Progettato dal Massachusetts Institute of Technology, il nuovo motore termico non ha parti meccaniche in movimento e si alimenta interamente con l’energia solare. Il sistema rivoluzionario ha un livello di efficienza di gran lunga maggiore delle turbine a vapore e di qualsiasi altro motore sperimentato fino ad oggi.
Il motore del futuro
Il motore del futuro avrà l’aspetto di un pannello solare e sarà efficiente quanto una turbina a vapore. È quanto si evince dalla ricerca degli ingegneri del Massachusetts Institute of Technology e del National Renewable Energy Laboratory (NREL) che ha dato vita al primo motore termico privo di parti in movimento.Il progetto mostra come un cella termofotovoltaica (TPV), incorporata in una batteria termica, converta il calore in elettricità con un’efficienza superiore al40%, una prestazione migliore di quella delle tradizionali turbine a vapore.
Batterie termiche collegate in rete
Il motore termico in questione è dunque simile alle celle fotovoltaiche di un pannello solare. Non ha componenti mobili, cattura passivamente fotoni da una fonte di calore incandescente e li converte in elettricità. Il prototipo sperimentato può generare elettricità da una fonte di calore a una temperatura compresa tra 1.900° e 2.400°C.
Il team di ricercatori per il momento ha dimostrato con successo il funzionamento del sistema su piccola scala, ma l’intenzione è quella di incorporare le celle TPV in batterie termiche collegate in rete. Questo consentirebbe di sostituire le centrali elettriche, alimentate da combustibili fossili, con una rete elettrica completamente decarbonizzata, rifornita integralmente da energia rinnovabile.
Si tratta di un apparato rivoluzionario, che sfrutta l’irradiazione solare e accumula l’energia eccedente in pannelli isolanti di grafite. Quando la fonte rinnovabile scarseggia, come nei giorni nuvolosi, le celle TPV convertono il calore immagazzinato in elettricità inviando l’energia a una rete elettrica.
“Le celle termofotovoltaiche rappresentano l’ultimo passo fondamentale per dimostrare che le batterie termiche sono un concetto praticabile”, ha dichiarato alla rivista Nature Asegun Henry, Robert N. Noyce Career Development Professor presso il Dipartimento di ingegneria meccanica del MIT.
Le turbine a vapore
Attualmente oltre il 90% dell’elettricità mondiale proviene da combustibili fossili come carbone, gas naturale, energia nucleare e energia solare a concentrazione. Per circa un secolo, le turbine a vapore sono state lo standard industriale per convertire tali fonti di calore in elettricità.
In media, le turbine a vapore convertono in modo affidabile circa il 35% di una fonte di calore in elettricità. Il 60% rappresenta la massima efficienza raggiunta fino ad oggi da qualsiasi motore termico, un macchinario che in ogni caso dipende da parti in movimento limitate dalla temperatura. Fonti di calore superiori a 2.000°C, come il sistema di batterie termiche proposto da Henry, sarebbero troppo calde per le turbine.
La banda proibita
Le celle termofotovoltaiche hanno quindi offerto un nuovo percorso esplorativo che ha condotto verso i motori termici innovativi. Proprio come le celle solari, le celle TPV potrebbero essere realizzate con materiali semiconduttori che presentano un particolare distacco tra banda di valenza e banda di conduzione (band gap o banda proibita). Se un fotone con un’energia sufficientemente elevata viene assorbito dal materiale, può spingere l’elettrone attraverso il band gap. A questo punto l’elettrone può condurre e generare elettricità senza muovere rotori o pale.
Ad oggi, la maggior parte delle celle TPV non aveva superato un’efficienza del 32%, perché realizzate con materiali a banda proibita relativamente bassa. Le temperature più elevate sperimentate nel nuovo progetto consentono, invece, di convertire l’energia in modo più efficiente.