Gli ingegneri e i ricercatori del MIT (il Massachussetts Institute of Technology) e del National Renewable Energy Laboratory (NREL) hanno progettato un motore termico privo di parti mobili. Questo nuovo motore termico dimostra che si può convertire il calore in elettricità con un’efficienza superiore al 40%, una prestazione migliore di quella ottenibile oggi dalle tradizionali turbine a vapore. Il motore termico studiato dal MIT in collaborazione con l’NREL è costituito da una cella termofotovoltaica (TPV), del tutto simile alle celle fotovoltaiche di un pannello solare, che cattura passivamente fotoni ad alta energia da una fonte di calore incandescente e li converte in elettricità. Il progetto del team può generare elettricità da una fonte di calore compresa tra 1.900 e 2.400 gradi Celsius, fino ad un valore di circa 4.300 gradi Fahrenheit.
I ricercatori hanno in programma di incorporare la cella TPV in una batteria termica. Il sistema assorbirebbe l’energia in eccesso da fonti rinnovabili come il sole e immagazzinerebbe quell’energia in banchi fortemente isolati di grafite riscaldata. Quando l’energia è maggiormente necessaria, come nelle giornate nuvolose, le celle TPV convertono il calore in elettricità e inviano l’energia a una rete elettrica. Con la nuova cellula TPV, il team congiunto dei ricercatori del MIT e di quelli dell’NREL ha ora dimostrato con successo le parti principali del sistema in esperimenti separati su piccola scala. Ora stanno lavorando per integrare le parti per dimostrare che quello che caratterizza questo nuovo motore termico è un sistema pienamente operativo. Da lì, sperano di ampliare il sistema per sostituire le centrali elettriche a combustibili fossili e consentire una rete elettrica completamente decarbonizzata, interamente caratterizzata dall’impiego di energia rinnovabile. I risultati dello studio sono stati pubblicati già all’interno della prestigiosa rivista scientifica Nature.
Un motore termico di ultima generazione che potrebbe aprire la strada ad impieghi ed utilizzi molto interessanti
Più del 90% dell’elettricità mondiale proviene oggi da fonti di calore come carbone, gas naturale, energia nucleare e energia solare concentrata. Per un secolo, le turbine a vapore sono state lo standard industriale per convertire tali fonti di calore in elettricità. In media, le turbine a vapore convertono in modo affidabile circa il 35% di una fonte di calore in elettricità, con circa il 60% che rappresenta la più alta efficienza di qualsiasi motore termico fino ad oggi pienamente disponibile. Ma i macchinari dipendono da parti mobili a temperatura limitata. Fonti di calore superiori a 2.000 gradi Celsius utilizzerebbero temperature fin troppo elevate per le tradizionali turbine.
Negli ultimi anni, gli scienziati hanno esaminato alternative allo stato solido: parliamo di un particolare motore termico senza parti mobili, che potrebbero potenzialmente funzionare in modo efficiente a temperature più elevate. Le celle termofotovoltaiche hanno offerto un percorso esplorativo verso l’introduzione di tipologie di motore termico a stato solido. Proprio come le celle solari, le celle TPV potrebbero essere realizzate con materiali semiconduttori con un particolare gap di banda, ovvero il divario tra la banda di valenza di un materiale e la sua banda di conduzione. Se un fotone con un’energia sufficientemente elevata viene assorbito dal materiale, può inviare un elettrone attraverso il gap di banda, dove l’elettrone può quindi condurre e quindi generare elettricità senza muovere rotori o pale.
Ad oggi, la maggior parte delle celle TPV ha raggiunto efficienze di circa il 20%, con massimi valori del 32%, poiché sono state realizzate con materiali a banda relativamente bassa che convertono fotoni a bassa temperatura e bassa energia e quindi convertono l’energia in modo meno efficiente.
Il progetto di motore termico del MIT e dell’NREL ha permesso di catturare fotoni di energia più elevata da una fonte di calore a temperatura più elevata, convertendo così l’energia in modo più efficiente. La nuova cella lo fa con materiali con bandgap più elevata e giunzioni multiple, o strati di materiale, rispetto ai progetti TPV finora esistenti.
Come funziona
La cella è fabbricata da tre regioni principali: una lega ad alto intervallo di banda, che si trova su una lega a intervallo di banda leggermente inferiore, al di sotto della quale si trova uno strato d’oro simile a uno specchio. Il primo strato cattura i fotoni a più alta energia di una fonte di calore e li converte in elettricità, mentre i fotoni a bassa energia che passano attraverso il primo strato vengono catturati dal secondo e convertiti per aggiungersi alla tensione generata. Tutti i fotoni che passano attraverso questo secondo strato vengono quindi riflessi dallo specchio, di nuovo alla fonte di calore, invece di essere assorbiti come calore sprecato.
Il team ha testato l’efficienza della cella posizionandola su un sensore di flusso di calore, un dispositivo che misura direttamente il calore assorbito dalla cella. Hanno esposto la cellula a una lampada ad alta temperatura e concentrato la luce sulla cellula. Hanno quindi variato l’intensità o la temperatura della lampadina e hanno osservato come l’efficienza energetica della cella, cioè la quantità di energia prodotta rispetto al calore assorbito, cambiava con la temperatura. In un intervallo compreso tra 1.900 e 2.400 gradi Celsius, la nuova cella TPV ha mantenuto un’efficienza di circa il 40%.
La cella utilizzata durante gli studi di questo interessante motore termico presenta dimensioni pari a circa un centimetro quadrato. Per un sistema di batterie termiche a scala di rete, si prevede che le celle TPV dovrebbero scalare fino a circa 900 metri quadrati (circa un quarto di un campo da calcio) e funzionerebbero in magazzini climatizzati per attingere energia da enormi banche di stoccaggio energia solare. Una parvenza di futuro che potrebbe prevedere applicazioni anche nel comparto dell’auto.