Protótipo da célula termofotovoltaica.
[Imagem: Felice Frankel]

Máquina térmica sem partes móveis

Engenheiros do MIT e do Laboratório Nacional de Energia Renovável (NREL), ambos nos EUA, projetaram um motor térmico sem partes móveis.

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

A máquina térmica, ou motor de calor, consiste em uma célula termofotovoltaica, semelhante às células fotovoltaicas de um painel solar. A diferença é que, em vez dos fótons na faixa da luz visível, a célula termofotovoltaica captura passivamente fótons 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 térmica

Os pesquisadores planejam incorporar sua célula termofotovoltaica em uma bateria térmica em escala de rede. O sistema absorveria o excesso de energia de fontes renováveis, como solar e eólica, e a utilizaria para aquecer grafite em bancos fortemente isolados termicamente. Quando a energia for necessária, como em dias nublados, sem ventos ou à noite, as células termofotovoltaicas converteriam o calor de volta em eletricidade e a despachariam para a rede elétrica.

Com a nova célula, a equipe agora demonstrou todas 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, começará o trabalho para ampliar o sistema até a escala industrial, visando substituir as usinas movidas a combustíveis fósseis e permitir uma rede elétrica totalmente descarbonizada, fornecida inteiramente por energia renovável.

"As células termofotovoltaicas foram o último passo fundamental para demonstrar que as baterias térmicas são um conceito viável," disse Asegun Henry, coordenador da pesquisa. "Este é um passo absolutamente crítico no caminho para proliferar a energia renovável e chegar a uma rede totalmente descarbonizada."

Estrutura da célula e sua eficiência em comparação com outros protótipos.
[Imagem: Alina LaPotin et al. - 10.1038/s41586-022-04473-y]

Conversão de calor em eletricidade

Mais de 90% da eletricidade mundial vem de fontes de calor, como carvão, gás natural, energia nuclear e energia solar concentrada. As turbinas a vapor têm sido o padrão industrial para converter essas fontes de calor em eletricidade desde o início da exploração da eletricidade em larga escala, há mais de um século.

Em média, as turbinas a vapor convertem cerca de 35% de uma fonte de calor em eletricidade, com cerca de 60% representando o recorde de eficiência de um motor térmico até o momento. Mas o maquinário envolvido depende de peças móveis que têm temperatura limitada. O sistema de bateria térmica proposto pela equipe visa fontes de calor acima de 2.000 graus Celsius, que são quentes demais para as turbinas e outros conversores móveis.

Nos últimos anos, várias equipes começaram a pesquisar 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," reforçou Henry. "Eles apenas ficam lá e geram eletricidade de forma confiável."

Células termofotovoltaicas

As células termofotovoltaicas oferecem uma rota para esses motores térmicos de estado sólido, podendo ser fabricadas como as células solares, apenas usando 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 uma 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 termofotovoltaicas apresenta eficiências de cerca de 20% - o recorde é de 32% - porque a maioria dos semicondutores utilizados têm banda relativamente baixa, convertendo apenas fótons de menor temperatura e menor energia - e, portanto, convertem energia com menos eficiência.