significaba reelaborar también los TPV.
Con investigadores del Laboratorio Nacional de Energía Renovable, el equipo de Henry colocó más de dos docenas de capas delgadas de diferentes semiconductores para crear dos celdas separadas apiladas una encima de la otra. La celda superior absorbe principalmente fotones visibles y ultravioleta, mientras que la celda inferior absorbe principalmente infrarrojos. Una delgada hoja de oro debajo de la celda inferior refleja los fotones de baja energía que los TPV no pudieron recolectar. El tungsteno reabsorbe esa energía, evitando que se pierda. El resultado, informa hoy el grupo en Naturaleza, es un tándem TPV que convierte el 41,1% de la energía emitida de un filamento de tungsteno de 2400°C a electricidad.
El equipo de Henry ve maneras de hacerlo aún mejor. En la edición del 8 de octubre de 2020 de NaturalezaLenert y sus colegas informaron un espejo capaz de reflejar casi el 99% de los fotones infrarrojos no absorbidos de regreso a la fuente de calor. Combinar el espejo con los TPV mejorados del grupo MIT podría generar otro gran impulso. “Creemos que tenemos un camino claro hacia una eficiencia del 50 %”, dice Henry.
Los TPV están hechos de semiconductores III-V, llamados así por el lugar en el que se encuentran sus elementos componentes en la tabla periódica, que son más caros que el silicio utilizado en las células solares de los techos. Pero otras partes de una batería térmica, incluido el grafito, son baratas. En un artículo de 2019, Henry y sus colegas habían calculado que incluso una eficiencia del 35 % en la conversión de calor a electricidad haría que la tecnología fuera económicamente viable. El equipo también ha creado bombas de cerámica que pueden manejar los metales líquidos de temperatura ultra alta necesarios para transportar calor alrededor de una configuración de almacenamiento de energía térmica a escala industrial. “Han construido una base para almacenar y convertir el calor a esas altas temperaturas”, dice Lenert.
Este progreso ha despertado el interés comercial. Antora Energy en California lanzó una empresa de energía térmica en 2016. Lenert y otros están considerando sus propias nuevas empresas. Y Henry lanzó recientemente una empresa, Thermal Battery Corp., para comercializar la tecnología de su grupo, que estima que podría almacenar electricidad por $ 10 por kilovatio-hora de capacidad, menos de una décima parte del costo de las baterías de iones de litio a escala de red. «Almacenar energía en forma de calor puede ser muy barato», incluso durante muchos días a la vez, dice Alina LaPotin, estudiante de posgrado del MIT y primera autora del presente estudio. Naturaleza papel.
Henry y otros agregan que los sistemas de almacenamiento térmico son modulares, a diferencia de las plantas de combustibles fósiles, que son más eficientes a una escala masiva de gigavatios. “Eso los hace igualmente buenos para proporcionar energía a un pequeño pueblo o a una gran planta de energía”, dice Alejandro Datas, ingeniero eléctrico de la Universidad Politécnica de Madrid, y para almacenar energía de parques solares y eólicos de cualquier tamaño. “Esta es la belleza”.
