Massachusetts Institute of Technology
Raziskovalci pravijo, da bi ta zasnova nekoč lahko omogočila popolnoma razogljičeno električno omrežje.
Inženirji z univerze MIT in Nacionalnega laboratorija za obnovljivo energijo (NREL) so zasnovali toplotni stroj brez gibljivih delov. Njihove nove predstavitve kažejo, da pretvarja toploto v električno energijo z več kot 40-odstotnim izkoristkom – kar je bolje od tradicionalnih parnih turbin. Toplotni stroj je termofotovoltaična (TPV) celica, podobna fotovoltaičnim celicam sončnih panelov, ki pasivno zajema visokoenergijske fotone iz vira toplote bele barve in jih pretvarja v električno energijo. Zasnova stroja te ekipe lahko proizvaja električno energijo iz vira toplote s temperaturo med 1.900 in 2.400 stopinjami Celzija. Raziskovalci nameravajo TPV celico vgraditi v toplotno baterijo primerno za uporabo v omrežju. Sistem bi absorbiral odvečno energijo iz obnovljivih virov, kot je sonce, in jo shranil v močno izoliranih baterijah vročega grafita. Ko bi bila energija potrebna, na primer ob oblačnem vremenu, bi TPV celice pretvarjale toploto v električno energijo in jo pošiljale v električno omrežje. Z novo TPV celico je ekipa zdaj uspešno predstavila glavne dele sistema v ločenih poskusih v majhnem obsegu. Zdaj si prizadevajo za združitev delov, da bi predstavili popolnoma delujoč sistem. Nato upajo, da bodo sistem razširili tako, da bo nadomestil elektrarne na fosilna goriva in omogočil popolnoma dekarbonizirano električno omrežje, ki ga bo v celoti oskrbovala energija iz obnovljivih virov. “Termofotovoltaične celice so bile zadnji ključni korak pri dokazovanju, da so termične baterije izvedljiv koncept,” pravi Asegun Henry, profesor na oddelku za strojništvo na MIT. “To je absolutno ključen korak na poti k širjenju obnovljivih virov energije in popolni dekarbonizaciji omrežja.” Henry in njegovi sodelavci so svoje rezultate danes objavili v reviji Nature. Soavtorji na MIT so Alina LaPotin, Kyle Buznitsky, Colin Kelsall, Andrew Rohskopf in Evelyn Wang, profesorica inženirstva in vodja oddelka za strojništvo, ter Kevin Schulte in sodelavci na NREL v Goldenu v Koloradu.
Preskakovanje vrzeli
Več kot 90 odstotkov električne energije na svetu se proizvede iz virov toplote, kot so premog, zemeljski plin, jedrska energija in koncentrirana sončna energija. Parne turbine so že stoletje industrijski standard za pretvorbo teh virov toplote v električno energijo. Parne turbine v povprečju zanesljivo pretvorijo približno 35 odstotkov toplotnega vira v električno energijo, pri čemer je približno 60-odstotni izkoristek najvišji med vsemi toplotnimi stroji doslej. Vendar so ti stroji odvisni od gibljivih delov, ki so temperaturno omejeni. Viri toplote, višji od 2.000 stopinj Celzija, kot je Henryjev predlagani sistem toplotnih baterij, bi bili za turbine prevroči. V zadnjih letih so znanstveniki preučevali alternative, kot so toplotni stroji brez gibljivih delov, ki bi lahko učinkovito delovali tudi pri višjih temperaturah. “Ena od prednosti novih pretvornikov energije je, da lahko delujejo pri višjih temperaturah z nižjimi stroški vzdrževanja, saj nimajo gibljivih delov,” pravi Henry. “Samo stojijo in zanesljivo proizvajajo električno energijo.” Termofotovoltaične celice so ponudile eno od raziskovalnih poti do novih toplotnih strojev. Podobno kot sončne celice bi lahko bile tudi TPV celice izdelane iz polprevodniških materialov z določeno pasovno vrzeljo – vrzel med valenčnim in prevodnim pasom materiala. Če material absorbira foton z dovolj visoko energijo, lahko ta odbije elektron čez pasovno vrzel, kjer lahko elektron potuje naprej in tako proizvaja električno energijo – brez premikanja rotorjev ali lopatic. Doslej je večina TPV celic dosegla le približno 20-odstotni izkoristek, rekordni pa je bil 32-odstotni, saj so bile narejene iz materialov z relativno nizko pasovno širino, ki pretvarjajo fotone z nižjo temperaturo in nizko energijo ter zato manj učinkovito pretvarjajo energijo. Henry in njegovi sodelavci so pri novi TPV zasnovi poskušali zajeti fotone z višjo energijo iz vira toplote z višjo temperaturo in tako učinkoviteje pretvoriti energijo. Nova celica, ki jo je izdelala ekipa, v primerjavi z obstoječimi TPV zasnovami to počne z materiali z višjim preklopom in več stiki ali plastmi materiala. “Vsekakor gre za velik pozitivni neto učinek v smislu trajnosti,” pravi Henry. “Tehnologija je varna, v svojem življenjskem ciklu je okolju prijazna in ima lahko izjemen vpliv na zmanjšanje emisij ogljikovega dioksida pri proizvodnji električne energije.”
To raziskavo je delno podprlo ameriško ministrstvo za energijo.
Povzeto po:
https://news.mit.edu/2022/thermal-heat-engine-0413
