Bateria de calor gera eletricidade com eficiência de 44%

Redação do Site Inovação Tecnológica - 05/06/2024

Uma fonte de calor emite a radiação infravermelha que a célula converte em eletricidade. Fios conduzem a eletricidade a um sensor que lê a tensão e a amperagem.
[Imagem: Brenda Ahearn/Michigan Engineering]

Baterias de calor

Aproximando-se da eficiência teórica máxima, dispositivos para transformar calor em eletricidade estão cada vez mais perto de estarem prontos para utilização prática, o que significa que poderão ser conectados à rede de distribuição elétrica.

Também conhecidos como baterias de calor, esses dispositivos podem armazenar energia renovável intermitente (energia solar e energia eólica) durante os horários de pico de produção, contando com uma versão térmica das células solares para convertê-la em eletricidade posteriormente.

Essa versão térmica vem na forma de células termofotovoltaicas, que funcionam de forma semelhante às células fotovoltaicas, ou células solares. Ambas convertem a radiação eletromagnética em eletricidade, mas as células termofotovoltaicas capturam fótons infravermelhos, de energia mais baixa, em vez dos fótons de energia mais alta da luz visível.

Bosun Roy-Layinde e colegas da Universidade de Michigan, nos EUA, conseguiram agora fazer isto do modo mais eficiente já alcançado.

Seu novo protótipo tem uma eficiência de conversão de energia de 44% operando a 1435 °C, a faixa alvo para o armazenamento de energia em alta temperatura em escala industrial (1200 °C-1600 °C). Para comparação, o recorde anterior era de 37% nesta faixa de temperaturas.

"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 o professor Stephen Forrest.

Os espaços vazios são cruciais para a eficiência alcançada pela célula termofotovoltaica.
[Imagem: Bosun Roy-Layinde et al. - 10.1021/acsenergylett.4c00774]

Energia termofotovoltaica

Em uma bateria de calor, a energia termofotovoltaica envolve um bloco de material aquecido a uma temperatura tipicamente acima dos 1000 °C - já estão em desenvolvimento baterias de calor de baixa temperatura. Temperaturas tão elevadas são comuns no ambiente industrial, mas também podem ser obtidas por concentradores solares ou passando a eletricidade de um parque eólico ou solar através de uma resistência.

"Essencialmente, usar eletricidade para aquecer algo é um método muito simples e barato de armazenar energia em relação às baterias de íons de lítio. Isso dá acesso a muitos materiais diferentes para usar como meio de armazenamento para baterias térmicas," disse Andrej Lenert, membro da equipe.

O material de armazenamento aquecido brilha, irradiando fótons térmicos com uma gama de energias. A 1435 °C, cerca de 20-30% deles têm energia suficiente para gerar eletricidade nas células termofotovoltaicas que a equipe construiu. A chave para o recorde obtido agora 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 consegue converter em eletricidade. Sem uma engenharia cuidadosa, eles seriam perdidos. Para resolver esse problema, os pesquisadores construíram uma fina camada de ar na célula termofotovoltaica logo além do semicondutor, e adicionaram um refletor após a camada de ar, criando uma estrutura que eles chamam de "ponte aérea". Essa cavidade ajuda a reter fótons com as energias certas para que eles entrem no semicondutor, enviando o restante de volta ao material de armazenamento de calor, onde a energia tem outra chance de ser reemitida como um fóton que o semicondutor consegue capturar.

"Ao contrário das células solares, as células termofotovoltaicas podem recuperar ou reciclar fótons que não são úteis," disse Bosun.

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