La nueva tecnología del MIT que hará las centrales térmicas más eficientes y verdes

Investigadores del Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT) han desarrollado una nueva célula termofotovoltaica capaz de convertir el calor en electricidad de una manera más eficiente y barata a como lo hacen las actuales turbinas de vapor. Este descubrimiento puede hacer viables las baterías térmicas, un sistema de almacenamiento de energía que según los investigadores es “un paso absolutamente crítico en el camino hacia la proliferación de las energías renovables y la consecución de una red [eléctrica] totalmente descarbonizada".

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A finales del siglo XIX, Charles Parsons inventó la turbina moderna de vapor, un sistema revolucionario que gracias a una dinamo podía transformar el calor en electricidad. Desde entonces, este tipo de turbinas se ha convertido en un estándar de la industria y ha hecho posible que obtengamos electricidad de fuentes térmicas como el carbón, el gas natural, la fisión nuclear o la energía solar.

A pesar de su amplio uso, las turbinas de vapor tienen sus limitaciones. De media, estas turbinas pueden convertir aproximadamente el 35% de una fuente de calor en electricidad, aunque hay modelos que han conseguido un rendimiento de hasta el 60%. Y por otro lado, su diseño depende de piezas móviles le impiden funcionar a temperaturas superiores a los 2.000 °C.

Una alternativa a las turbinas son las células termofotovoltaicas. Este tipo de células son similares a las que hay en los paneles solares y pueden capturar fotones de alta energía de una fuente de calor blanca y convertirlos en electricidad. Los investigadores del MIT han creado una versión de estas células que es capaz de funcionar a temperaturas de entre 1.900 y 2.400 ºC y convierten más del 40% del calor en energía eléctrica.

Cómo funciona

Cuando el calor llega a este dispositivo es recogido por un material que por un lado lo absorbe y por el otro emite fotones. Los fotones que salen son recogidos por una célula fotovoltaica como la que vemos en los paneles solares que se encarga de convertirlos en electricidad.

La célula diseñada por los científicos del MIT para sus expertimentos tiene un tamaño de un centímetro por un centímetro. Está pensada para funcionar a temperaturas elevadas y para eso usa materiales que absorben más energía y emiten fotones infrarrojos de mayor energía. También cuenta con células fotovoltaicas diseñadas específicamente para aprovechar al máximo este tipo de fotones.

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El sistema tiene varias capas de células. La primera capa recoge los fotones de mayor energía a voltajes más altos y eficientes para la transmisión. La segunda sin embargo, está encargada de recoger los fotones de menor energía. Para los fotones fuera de los rangos anteriores, el sistema cuenta con un espejo que hace que reboten y sirvan para alimentar el arranque del proceso y ayudar a mantener la temperatura del emisor.

Como explica el equipo en un artículo publicado en la revista Nature, el equipo comprobó la eficacia de la célula colocándola sobre un dispositivo que mide directamente el calor absorbido. Luego expusieron la célula a una lámpara de alta temperatura y fueron variando la intensidad de la bombilla y la temperatura y observaron cómo la eficiencia energética de la célula iba cambiando. En un rango de temperatura de 1.900 a 2.400 ºC, la nueva célula mantuvo una eficiencia de alrededor del 40%, muy por encima de otros sistemas del mismo tipo.

"Una de las ventajas de los convertidores de energía de estado sólido es que pueden funcionar a temperaturas más altas con menores costes de mantenimiento porque no tienen piezas móviles", explica el Asegun Henry profesor del Departamento de Ingeniería Mecánica del MIT y autor principal del estudio. "Simplemente se quedan ahí y generan electricidad de forma fiable".

Una tecnología clave para las renovables

La idea de los investigadores es acoplar sus células a una batería térmica. Así su sistema absorbería el exceso de energía de fuentes renovables y la almacenaría en bancos de grafito. Cuando no hay sol el sistema puede absorber el calor de estas baterías, convertirlo en electricidad y compartirla con la red eléctrica.

El equipo calcula que empleando su sistema, las baterías térmicas podrían funcionar con una eficiencia de en torno al 40 o 55%. Está cifra está muy por debajo del 70% de eficiencia de las baterías de litio, pero su coste será una décima parte menor, según los investigadores. Esto es solo el primer paso de una tecnología que de producirse comercialmente puede tener un gran impacto en las emisiones de CO2 en todo el planeta. Aunque por ahora ni los invesitigadores ni el MIT han dado pistas de los siguientes pasos que tienen pensado para su invento.

"Las células termofotovoltaicas han sido el último paso clave para demostrar que las baterías térmicas son un concepto viable", asegura Henry. "La tecnología es segura, ambientalmente inofensiva durante su ciclo de vida, y puede tener un tremendo impacto en la reducción de las emisiones de dióxido de carbono de la producción de electricidad".