Roma – Il termofotovoltaico sviluppato presso l’UM può recuperare molta più energia immagazzinata nelle batterie di calore. Secondo una ricerca dell’Università del Michigan, avvicinandosi alla massima efficienza teorica, i dispositivi per trasformare il calore in elettricità si stanno avvicinando sempre più all’uso pratico sulla rete. La ricerca è stata pubblicata su Joule.
Le batterie di calore potrebbero immagazzinare energia rinnovabile intermittente durante le ore di punta della produzione, facendo affidamento su una versione termica delle celle solari per convertirla successivamente in elettricità.
Foto di dettaglio delle celle fotovoltaiche utilizzate per convertire il calore in elettricità nel Lab for Efficient and Enduring Energy Systems (LE3) presso il North Campus Research Center dell’Università del Michigan, giovedì 16 maggio 2024.
LE3 è interessato a utilizzare tali dispositivi per ricavare energia da batterie termiche o batterie che immagazzinano energia sotto forma di calore. Per ottenere il massimo dalle batterie termiche, gli ingegneri devono assorbire continuamente energia dalla batteria mentre si raffredda dalla massima temperatura possibile, ma la maggior parte delle celle fotovoltaiche termiche funziona in modo efficiente solo a temperature superiori a 1800 gradi C. Le celle fotovoltaiche termiche di Bosun sono il 25% in più efficiente rispetto ad altri progetti nel convertire il calore in elettricità a temperature fino a 1200 gradi C. Questo livello di efficienza potrebbe consentire ai sistemi di batterie termiche di diventare più economici delle batterie agli ioni di litio e consentire alle tecnologie delle batterie di raggiungere un prezzo necessario per sfruttare la maggior parte del rete sull’energia eolica e solare.
Foto: Brenda Ahearn/Università del Michigan, Facoltà di Ingegneria, Comunicazione e Marketing
“Poiché includiamo frazioni più elevate di energie rinnovabili nella rete per raggiungere gli obiettivi di decarbonizzazione, abbiamo bisogno di costi inferiori e di periodi più lunghi di stoccaggio dell’energia poiché l’energia generata dal solare e dall’eolico non corrisponde al momento in cui viene utilizzata l’energia”, Andrej Lenert , professore associato dell’UM di ingegneria chimica e corrispondente autore dello studio recentemente pubblicato su Joule.
Le celle termofotovoltaiche funzionano in modo simile alle celle fotovoltaiche, comunemente note come celle solari. Entrambi convertono la radiazione elettromagnetica in elettricità, ma i termofotovoltaici utilizzano i fotoni infrarossi a energia più bassa anziché i fotoni a energia più alta della luce visibile.
Il team riferisce che il loro nuovo dispositivo ha un’efficienza di conversione di potenza del 44% a 1435°C, entro l’intervallo target per l’attuale accumulo di energia ad alta temperatura (1200°C-1600°C). Supera il 37% raggiunto dai modelli precedenti in questo intervallo di temperature.
“È una forma di batteria, ma molto passiva. Non è necessario estrarre il litio come si fa con le celle elettrochimiche, il che significa che non è necessario competere con il mercato dei veicoli elettrici. A differenza dell’acqua pompata per lo stoccaggio dell’energia idroelettrica “, puoi metterlo ovunque e non hai bisogno di una fonte d’acqua nelle vicinanze”, ha affermato Stephen Forrest , professore universitario di ingegneria elettrica Peter A. Franken Distinguished presso l’UM e autore collaboratore dello studio.
In una batteria di calore, il termofotovoltaico circonderebbe un blocco di materiale riscaldato ad una temperatura di almeno 1000°C. Potrebbe raggiungere quella temperatura facendo passare l’elettricità da un parco eolico o solare attraverso un resistore o assorbendo il calore in eccesso dall’energia termica solare o dalla produzione di acciaio, vetro o cemento.
“Essenzialmente, usare l’elettricità per riscaldare qualcosa è un metodo molto semplice ed economico per immagazzinare energia rispetto alle batterie agli ioni di litio. Ti dà accesso a molti materiali diversi da utilizzare come mezzo di stoccaggio per le batterie termiche”, ha detto Lenert.
Il materiale di stoccaggio riscaldato irradia fotoni termici con una gamma di energie. A 1435°C, circa il 20-30% di questi ha abbastanza energia per generare elettricità nelle celle termofotovoltaiche del team. La chiave di questo studio è stata l’ottimizzazione del materiale semiconduttore, che cattura i fotoni, per ampliare le sue energie fotoniche preferite allineandosi con le energie dominanti prodotte dalla fonte di calore.
Ma la fonte di calore produce anche fotoni sopra e sotto le energie che il semiconduttore può convertire in elettricità. Senza un’attenta progettazione, questi andrebbero perduti.
Per risolvere questo problema, i ricercatori hanno costruito un sottile strato d’aria nella cella termofotovoltaica appena oltre il semiconduttore e hanno aggiunto un riflettore dorato oltre il traferro, una struttura che chiamano ponte aereo. Questa cavità ha contribuito a intrappolare i fotoni con le giuste energie in modo che entrassero nel semiconduttore e rimandassero il resto nel materiale di accumulo del calore, dove l’energia aveva un’altra possibilità di essere riemessa come fotone che il semiconduttore poteva catturare.
“A differenza delle celle solari, le celle termofotovoltaiche possono recuperare o riciclare fotoni che non sono utili”, ha affermato Bosun Roy-Layinde, dottorando in ingegneria chimica dell’UM e primo autore dello studio.
Uno studio recente ha scoperto che l’impilamento di due ponti aerei migliora il design, aumentando sia la gamma di fotoni convertiti in elettricità sia l’intervallo di temperatura utile per le batterie di calore.
“Non siamo ancora al limite dell’efficienza di questa tecnologia. Sono fiducioso che supereremo il 44% e spingeremo il 50% in un futuro non troppo lontano”, ha affermato Forrest, che è anche Paul G. Goebel Professore di Ingegneria e professore di ingegneria elettrica e informatica, scienza e ingegneria dei materiali e fisica.
Il team ha richiesto la protezione del brevetto con l’assistenza di UM Innovation Partnerships e sta cercando partner per portare la tecnologia sul mercato.(30Science.com)
