Inżynierowie z MIT i Narodowego Laboratorium Energii Odnawialnej (NREL) zaprojektowali silnik cieplny bez ruchomych części. Ich nowe demonstracje pokazują, że przekształca ciepło w energię elektryczną z ponad 40-procentową wydajnością – wydajność lepsza niż w przypadku tradycyjnych turbin parowych.
Silnik cieplny to ogniwo termofotowoltaiczne (TPV), podobne do ogniw fotowoltaicznych panelu słonecznego, które pasywnie wychwytuje wysokoenergetyczne fotony z rozgrzanego do białości źródła ciepła i przekształca je w energię elektryczną. Projekt zespołu może generować energię elektryczną ze źródła ciepła o temperaturze od 1900 do 2400 stopni Celsjusza, czyli do około 4300 stopni Fahrenheita.
Naukowcy planują włączyć ogniwo TPV do baterii termicznej w skali siatki. System absorbowałby nadmiar energii ze źródeł odnawialnych, takich jak słońce, i magazynował tę energię w mocno izolowanych nasypach gorącego grafitu. Gdy energia jest potrzebna, na przykład w pochmurne dni, ogniwa TPV zamieniają ciepło w energię elektryczną i wysyłają energię do sieci energetycznej.
Dzięki nowej komórce TPV zespół z powodzeniem zademonstrował główne części systemu w oddzielnych eksperymentach na małą skalę. Pracują nad integracją części, aby zademonstrować w pełni działający system. Stamtąd mają nadzieję na zwiększenie skali systemu, aby zastąpić elektrownie oparte na paliwach kopalnych i umożliwić całkowicie zdekarbonizowaną sieć energetyczną, zasilaną wyłącznie energią odnawialną.
„Ogniwa termofotowoltaiczne były ostatnim kluczowym krokiem w kierunku wykazania, że baterie cieplne są realną koncepcją”, mówi Asegun Henry, profesor rozwoju kariery Roberta N. Noyce’a na Wydziale Inżynierii Mechanicznej MIT. „To absolutnie krytyczny krok na drodze do rozprzestrzeniania energii odnawialnej i dojścia do całkowicie zdekarbonizowanej sieci”.
Henry i jego współpracownicy opublikowali dziś swoje wyniki w czasopiśmie Nature. Współautorami w MIT są Alina LaPotin, Kevin Schulte, Kyle Buznitsky, Colin Kelsall, Andrew Rohskopf i Evelyn Wang, profesor inżynierii Forda i kierownik Wydziału Inżynierii Mechanicznej, wraz ze współpracownikami z NREL w Golden w stanie Kolorado.
Przeskakiwanie luki
Ponad 90 procent światowej energii elektrycznej pochodzi ze źródeł ciepła, takich jak węgiel, gaz ziemny, energia jądrowa i skoncentrowana energia słoneczna. Od stulecia turbiny parowe są przemysłowym standardem przekształcania takich źródeł ciepła w energię elektryczną.
Średnio turbiny parowe niezawodnie przetwarzają około 35 procent źródła ciepła na energię elektryczną, przy czym około 60 procent reprezentuje najwyższą dotychczas sprawność dowolnego silnika cieplnego. Ale maszyny zależą od ruchomych części, które mają ograniczoną temperaturę. Źródła ciepła o temperaturze wyższej niż 2000 stopni Celsjusza, takie jak proponowany przez Henry’ego system akumulatorów termicznych, byłyby zbyt gorące dla turbin.
W ostatnich latach naukowcy przyjrzeli się alternatywom półprzewodnikowym – silnikom cieplnym bez ruchomych części, które mogłyby potencjalnie pracować wydajnie w wyższych temperaturach.
„Jedną z zalet półprzewodnikowych konwerterów energii jest to, że mogą pracować w wyższych temperaturach przy niższych kosztach konserwacji, ponieważ nie mają ruchomych części”, mówi Henry. „Po prostu siedzą i niezawodnie wytwarzają energię elektryczną”.
