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Aproximando-se da eficiência máxima teórica, os dispositivos para transformar calor em eletricidade estão cada vez mais perto de serem práticos para uso na rede, de acordo com uma pesquisa da Universidade de Michigan.
As baterias de calor poderiam armazenar energia renovável intermitente durante os horários de pico de produção, contando com uma versão térmica das células solares para convertê-la em eletricidade posteriormente.
“À medida que incluímos frações mais elevadas de energias renováveis na rede para atingir as metas de descarbonização, precisamos de custos mais baixos e durações mais longas de armazenamento de energia, uma vez que a energia gerada pela energia solar e eólica não corresponde quando a energia é utilizada”, Andrej Lenert, professor associado da UM de engenharia química e autor correspondente do estudo recentemente publicado em Joule.
As células termofotovoltaicas funcionam de forma semelhante às células fotovoltaicas, comumente conhecidas como células solares. Ambos convertem a radiação eletromagnética em eletricidade, mas a termofotovoltaica usa os fótons infravermelhos de menor energia, em vez dos fótons de maior energia da luz visível.
A equipe relata que seu novo dispositivo tem uma eficiência de conversão de energia de 44% a 1435°C, dentro da faixa alvo para o armazenamento de energia em alta temperatura existente (1200°C-1600°C). Supera os 37% alcançados pelos projetos anteriores nesta faixa de temperaturas.
“É uma forma de bateria, mas muito passiva. Você não precisa extrair lítio como faz com células eletroquímicas, o que significa que não precisa competir com o mercado de veículos elétricos. Ao contrário da água bombeada para armazenamento de energia hidrelétrica , você pode colocá-lo em qualquer lugar e não precisa de uma fonte de água próxima”, disse Stephen Forrest, Distinguido Professor de Engenharia Elétrica da Universidade Peter A. Franken na UM e autor colaborador do estudo.
Numa bateria de calor, a energia termofotovoltaica envolveria um bloco de material aquecido a uma temperatura de pelo menos 1000°C. Pode atingir essa temperatura passando a eletricidade de um parque eólico ou solar através de uma resistência ou absorvendo o excesso de calor da energia solar térmica ou da produção de aço, vidro ou concreto.
“Essencialmente, usar eletricidade para aquecer algo é um método muito simples e barato de armazenar energia em relação às baterias de íon de lítio. Dá acesso a muitos materiais diferentes para usar como meio de armazenamento para baterias térmicas”, disse Lenert.
O material de armazenamento aquecido irradia fótons térmicos com uma gama de energias. A 1435°C, cerca de 20-30% deles têm energia suficiente para gerar eletricidade nas células termofotovoltaicas da equipe. A chave para este estudo foi otimizar o material semicondutor, que captura os fótons, para ampliar suas energias preferidas de fótons, ao mesmo tempo que se alinha com as energias dominantes produzidas pela fonte de calor.
Mas a fonte de calor também produz fótons acima e abaixo das energias que o semicondutor pode converter em eletricidade. Sem uma engenharia cuidadosa, eles seriam perdidos.
Para resolver este problema, os pesquisadores construíram uma fina camada de ar na célula termofotovoltaica logo além do semicondutor e adicionaram um refletor de ouro além do entreferro – uma estrutura que eles chamam de ponte aérea. Essa cavidade ajudou a reter fótons com as energias certas para que entrassem no semicondutor e enviassem o restante de volta ao material de armazenamento de calor, onde a energia tinha outra chance de ser reemitida como um fóton que o semicondutor poderia capturar.
“Ao contrário das células solares, as células termofotovoltaicas podem recuperar ou reciclar fótons que não são úteis”, disse Bosun Roy-Layinde, estudante de doutorado em engenharia química da UM e primeiro autor do estudo.
Um estudo recente descobriu que o empilhamento de duas pontes aéreas melhora o projeto, aumentando tanto o alcance dos fótons convertidos em eletricidade quanto a faixa de temperatura útil para baterias de calor.
“Ainda não atingimos o limite de eficiência desta tecnologia. Estou confiante de que ultrapassaremos os 44% e chegaremos aos 50% num futuro não muito distante”, disse Forrest, que também é Paul G. Goebel Professor de Engenharia e professor de engenharia elétrica e ciência da computação, ciência e engenharia de materiais e física.
A equipa solicitou protecção de patente com a assistência das Parcerias de Inovação da UM e está à procura de parceiros para levar a tecnologia ao mercado.
Esta pesquisa é baseada em trabalhos apoiados pela National Science Foundation (números de concessão 2018572 e 2144662) e pelo Escritório de Pesquisa do Exército (número de concessão W911-NF-17-0312).
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