{"id":23625,"date":"2024-12-16T06:40:18","date_gmt":"2024-12-16T05:40:18","guid":{"rendered":"https:\/\/test.cfdfeaservice.it\/index.php\/2024\/12\/16\/il-motore-termico-efficiente-come-una-turbina-a-vapore\/"},"modified":"2024-12-16T06:40:18","modified_gmt":"2024-12-16T05:40:18","slug":"il-motore-termico-efficiente-come-una-turbina-a-vapore","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/test.cfdfeaservice.it\/index.php\/2024\/12\/16\/il-motore-termico-efficiente-come-una-turbina-a-vapore\/","title":{"rendered":"Il motore termico efficiente come una turbina a vapore"},"content":{"rendered":"
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Progettato e realizzato dai ricercatori del MIT (Massachussetts Institute of Technology) in collaborazione col National Renewable Energy Laboratory (NREL), il nuovo motore termico senza parti in movimento costituito da una cella termofotovoltaica (TPV) che cattura passivamente fotoni ad alta energia e li converte in elettricit\u00e0<\/strong>.<\/p>\n

di Lisa Borreani<\/em><\/p>\n

Gli ingegneri del MIT<\/a> e del National Renewable Energy Laboratory<\/a> (NREL) hanno progettato un motore termico senza parti mobili. La loro nuova proposta dimostra che si pu\u00f2 convertire il calore in elettricit\u00e0 con un\u2019efficienza superiore al 40 percento<\/strong>, una prestazione migliore di quella ottenuta dalle tradizionali turbine a vapore.<\/p>\n

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NREL \u00e8 il principale laboratorio del Dipartimento dell\u2019Energia degli Stati Uniti per la ricerca e lo sviluppo di energie rinnovabili e anche laboratorio principale per la ricerca e sviluppo sull\u2019efficienza energetica. Gestito dal Midwest Research Institute, Battelle e Bechtel oltre a lavorare nelle tecnologie di trasporto avanzate, NREL \u00e8 protagonista nella ricerca della sicurezza energetica, dell\u2019idrogeno delle celle a combustibile, delle risorse energetiche distribuite. Si occupa anche di bioenergia e di prodotti a base biologica da attivare per ottenere edifici a energia zero, energia eolica, energia geotermica ed energia solare.
\nLa ricerca alla base della tecnologia TPV potrebbe modificare le fonti di energia rinnovabile per il futuro. NREL sta creando i materiali e i metodi che consentiranno al TPV di avere un impatto nelle applicazioni che includono il recupero di energia dal calore industriale disperso, dall\u2019elettronica portatile, dalla generazione di energia elettrica silenziosa e da quella nucleare ed infine c\u2019\u00e8 la prospettiva dello stoccaggio in rete.
\nE con questo si pu\u00f2 dire che il percorso verso la commercializzazione del TPV \u00e8 ben avviato.<\/figcaption><\/figure>\n

Le caratteristiche del motore termico<\/h2>\n
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Le celle TPV tandem per la conversione di calore >2000\u00b0C sono state sviluppate da NREL e MIT. Una cella TPV montata su uno stadio cold-plate progettato per mantenere la cella a 25\u00b0C nonostante l\u2019ambiente estremamente caldo. Una piastra fredda vuota sta per essere caricata in un forno a 2000\u00b0C per una misura di calibrazione. Foto di Alina LaPotin, MIT<\/figcaption><\/figure>\n

Il motore termico \u00e8 una cella termofotovoltaica<\/strong> (TPV), simile alle celle fotovoltaiche di un pannello solare, che cattura passivamente fotoni ad alta energia da una fonte di calore incandescente e li converte in elettricit\u00e0. Il progetto realizzato dal team dei ricercatori pu\u00f2 generare elettricit\u00e0 da una fonte di calore compresa tra 1.900 e 2.400 gradi Celsius, o fino a circa 4.300 gradi Fahrenheit.<\/p>\n

I ricercatori hanno in programma di incorporare la cella TPV in una batteria termica su scala di rete. Il sistema assorbirebbe l\u2019energia in eccesso da fonti rinnovabili come il sole e immagazzinerebbe quell\u2019energia in banchi di grafite<\/strong> calda fortemente isolati. Quando fosse necessaria energia nei giorni nuvolosi, le celle TPV convertono il calore in elettricit\u00e0 e inviano l\u2019energia ottenuta a una rete elettrica.<\/p>\n

Con la nuova cella TPV, il team ha ora dimostrato con successo le possibilit\u00e0 di applicazione delle parti principali del sistema in esperimenti separati su piccola scala; si sta lavorando per integrare le varie parti al fine di ottenere un sistema completamente operativo, ampliare il sistema per sostituire le centrali elettriche a combustibili fossili e consentire una rete elettrica completamente decarbonizzata, fornita interamente da energia rinnovabile.<\/p>\n