Ogniwa termofotowoltaiczne oferują jedną drogę badawczą w kierunku półprzewodnikowych silników cieplnych. Podobnie jak ogniwa słoneczne, ogniwa TPV mogą być wykonane z materiałów półprzewodnikowych o określonej przerwie energetycznej – przerwie między pasmem walencyjnym materiału a jego pasmem przewodnictwa. Jeśli foton o wystarczająco wysokiej energii zostanie pochłonięty przez materiał, może przerzucić elektron przez przerwę wzbronioną, w której elektron może przewodzić, a tym samym generować elektryczność – robiąc to bez poruszania wirników lub łopatek.
Do tej pory większość ogniw TPV osiągnęła wydajność tylko około 20 procent, z rekordową 32 procent, ponieważ zostały wykonane z materiałów o stosunkowo niskiej przerwie energetycznej, które konwertują fotony o niższej temperaturze i energii, a zatem konwertują energię mniej wydajnie .
Łapanie światła
W swoim nowym projekcie TPV Henry i jego koledzy starali się wychwytywać fotony o wyższej energii ze źródła ciepła o wyższej temperaturze, tym samym bardziej wydajnie przekształcając energię. Nowa komórka zespołu robi to z materiałami o większej przerwie wzbronionej i wieloma złączami lub warstwami materiałów w porównaniu z istniejącymi projektami TPV.
Ogniwo jest wykonane z trzech głównych obszarów: ze stopu o wysokiej przerwie wzbronionej, który znajduje się na stopie o nieco niższej przerwie wzbronionej, pod którym znajduje się podobna do lustra warstwa złota. Pierwsza warstwa wychwytuje fotony o najwyższej energii ze źródła ciepła i przekształca je w energię elektryczną, podczas gdy fotony o niższej energii, które przechodzą przez pierwszą warstwę, są wychwytywane przez drugą i przekształcane w celu dodania do generowanego napięcia. Wszelkie fotony, które przechodzą przez tę drugą warstwę, są następnie odbijane przez lustro z powrotem do źródła ciepła, a nie pochłaniane jako tracone ciepło.
Zespół przetestował wydajność ogniwa, umieszczając je nad czujnikiem strumienia ciepła — urządzeniem, które bezpośrednio mierzy ciepło pochłonięte przez ogniwo. Wystawili komórkę na działanie lampy o wysokiej temperaturze i skoncentrowali światło na komórce. Następnie zmieniali intensywność lub temperaturę żarówki i obserwowali, jak wydajność energetyczna ogniwa – ilość wytwarzanej energii w porównaniu z pochłanianym przez nie ciepłem – zmieniała się wraz z temperaturą. W zakresie od 1900 do 2400 stopni Celsjusza nowe ogniwo TPV utrzymywało wydajność około 40 procent.
„Możemy uzyskać wysoką wydajność w szerokim zakresie temperatur właściwych dla akumulatorów termicznych” – mówi Henry.
Komórka w eksperymentach ma około centymetra kwadratowego. W przypadku systemu akumulatorów termicznych w skali sieciowej, Henry przewiduje, że ogniwa TPV musiałyby wzrosnąć do około 10 000 stóp kwadratowych (około jednej czwartej boiska piłkarskiego) i działać w magazynach z kontrolowanym klimatem, aby pobierać energię z ogromnych banków przechowywanych energia słoneczna. Wskazuje, że istnieje infrastruktura do produkcji wielkoskalowych ogniw fotowoltaicznych, którą można by również przystosować do produkcji TPV.
„Zdecydowanie jest tu ogromny plus netto, jeśli chodzi o zrównoważony rozwój”, mówi Henry. „Technologia jest bezpieczna, przyjazna dla środowiska w swoim cyklu życia i może mieć ogromny wpływ na ograniczenie emisji dwutlenku węgla z produkcji energii elektrycznej”.
Badania te były częściowo wspierane przez Departament Energii Stanów Zjednoczonych.