Οι «θερμικές μπαταρίες» θα μπορούσαν να αποθηκεύσουν αποτελεσματικά την αιολική και την ηλιακή ενέργεια σε ένα δίκτυο ανανεώσιμης ενέργειας

Πώς αποθηκεύετε τις ανανεώσιμες πηγές ενέργειας όταν ο Ήλιος δεν λάμπει και ο άνεμος δεν φυσάει; Αυτό είναι ένα από τα πιο ενοχλητικά ερωτήματα που εμποδίζουν ένα πιο πράσινο ηλεκτρικό δίκτυο. Οι μεγάλες τράπεζες μπαταριών είναι μια απάντηση. Αλλά είναι ακριβές και κατάλληλες να αποθηκεύουν ενέργεια για λίγες ώρες, όχι για μέρες με συννεφιά ή ηρεμία. Μια άλλη στρατηγική είναι να χρησιμοποιηθεί η πλεονάζουσα ενέργεια για να θερμανθεί μια μεγάλη μάζα υλικού σε εξαιρετικά υψηλές θερμοκρασίες και μετά να αξιοποιηθεί η ενέργεια ανάλογα με τις ανάγκες. Αυτή την εβδομάδα, οι ερευνητές ανάφεραν μια σημαντική βελτίωση σε ένα βασικό μέρος αυτού του σχεδίου: μια συσκευή που μετατρέπει την αποθηκευμένη θερμότητα ξανά σε ηλεκτρική ενέργεια.

Μια ομάδα από το Ινστιτούτο Τεχνολογίας της Μασαχουσέτης (MIT) και το Εθνικό Εργαστήριο Ανανεώσιμων Πηγών Ενέργειας (NREL) πέτυχε αύξηση σχεδόν 30% στην απόδοση ενός θερμοφωτοβολταϊκού (TPV), μιας δομής ημιαγωγών που μετατρέπει τα φωτόνια που εκπέμπονται από μια πηγή θερμότητας σε ηλεκτρική ενέργεια, όπως η ηλιακή κυψέλη μετατρέπει το ηλιακό φως σε ενέργεια. «Είναι πολύ συναρπαστικό», λέει ο Andrej Lenert, μηχανικός υλικών στο Πανεπιστήμιο του Michigan, Ann Arbor. "Είναι η πρώτη φορά που τα θερμοβολταϊκά μπαίνουν σε πολλά υποσχόμενο εύρος απόδοσης, κάτι που είναι τελικά αυτό που έχει σημασία για πολλές εφαρμογές."

Μαζί με τις σχετικές προόδους, το νέο έργο δίνει μεγάλη ώθηση στις προσπάθειες για την κυκλοφορία θερμικών μπαταριών σε μεγάλη κλίμακα, ως φθηνό εφεδρικό για συστήματα ανανεώσιμων πηγών ενέργειας. Η ιδέα είναι να τροφοδοτηθεί η πλεονάζουσα αιολική ή ηλιακή ηλεκτρική ενέργεια σε ένα στοιχείο, το οποίο ενισχύει τη θερμοκρασία ενός λουτρού υγρού μετάλλου ή ενός μπλοκ γραφίτη σε αρκετές χιλιάδες βαθμούς κελσίου. Η θερμότητα μπορεί να μετατραπεί ξανά σε ηλεκτρική ενέργεια με την παραγωγή ατμού που κινεί μια τουρμπίνα, αλλά οι υψηλές θερμοκρασίες που αναπτύσσονται αυξάνουν μεν την απόδοση μετατροπής, αλλά τα υλικά του στροβίλου αρχίζουν να διασπώνται στους 1500°C περίπου. Τα θερμοβολταϊκά προσφέρουν μια εναλλακτική λύση: Διοχευτεύουν την αποθηκευμένη θερμότητα σε μια μεταλλική μεμβράνη ή νήμα, φωτίζοντας όπως το σύρμα βολφραμίου σε έναν λαμπτήρα πυρακτώσεως και, στη συνέχεια, χρησιμοποιείται το θερμοβολταϊκό στοιχείο για να απορροφήσει το εκπεμπόμενο φως και να το μετατρέψει σε ηλεκτρική ενέργεια.

Για τη νέα συσκευή, ο Asegun Henry, μηχανολόγος μηχανικός του MIT, ασχολήθηκε τόσο με τον πομπό όσο και με το ίδιο το θερμοβολταϊκό . Προηγούμενες γενιές θερμοβολταϊκών θέρμαιναν τις εκπομπές σε περίπου 1400°C, γεγονός που μεγιστοποιούσε τη φωτεινότητά στο εύρος μήκους κύματος για το οποίο τα θερμοβολταϊκά έχουν μεγαλύτερη απόδοση. Ο Asegun Henry είχε ως στόχο να ωθήσει τη θερμοκρασία 1000°C υψηλότερα, όπου το βολφράμιο εκπέμπει περισσότερα φωτόνια σε υψηλότερες ενέργειες, κάτι που θα μπορούσε να βελτιώσει τη μετατροπή της ενέργειας. Αλλά αυτό σημαίνει ότι θα ανακατασκευαστούν και τα θερμοβολταϊκά. Με ερευνητές στο Εθνικό Εργαστήριο Ανανεώσιμων Πηγών Ενέργειας, η ομάδα του Χένρι έβαλε πάνω από δύο δωδεκάδες λεπτές στρώσεις διαφορετικών ημιαγωγών για να δημιουργήσει δύο ξεχωριστές κυψέλες στοιβαγμένες τη μια πάνω στην άλλη. Το επάνω κύτταρο απορροφά κυρίως ορατά και υπεριώδη φωτόνια, ενώ το κάτω κύτταρο απορροφά κυρίως υπέρυθρες. Ένα λεπτό φύλλο χρυσού κάτω από το κάτω κελί αντανακλά φωτόνια χαμηλής ενέργειας που τα θερμοβολταϊκά δεν μπορούσαν να συλλέξουν. Το βολφράμιο επαναρροφά αυτή την ενέργεια, εμποδίζοντάς την να χαθεί. Το αποτέλεσμα, αναφέρει η ομάδα σήμερα στο Nature, είναι μια σειρά από θερμοβολταϊκά που μετατρέπει το 41,1% της ενέργειας που εκπέμπεται από ένα νήμα βολφραμίου 2400°C σε ηλεκτρική ενέργεια.