«Es como tener el Sol metido en una caja»: así es la nueva tecnología con la que el MIT pretende revolucionar las renovables

Un grupo de investigadores del MIT ha construido una celda termofotovoltaica altamente eficiente que, cuando se combina con fuentes renovables, convierte de manera eficiente los fotones entrantes (partículas de luz) en electricidad. Es un logro que podría inspirar nuevas formas de suministrar energía al mundo.

“El problema es que no obtienes energía (renovable)cuando quieres”, nos explicaba por videollamada Asegun Henry, ingeniero mecánico del MIT y autor del nuevo estudio que acaba de ser publicado en Nature. “Solo la obtienes cuando el clima es favorable: cuando sale el sol o cuando sopla el viento”. La respuesta a este dilema radica en lo que Henry llama “baterías térmicas”, donde la energía proveniente de las fuentes de energía renovables, como la solar, se almacena en forma de calor.

Las baterías térmicas podrían “enviar” energía a la red eléctrica cuando sea necesario, dijo Henry. Las baterías de iones de litio no son suficientes para cumplir con este propósito. “Desafortunadamente, las baterías de iones de litio son demasiado caras, y se han realizado varios estudios que han analizado cuán barato debe ser el almacenamiento para que tengamos una red completamente renovable”, explicó Henry. “Así que ahí es donde desarrollamos esta tecnología, las baterías térmicas, porque almacenar energía en forma de calor en lugar de almacenarla electroquímicamente es entre 10 y 100 veces más barato”.

Cómo funciona

Esta celda termofotovoltaica está basada en la física fundamental de los semiconductores. Los átomos dentro de las aleaciones de un semiconductor tienen una banda prohibida (también llamada brecha energética), la distancia entre la capa de valencia de los electrones y la banda de conducción. Cuando los electrones de la banda de valencia se cargan de energía, se excitan y saltan de la banda de valencia a la banda de conducción. Este salto provoca una liberación de energía, en la que la cantidad precisa de energía liberada se rige por la distancia de la banda prohibida. En otras palabras, la cantidad de energía que se libera está determinada por la cantidad de energía que necesita el electrón para cruzar por la banda prohibida.

Los electrones de esta célula termofotovoltaica se encuentran dentro de sus aleaciones, y se apilan unos encima de otros como las capas de una tarta. La celda está hecha de dos capas de aleaciones semiconductoras y una capa reflectante de oro. Las aleaciones de esteexperimento fueron elegidas de acuerdo con la longitud de onda de los fotones necesarios para alimentar la celda con su máxima eficiencia. Si “quieres absorber la luz a una frecuencia particular, puedes averiguar qué aleaciones te darán la banda prohibida correcta que buscas”, dijo Henry.

La posición de las aleaciones dentro del motor térmico también fue un factor importante. La primera capa fue diseñada para tener la banda prohibida más grande y así capturar los fotones de mayor energía. Los fotones no capturados por la primera capa caen a la segunda capa y empujan los electrones a través de una brecha energéticamás pequeña. Si un fotón no tiene suficiente energía para empujar a un electrón a través del espacio en la primera o segunda capa, ahí es donde la capa reflectante de oro puede reflejar los fotones hacia la fuente de luz y así reducir el desperdicio de energía. La clave, sin embargo, es de dónde provienen estos fotones.

Trabajando en un ambiente de laboratorio controlado, Henry y el resto de investigadores obtuvieron los fotones del metal sobrecalentado ubicado directamente sobre el motor térmico.

“Estábamos enviando electricidad a un calentador resistivo que estaba a unos metros de distancia”, explicó Henry. Este calentador resistivo era como un complejo filamento de una bombilla: un conductor que brilla y se sobrecalienta cuando la energía pasa a través de él. El metal caliente liberaba fotones que fueron capturados por las capas de aleación, lo que generaba electricidad en el motor térmico. Los investigadores encontraron que un elemento calentado entre 1900 y 2400 grados Celsius les proporcionaba la mejor eficiencia.

En un laboratorio, es fácil conectar un calentador resistivo a un enchufe de pared, pero los investigadores tienen también en mente algunos escenarios del mundo real. Idealmente, les gustaría almacenar energía derivada de recursos renovables en estas grandes baterías, a las que luego podrían acceder con los motores térmicos.

Qué podría hacer este motor térmico

Para almacenar energía en forma de calor, una fuente de energía renovable se encargaría de alimentar los calentadores resistivos que calientan el metal líquido. Luego, el metal líquido sería bombeado sobre bloques de grafito, algo que Henry describe como si tuviésemos “el Sol metido en una caja”. Este hipotético sol operaría a la mitad de la temperatura de nuestro Sol y luego alimentaría los calentadores resistivos que envían fotones a los motores térmicos, que se almacenarían uno encima del otro en una gran matriz.

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Imagen: Alina LaPotin

 

Henry reconoció rápidamente que esto suena como algo sacado de una novela de ciencia ficción, pero la investigación realizada por el mismo equipo hace cinco años fue la que les inspiró a seguir impulsando estametodología. Fueron los primeros en demostrar que era posible bombear metal líquido por encima de los 1.000 grados Celsius, un logro que les valió incluso un récord Guinness.

Dijo que un peligro potencial de una batería térmica a gran escala unida a una fuente de alimentación con un motor térmico es que operaría en un entorno libre de oxígeno. “Esa cosa se tendrá que mantener dentro de un almacén lleno de gas inerte, como el gas argón”, explicó Henry. “Ese entorno no tiene aire, por lo que no puedes simplemente entrar ahí”. Idealmente, el sistema de almacenamiento estaría diseñado de tal manera que cualquier servicio se pudiera realizar de forma remota, pero dijo que las inspecciones y reparaciones periódicas aún pueden ser realizadas de forma segura.

“Nos gustaría poder ir a echar un vistazo durante el mantenimiento anual, así que simplemente hay que enfriar el sistema, o enfriar una parte de él, y después enviar a alguien”, dijo Henry. “Si hubiese alguna emergencia, se podría enfriar el sistema y enviar a alguien esencialmente con un equipo de buceo y un tanque de oxígeno”.

Su celda termofotovoltaica opera con una eficiencia del 40%, mejor que los diseños anteriores y comparable a las turbinas de vapor. Es un resultado prometedor, y Henry y sus compañeros luchan ahora por un objetivo aún mayor: escalar esta tecnología hasta una central eléctrica del tamaño de un almacén que podría conectarse a la red existente.