Bateria trmica sem partes mveis pode substituir turbinas em termoeltricas

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Energia

Redação do Site Inovação Tecnológica – 14/04/2022

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Prottipo da clula termofotovoltaica.
[Imagem: Felice Frankel]

Mquina trmica sem partes mveis

Engenheiros do MIT e do Laboratrio Nacional de Energia Renovvel (NREL), ambos nos EUA, projetaram um motor trmico sem partes mveis.

O dispositivo converte calor em eletricidade com mais de 40% de eficincia – um desempenho melhor do que as turbinas a vapor usadas nas usinas termoeltricas tradicionais.

A mquina trmica, ou motor de calor, consiste em uma clula termofotovoltaica, semelhante s clulas fotovoltaicas de um painel solar. A diferena que, em vez dos ftons na faixa da luz visvel, a clula termofotovoltaica captura passivamente ftons de alta energia (luz infravermelha) 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.

Bateria trmica

Os pesquisadores planejam incorporar sua clula termofotovoltaica em uma bateria trmica em escala de rede. O sistema absorveria o excesso de energia de fontes renovveis, como solar e elica, e a utilizaria para aquecer grafite em bancos fortemente isolados termicamente. Quando a energia for necessria, como em dias nublados, sem ventos ou noite, as clulas termofotovoltaicas converteriam o calor de volta em eletricidade e a despachariam para a rede eltrica.

Com a nova clula, a equipe agora demonstrou todas as principais partes do sistema em experimentos separados e em pequena escala. Eles esto trabalhando para integrar as peas para demonstrar um sistema totalmente operacional.

A partir da, comear o trabalho para ampliar o sistema at a escala industrial, visando substituir as usinas movidas a combustveis fsseis e permitir uma rede eltrica totalmente descarbonizada, fornecida inteiramente por energia renovvel.

“As clulas termofotovoltaicas foram o ltimo passo fundamental para demonstrar que as baterias trmicas so um conceito vivel,” disse Asegun Henry, coordenador da pesquisa. “Este um passo absolutamente crtico no caminho para proliferar a energia renovvel e chegar a uma rede totalmente descarbonizada.”

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Estrutura da clula e sua eficincia em comparao com outros prottipos.
[Imagem: Alina LaPotin et al. – 10.1038/s41586-022-04473-y]

Converso de calor em eletricidade

Mais de 90% da eletricidade mundial vem de fontes de calor, como carvo, gs natural, energia nuclear e energia solar concentrada. As turbinas a vapor tm sido o padro industrial para converter essas fontes de calor em eletricidade desde o incio da explorao da eletricidade em larga escala, h mais de um sculo.

Em mdia, as turbinas a vapor convertem cerca de 35% de uma fonte de calor em eletricidade, com cerca de 60% representando o recorde de eficincia de um motor trmico at o momento. Mas o maquinrio envolvido depende de peas mveis que tm temperatura limitada. O sistema de bateria trmica proposto pela equipe visa fontes de calor acima de 2.000 graus Celsius, que so quentes demais para as turbinas e outros conversores mveis.

Nos ltimos anos, vrias equipes comearam a pesquisar alternativas de estado slido, motores trmicos sem partes mveis, que poderiam funcionar com eficincia em temperaturas mais altas.

“Uma das vantagens dos conversores de energia de estado slido que eles podem operar em temperaturas mais altas com menores custos de manuteno porque no possuem partes mveis,” reforou Henry. “Eles apenas ficam l e geram eletricidade de forma confivel.”

Clulas termofotovoltaicas

As clulas termofotovoltaicas oferecem uma rota para esses motores trmicos de estado slido, podendo ser fabricadas como as clulas solares, apenas usando materiais semicondutores com um bandgap especfico – o intervalo entre a banda de valncia de um material e sua banda de conduo. Se um fton com uma energia alta o suficiente for absorvido pelo material, ele pode “chutar” um eltron atravs do bandgap, onde o eltron pode ento conduzir e, assim, gerar eletricidade – fazendo isso sem mover rotores ou lminas.

At o momento, a maioria das clulas termofotovoltaicas apresenta eficincias de cerca de 20% – o recorde de 32% – porque a maioria dos semicondutores utilizados tm banda relativamente baixa, convertendo apenas ftons de menor temperatura e menor energia – e, portanto, convertem energia com menos eficincia.

Bibliografia:

Artigo: Thermophotovoltaic efficiency of 40%
Autores: Alina LaPotin, Kevin L. Schulte, Myles A. Steiner, Kyle Buznitsky, Colin C. Kelsall, Daniel J. Friedman, Eric J. Tervo, Ryan M. France, Michelle R. Young, Andrew Rohskopf, Shomik Verma, Evelyn N. Wang, Asegun Henry
Revista: Nature
Vol.: 604, pages 287-291
DOI: 10.1038/s41586-022-04473-y

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