La parola al team del MIT<\/h2>\n

\u201cLe celle termofotovoltaiche sono state l\u2019ultimo passo fondamentale per dimostrare che le batterie termiche sono un concetto praticabile\u201d<\/em>, afferma Asegun Henry, Professore presso il Dipartimento di ingegneria meccanica del MIT. \u201cQuesto \u00e8 un passo assolutamente fondamentale nel percorso per la proliferazione delle energie rinnovabili e per arrivare alla rete completamente decarbonizzata\u201d<\/em>.<\/p>\n

Henry e i suoi collaboratori hanno pubblicato i loro risultati sulla rivista Nature<\/strong>. I coautori del MIT includono Alina LaPotin, Kyle Buznitsky, Colin Kelsall, Andrew Rohskopf ed Evelyn Wang, Ford Professor of Engineering e capo del Dipartimento di ingegneria meccanica, insieme a Kevin Schulte e collaboratori del NREL a Golden, in Colorado.<\/p>\n

Oltre il 90% dell\u2019elettricit\u00e0 mondiale proviene da fonti di calore come carbone, gas naturale, energia nucleare e energia solare a concentrazione. Per un secolo, le turbine a vapore sono state lo standard industriale per arrivare all\u2019 elettricit\u00e0.<\/p>\n

In media, le turbine a vapore riescono in questa conversione e in modo affidabile per circa il 35%, con un 60% a rappresentare la massima efficienza di qualsiasi motore termico fino ad oggi. Ma il sistema, la macchina, dipende da parti in movimento che sono limitate dalla temperatura. Fonti di calore superiori a 2.000 gradi Celsius, come il sistema di batterie termiche proposto da Henry, sarebbero troppo calde per le classiche turbine.<\/p>\n

Negli ultimi anni, gli scienziati hanno esaminato alternative a stato solido: motori termici senza parti mobili<\/strong>, che potrebbero potenzialmente funzionare in modo efficiente a temperature molto pi\u00f9 elevate.<\/p>\n

\u201cUno dei vantaggi dei convertitori di energia a stato solido \u00e8 che possono funzionare a temperature pi\u00f9 elevate con costi di manutenzione inferiori perch\u00e9 non hanno parti mobili\u201d<\/em>, afferma Henry. \u201csono semplicemente posizionati l\u00ec stabilmente e generano elettricit\u00e0 in modo affidabile.\u201d<\/em><\/p>\n

Lo sviluppo attuale del motore termico<\/h3>\n
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a)<\/strong><\/em> Illustrazione concettuale del sistema, che assorbe l\u2019elettricit\u00e0, la converte in calore tramite il riscaldamento Joule, immagazzina lo stesso in blocchi di grafite isolati e quindi utilizza TPV per convertire il calore in elettricit\u00e0. Viene mostrata anche una cella unitaria del blocco di potenza. b)<\/strong><\/em> Diagramma di Sankey dei i flussi di energia nel sistema su scala e diverse metriche di efficienza. c)<\/strong><\/em> La relazione tra l\u2019efficienza del sottosistema TPV e la dimensione del blocco di potenza o il rapporto tra volume e superficie, \u03a6, supponendo che il sistema sia un cubo. d)<\/strong><\/em> Illustrazione concettuale di un sistema di generazione di elettricit\u00e0 basato sulla combustione che utilizza TPV. e)<\/strong><\/em> Diagramma di Sankey che mostra i flussi di energia in un sistema TPV basato sulla combustione in scala.<\/figcaption><\/figure>\n

Le celle termofotovoltaiche hanno offerto un percorso esplorativo verso i motori termici a stato solido. Proprio come le celle solari, le celle TPV potrebbero essere realizzate con materiali semiconduttori con un particolare bandgap, cio\u00e8 calcolando il divario tra la banda di valenza di un materiale e la sua banda di conduzione. Se un fotone con un\u2019energia sufficientemente elevata viene assorbito dal materiale, pu\u00f2 generare un elettrone attraverso il bandgap, dove questo pu\u00f2 quindi fare da conduttore, e di conseguenza generare elettricit\u00e0, senza il movimento di rotori o pale.<\/p>\n

Ad oggi, la maggior parte delle celle TPV ha raggiunto solo capacit\u00e0 produttive di circa il 20 percento, arrivando al massimo ad un 32 percento, poich\u00e9 sono costituite da materiali a banda relativamente bassa che possono convertire fotoni solo a bassa temperatura e a bassa energia per cui la conversione totale per arrivare alla produzione di energia risulta meno efficiente.<\/p>\n

Catturare la luce<\/h2>\n

Nel loro nuovo progetto TPV, Henry e i suoi colleghi hanno cercato di catturare fotoni ad alta energia da una fonte di calore a temperatura elevatissima, ottenendo cos\u00ec un risultato di conversione in modo pi\u00f9 efficiente. La nuova cella lavora con materiali a banda pi\u00f9 elevata e giunzioni multiple o con materiale stratificato diversamente dai precedenti e gi\u00e0 esistenti progetti TPV.<\/p>\n

La cella \u00e8 fabbricata da tre strati: una lega ad alto bandgap, al di sotto della quale c\u2019\u00e8 uno strato d\u2019oro simile a uno specchio. Il primo strato cattura i fotoni di una fonte di calore con pi\u00f9 alta energia e li converte in elettricit\u00e0, mentre il secondo strato cattura i fotoni a pi\u00f9 bassa energia che passano attraverso il primo strato. Lo specchio quindi riflette tutti i fotoni che passano attraverso questo secondo strato verso la fonte di calore, invece di essere assorbiti come calore disperso.<\/p>\n

Il team ha testato l\u2019efficienza della cella posizionandola su un sensore di flusso di calore: un dispositivo che misura direttamente il calore assorbito dalla cella.<\/p>\n

I ricercatori hanno eseguito esperimenti su celle con una superficie di circa un centimetro quadrato, ma per produrre un sistema con batterie termiche in scala di rete servirebbe una cella a scalare di almeno 900 metri quadrati.<\/p>\n

La cella \u00e8 esposta ad una lampada ad alta temperatura e la luce emessa va tutta sulla cella. Successivamente, variando alternativamente l\u2019intensit\u00e0 della lampadina, si \u00e8 riscontrato come l\u2019efficienza energetica della cella \u2013 la quantit\u00e0 di energia che produceva, rispetto al calore che assorbiva \u2013 si modificava con la variazione di temperatura. In un intervallo compreso tra 1.900 e 2.400 gradi Celsiu<\/strong>s, la nuova cella TPV ha mantenuto un\u2019efficienza di circa il 40%<\/strong>.<\/p>\n

I prossimi step<\/h3>\n
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a)<\/em><\/strong> Schema della configurazione del concentratore che mostra il posizionamento relativo dei riflettori parabolici ellissoidali e composti, apertura raffreddata ad acqua, cella TPV, HFS e dissipatore di calore. b)<\/em><\/strong> Immagine della configurazione del concentratore. c) <\/em><\/strong>Schema dei flussi di calore ed di elettricit\u00e0 attraverso il dispositivo di misurazione. L\u2019energia elettrica viene estratta da due clip di rame. d)<\/em><\/strong> Immagine della cella sul dissipatore con cavi elettrici (l\u2019apertura \u00e8 stata rimossa per chiarezza).<\/figcaption><\/figure>\n

\u201cPossiamo ottenere un\u2019elevata efficienza su un\u2019ampia gamma di temperature rilevanti per le batterie termiche\u201d<\/em>, afferma Henry.<\/p>\n

La cella sperimentale \u00e8 molto piccola, circa un centimetro quadrato, mentre per un sistema di batterie termiche su scala di rete, Henry prevede che le celle TPV dovrebbero crescere fino a circa 10.000 piedi quadrati (circa un quarto di un campo da calcio) e il loro ottimale funzionamento avverrebbe in magazzini climatizzati perch\u00e9 in tal modo si potrebbe trarre energia da enormi banchi di batterie li immagazzinate. Sottolinea che esiste gi\u00e0 un\u2019infrastruttura per la produzione di celle fotovoltaiche su larga scala, che potrebbero anche essere adattate per la produzione di TPV.<\/p>\n

\u201cC\u2019\u00e8 sicuramente un enorme grado di positivit\u00e0 in termini di sostenibilit\u00e0\u201d<\/em>, dice Henry. \u201cLa tecnologia \u00e8 sicura, rispettosa dell\u2019ambiente nel suo ciclo di vita e pu\u00f2 avere un enorme impatto sulla riduzione delle emissioni di anidride carbonica derivanti dalla produzione di elettricit\u00e0\u201d<\/em>.<\/p>\n

Questa ricerca \u00e8 stata sostenuta, in parte, dal Dipartimento dell\u2019Energia degli Stati Uniti.<\/em><\/p>\n<\/div>\n

L’articolo Il motore termico efficiente come una turbina a vapore<\/a> sembra essere il primo su Il Progettista Industriale<\/a>.<\/p>\n<\/div>\n

Vai alla fonte.<\/a><\/p>\n

Autore: Roberta Falco<\/p>\n

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